Unidad 2 Ing Mat No Metal

Unidad II.-propiedades y aplicaciones de los materiales no metálicos, (cerámicos, polímeros y Compositos).

La cerámica técnica se ocupa de la utilización de materiales cerámicos en aplicaciones tecnológicas. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos que se forman por acción del calor.

Hasta los años 1950, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También puede buscarse la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental.

Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos no tradicionales. Esto también se ha buscado incorporándolas a materiales compuestos como es el caso de los cermets, que combinan materiales metálicos y cerámicos.

PROPIEDADES FÍSICAS

- Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros.

- Baja conductividad eléctrica.

- Baja conductividad térmica.

- Baja expansión y fallas térmicas.

Densidad cristalográfica: es la densidad ideal de una estructura cristalina específica determinada a partir de datos de composición química y de datos del espaciado interatómico obtenidos por difracción de rayos X.

Densidad teórica o real: la densidad de un material que contiene una porosidad micro estructural nula, teniendo en cuenta las fases múltiples, los defectos en la estructura y las soluciones sólidas).

Densidad global: la densidad de una pieza cerámica, incluyendo toda la porosidad, los defectos de red y las distintas fases).

Densidad específica: la densidad de un material en relación con la densidad de un volumen igual de agua a 4°C (por lo general, basada en la densidad cristalográfica o teórica). Así, un material con una densidad específica de 4.5 tiene una densidad 4.5 veces la densidad del agua a 4° C. Asimismo, un volumen igual pesa 4.5 veces que el de agua.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS CERÁMICAS

Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace), este hecho supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.

Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes del grano.

Factores que afectan la resistencia de los materiales cerámicos

La falla mecánica de los materiales cerámicos se presenta principalmente por defectos estructurales. Las principales fuentes de fractura en policristales cerámicos son las grietas superficiales producidas durante el acabado superficial, los huecos (porosidad), las inclusiones y los granos grandes que se forman durante el procesamiento.

Tenacidad de los materiales cerámicos

Los materiales cerámicos, debido a su combinación de enlace iónico y covalente, tienen una baja tenacidad inherente. En años pasados se han llevado a cabo múltiples investigaciones para mejorar la tenacidad de los materiales cerámicos. Mediante el uso de ciertos procesos, como cerámicas prensadas en caliente con aditivos y reacciones de enlace, se han producido cerámicas de ingeniería con mejor tenacidad.

Falla por fatiga de cerámicos

La falla por fatiga en metales se presenta bajo esfuerzos cíclicos repetidos por la nucleación y la formación de grietas en un área endurecida por deformación plástica de una muestra. Debido al enlace iónico-covalente de los átomos en un material cerámico, hay una ausencia de plasticidad en las cerámicas durante el esfuerzo cíclico. En consecuencia, la fractura por fatiga es rara en las cerámicas.

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LAS CERÁMICAS

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico-covalentes; y son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios materiales que resisten la acción de ambientes calientes tanto líquidos como gaseosos. los refractarios se utilizan en las industrias metalúrgicas, químicas, cerámicas y del vidrio.

MATERIALES REFRACTARIOS CERAMICOS

Muchos compuestos cerámicos puros con altos puntos de fusión como el oxido de aluminio y el oxido de magnesio, podrían tener aplicación como refractarios industriales; la mayoría de los refractarios industriales se hacen con mesclas de compuestos cerámicos.

Las propiedades mas importantes de los refractarios cerámicos son su resistencia a bajas y altas temperaturas, su densidad y su porosidad. La mayoría de los refractarios cerámicos tienen densidades en el rango de 2,1 a 3,3 g/cm a la 3 8 132 a 206 lb/pie al cubo). Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y erosión y a la penetración por líquidos y gases.

Refractarios ácidos

Los refractarios de sílice tienen alta refractariedad alta resistencia mecánica y rigidez a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión.

Los refractarios de arcillas se basan en una mezcla de arcilla cocida plástica arcilla de partirlas gruesas y arcilla pétrea. En el estado precio al cocido estos refractarios se componen de una mezcla de partículas de tamaño variable desde grandes tamaños asta partículas extremadamente finas.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LAS CERÁMICAS

Los materiales cerámicos se utilizan un gran variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Muchos tipos de cerámicos se utilizan como aislantes eléctricos para corrientes eléctricas de alto y bajo voltaje. También encontramos varios tipos de condensadores. Otro tipo de cerámicos se llaman piezoeléctrico pueden convertirse débiles señales de presión en señal eléctrica, y viceversa.

La rigidez dieléctrica.

Es la cantidad de capacidad de material para albergar energía a altos voltajes. La rigidez dieléctrica viene definida como el voltaje por unidad de longitud (campo eléctrico o gradiente del voltaje). La rigidez dieléctrica se mide mas cómodamente en voltios por mil(1 mil =0.001pulg) o kilovoltios/mm. Si el dieléctrico esta sujeto al gradiente de un voltaje.

El factor de pérdida dieléctrico.

Si el voltaje que se utiliza para mantener la carga en el condensador es sinusoidal, tal como se genera por una corriente alterna, el voltaje induce la corriente a 90° cuando un dieléctrico real se utiliza en el condensador, el voltaje es inducido por una corriente de 90° -ʆ, donde el ángulo se llama ángulo de perdida dieléctrico.

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