Ceramicos

CERAMICOS

Por lo general se considera que los metales son la clase más importante de materiales de la ingeniería. Sin embargo, es de interés observar que en realidad los materiales cerámicos son más abundantes y se utilizan más. En esta categoría se encuentran incluidos los productos de arcilla (por ejemplo, ladrillos y vajillas), vidrio, cemento y materiales cerámicos más modernos tales como el carburo de tungsteno y el nitruro cubico de boro. Esta es la clase de materiales que se estudia en este capítulo. También se incluye el análisis de varios elementos relacionados con los materiales cerámicos porque en ocasiones se les usa en aplicaciones similares. Estos elementos son el carbono, silicio y boro.

La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales. La palabra cerámica proviene del griego keramos, que significa arcilla de vasijas o trastos hechos de barro* cocido. Los ejemplos importantes de materiales importantes son el sílice, o dióxido de silicio (SiO2), ingrediente principal de la mayoría de los productos de vidrio, la alúmina, u oxido de aluminio (Al2O3), que se utilizan en aplicaciones que van de abrasivos a huesos artificiales; y compuestos más complejos tales como el silicato de aluminio hidratado (Al2Si”O5 (OH)4), conocido como caolinita, ingrediente principal de la mayoría de los productos de arcilla. Los elementos de estos compuestos son los mas comunes en la corteza terrestre, véase la tabla 7.1. el grupo incluye muchos compuestos adicionales, algunos de los cuales ocurren de manera natural, en tanto que en otros son manufacturados.

Las propiedades generales que hacen a los materiales cerámicos útiles para los productos de ingeniería son la alta dureza, características buenas de aislamiento térmico y eléctrico, estabilidad química y temperaturas de fusión elevadas. Algunos cerámicos son traslucidos; el ejemplo mas claro es el vidrio para ventanas. También son frágiles y virtualmente no poseen ductilidad, lo que causa problemas tanto en su procesamiento como en su desempeño.

La importancia tecnológica y comercial de los materiales cerámicos queda demostrada por la variedad de productos y aplicaciones que se basan en esa clase de materiales. La lista incluye los siguientes:

 Productos de arcilla para la construcción, tales como ladrillos, tubos de arcilla y mosaicos para la construcción.

 Cerámicos refractarios, capaces de utilizarse en aplicaciones de alta temperatura tales como muros de hornos, crisoles y moldes.

 Cemento para concreto, se emplea para la construcción y carreteras (el concreto es un material compuesto, pero sus componentes son materiales cerámicos).

 Productos de línea blanca, incluyen vajillas, cerámica de gres, porcelana china, fina y otros artículos de mesa, con base en mezclas de arcilla y otros minerales.

 Vidrio, se utiliza en botellas, anteojos, lentes, cubiertas para ventanas y focos.

 Fibras de vidrio, para lana aislante térmica, plásticos reforzados (fibra de vidrio) y líneas de comunicación de fibras ópticas.

 Abrasivos, tales como oxido de aluminio y carburo de silicio.

 Herramientas para cortar materiales, que incluyen carburo de tungsteno, oxido de aluminio y nitruro de boro cubico.

 Aislantes cerámicos, que se emplean en aplicaciones tales como componentes de transmisión eléctrica, encendedores y sustratos de chips para la microelectrónica.

 Cerámicos magnéticos, por ejemplo, en memorias de computadora.

 Combustibles nucleares, con base en óxido de uranio (UO2).

 Biocerámicas, incluyen materiales que se usan para hacer dientes y huesos artificiales.

Para fines de organización, los materiales cerámicos se clasifican en tres tipos básicos:

1) Cerámicos tradicionales, silicatos que se emplean en productos de arcilla, tales como vasija y ladrillos, abrasivos comunes y cemento; 2) nuevos cerámicos, creados recientemente con base en materiales que no son silicatos, tales como óxidos y carburos, y que por lo general poseen propiedades mecánicas o físicas que los hacen superiores o únicos si se les comparan con los cerámicos tradicionales; y 3) vidrios, con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su estructura no cristalina. Además de los tres tipos básicos, se tienen vidrio-cerámicos, vidrios que han sido transformados en una estructura cristalina grande por medio del tratamiento térmico.

7.1 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS CERAMICOS

Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos. Estos son más fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a la dureza y rigidez altas pero ductilidad baja de los materiales cerámicos. Así como la presencia de electrones libres en el enlace metálico explica por qué los metales son buenos conductores del calor y la electricidad, la presencia de electrones estrechamente empacados en las moléculas de las cerámicas explica el que estos materiales sean malos conductores. El enlace fuerte también da a estos materiales temperaturas de fusión altas, aunque en este caso algunas cerámicas se descomponen, en lugar de fundirse.

La mayoría de los materiales cerámicos adoptan estructura cristalina. Por lo general, sus estructuras son más complejas que las de la mayoría de los metales. Hay varias razones para ello. En primer lugar, las moléculas de los cerámicos consisten en general en átomos que son de tamaño significativamente distinto. En segundo, es frecuente que las cargas de los iones sean muy diferentes, como en muchas de los cerámicos comunes tales como el SiO2 y el Al2O3. Estos dos factores tienden a forzar un arreglo físico más complicado de los átomos de la molécula y en la estructura cristalina resultante. Además, muchos materiales cerámicos consisten en más de dos elementos,

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