Materiales Cerámicos

Introducción

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos, debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión y estabilidad relativamente altas en la mayoría de los medios más agresivos debido a la solidez de sus enlaces. Para la ingeniería se vuelven indispensables los materiales cerámicos dadas sus propiedades.

En general, los materiales cerámicos usados para las aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: los de usos tradicionales y específicos. Normalmente los tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato, ejemplos de éstos son los ladrillos y las tejas utilizadas en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles (específicas), por el contrario, están constituidas típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4), ejemplos de aplicación de éstas en la tecnología de punta, son el uso del carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de las turbinas de motores que funcionan a gas; y el óxido de aluminio en la base de soportes para circuitos integrados de los chips, en un módulo de conducción térmica.

Material cerámico

Un material cerámico es un tipo de componente inorgánico, no metálico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young también elevado, además presentan un modo de rotura frágil.

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc), por esta razón, en las cerámicas se realiza un tratamiento de sinterización, este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción es imposible de realizar debido a la porosidad, el módulo de Young, la elevada fragilidad y por poseer un enlace interatómico (iónico y/o covalente). Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero, la razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material; al comprimir estos poros, la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

Su estructura puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes.

Cristales cerámicos

Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan su estructura:

El valor de la carga eléctrica de los iones componentes.

Los tamaños relativos de los cationes y aniones.

Con respecto a la primera, el cristal debe ser eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas (de los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes y aniones para que se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA. Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son generalmente menores que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada catión se rodeará de tantos aniones vecinos próximos como les sea posible. Los aniones también se rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos más próximos.

Las estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.

Carbono

Es un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como en estado amorfo. Sin embargo hemos decidido nombrar este material puesto que el grafito (una de las formas polimórficas del carbono) se clasifica a veces como una cerámica; y también porque la estructura cristalina del diamante (otro polimorfo) es similar a la de la blenda (ZnS), un compuesto cerámico. El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Cada átomo de carbono está unido con otros cuatro átomos de carbono mediante enlaces totalmente covalentes. Se caracteriza por ser extremadamente duro (el material más duro conocido) y por su poca conductividad eléctrica.

El grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de Van der waals entre las capas. Como consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la separación es considerable y el deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

Estructuras cerámicas de silicatos

Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones, también un número de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas, feldespatos y micas son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre.

Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades. Las estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento Portland, ladrillos y aislantes eléctricos.

...