DENSIFICACIÓN DE LOS
CERAMICOS
CERAMICOS:
La cerámica (palabra derivada del griego κεραμικός keramikos, ‘sustancia quemada’) es el
arte de fabricar recipientes, vasijas y otrosobjetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción
del calor transformarlos en recipientes de terracota, loza o porcelana. También es el nombre de estos objetos. El término se aplica
de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No solo
se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más
del 95 % de la corteza terrestre), sino también a artículos y
recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como
para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente
incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal. MATERIAL CERÁMICO: Un material cerámico es un tipo de
material 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 (pendiente
hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) 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 realizamos 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, por los poros y un módulo de
Young y una fragilidad elevados y al tener un enlace interatómico (iónico y/o covalente),1 es imposible de
realizar. 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.
LAS DIVISIONES BASICAS DE LOS MATERIALES EN
INGENIERIA: Los Materiales
disponibles en ingeniería son diversos y se distinguen fundamentalmente por su
composición química, estado (solido, liquido y gaseoso), estructura
(cristalina, amorfa), sus diferentes fases, impurezas y distribución de estos
componentes.
La
clasificación más usual de los materiales distingue los metales y sus
aleaciones, los polímeros orgánicos y las cerámicas e vidrios. Estos tres se
consideran materiales “puros”, dentro de la ciencia de los materiales, la
cerámica ha ido adquiriendo mayor importancia día a día hasta convertirse en
uno de estos tres componentes básicos que en la actualidad reconoce la
comunidad internacional.
Las diferencias en las
características de cada grupo tienen su origen en diferencias básicas que hay
en el enlace entre átomos y grupos de átomos.
LOS MATERIALES Y LA CERAMICA: En el
campo de la cerámica, se puede distinguir:
v Las
cerámicas y los vidrios como materiales individuales.
v Los
compositor formados por matriz plástica y refuerzo de fibra de vidrio (casco de
buques y depósitos de poliéster), matriz cerámicas y refuerzo metálico (como
los nuevos elementos electrónicos, resistencias eléctricas, etc.).
Tal es el desarrollo de las
cerámicas en los últimos años que, en la actualidad, no es posible citar una
sola tecnología puntera que no avance gracias a la incorporación de cerámicas
avanzadas.
Los materiales cerámicos han ido
adquiriendo preponderancia con el tiempo a medida que se han requerido
prestaciones mas sofisticadas. Así se pueden citar:
Ø Cerámicas resistentes a altas temperatura:
A elevadas temperaturas, a partir de los 600 0C , los aceros convencionales y las
aleaciones difícilmente resisten las solicitaciones mecánicas en aplicaciones
como bolas para rodamientos, ejes, válvulas, juntas, etc.
Ø Cerámicas refractarias: Como las
empleadas para la fabricación de los alabes de turbinas, toberas para
quemadores, piqueras para la salida de metales fundidos, etc.
Ø Cerámicas aislantes: A elevadas
temperatura. Sabido es que el aislamiento térmico se consigue a base de crear
poros en cuyo interior queda aire ocluido. Los materiales que permiten fabricar
aislantes aptos para soporte temperaturas superiores a los 1600 0C,
son cerámicos muy especiales.
Ø Vitrocerámicos: A los que cada día se
les exige prestaciones mas elevadas como ser muy resistentes al choques
térmicos. Fabricación de muros cortina, materiales para el confinamiento de
residuos de alta radioactividad, etc.
Ø Cerámicas biocompatibles: Para el
desarrollo de prótesis humanas. Algunos aleaciones metálicas y hormigones son
tolerados (no crear rechazo) por el organismo pero no son biocompatibles.
Ø Cerámicas de aplicaciones electrónicas:
Toda la que se utiliza para la fabricación de semiconductores, fibra óptica,
etc.
Ø Cerámicas superconductores: Este es
quizás la estrella de los futuros desarrollos de materiales cerámicos ya que
permitirán la conducción de la electricidad sin sufrir el efecto Joule.
DENSIFICACIÓN DE LOS CERAMICOS
Proceso térmico mediante el cual los granos que constituyen el material
crecen formándose uniones entre ellos lo que produce un efecto de aproximación
aumentando la densidad.
La etapa de densificación es, con
propiedad la esencia del proceso cerámico.
En la cerámicas convencionales,
entendiéndose esta como aquella cuya ceramizacion tiene lugar con la fase
liquida como promotor, las partículas, próximas unas a otras gracias a la etapa
de conformación, empiezan a tender unos puentes (reacciones en estado solido)
ayudadas por las fuerzas de tipo Van der Waals. Ver Figura.
Mas tarde comienza la formación de la
fase amorfa, liquida, aunque muy viscosa, a esta temperatura y aumenta la
superficie de contacto entre las partículas.
En la medidas que el liquido se va
introduciendo en los intersticios, aumenta la contracción puesto que se van
rellenando los poros y se entra de lleno en la fase de densificación.
La diferencia en el desarrollo de
esta etapa de densificación es lo que cataloga las cerámicas o los procesos de
densificación en:
v
Sinterizaciones
v
Ceramizaciones
v
Fusiones o Vitrificaciones.
Desde el punto de vista de la
tecnología cerámica como tecnología a la valorización de los residuos, las dos últimas
son las más importantes.
En la medida que el líquido se va
introduciendo en los intersticios, aumenta la contracción puesto que se van
rellenando los poros y se entra de lleno en la fase de densificación.
Mecanismos
atómicos básicos que pueden conducir a:
Ø
Crecimiento de grano y cambio de la forma del
poro.
Ø
Densificación
Ø
Esquema que ilustra cómo el movimiento del
material desde el área entre las partículas hacia el poro conduce a contracción
y densificación.
LA
SINTERIZACIÓN: La sinterización en el estado sólido es la unión y
densificación de las partículas cuando se le aplica un tratamiento térmico a
una temperatura inferior a su punto de fusión.
FASES DE
LA SINTERIZACIÓN
v
ELIMINACION DEL AGLOMERANTE: se utiliza para
mantener la cohesión en las partículas, y este desaparece al aumentar la
temperatura provocando un aumento de la presión interna del polvo.
v
DENSIFICACIÓN: A medida que aumenta la
temperatura los limites de grano se “sueldan” y va desapareciendo la porosidad.
v
CRECIMIENTO DEL CRISTAL: Hay una cristalización
secundaria y no hay control sobre el tamaño, forma y orientación del cristal.
La presencia de uniones, fallas y fracturas son nucleadores de grietas
SINTERIZACIÓN
EN ESTADO SÓLIDO
ü Acercamiento
inicial de las partículas.
ü Crecimiento
de cuellos o puentes de enlaces.
ü Aparición
de poros aislados.
ü Redondeado
de los poros.
ü Contracción
de poros.
ü Engrosamiento
de la porosidad y del tamaño de grano.
GRADO DE CRISTALINIDAD
Una de las maneras de clasificar los
materiales cerámicos es atendiendo su grado de cristalinidad es decir a su
proporción de estructura ordenada (cristalina) así la figura muestra los casos
extremos una red cristalina y otra amorfa.
En
termino generales se puede definir:
La fase CRISTALINA, corresponde a estructuras
atómicas ordenadas enlaces fuerte, lo que supone una buena resistencia a la
lixiviación o sea al ataque químico, refractariedad ,elevada resistencia a la
abrasión .
La fase VÍTREA, corresponde a estructura atómica
desordenada con enlaces mas débiles por lo tanto con una propiedades
físico-químico en oposición a las correspondiente a la estructuras cristalina
Autor/Profesor:
Ing. Garcia Luis
Profesor de la UNIPAP-FACING
Jefe de Cátedra de Física y Ciencias Aplicadas
Profesor de la UNIPAP-FACING
Jefe de Cátedra de Física y Ciencias Aplicadas
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