Disertacion ciencia materiales ceramicos

Ecuación de Pauling

% Carácter Iónico=

Donde:

Xa: electronegatividad elemento A

Xb: electronegatividad elemento B

Ecuación de PaulingValores % iónico diferentes compuestos

De la ecuación anterior, se puede apreciar que solo se necesitan saber las electronegatividades de los elementos

presentes para obtener su porcentaje iónico.

Ecuación de PaulingDependencia %iónico v/s diferencia electronegatividadDebido a la naturaleza de la ecuación, la proporción de enlace iónico y

covalente de los enlaces de los materiales cerámicos no es una relación directa

Síntesis de los polvos cerámicosDebido a las características que poseen los materiales cerámicos

(altos puntos de fusión, bajo valor de resistencia a tensión) no se les puede trabajar con los procesos utilizados para otra clase de materiales.

Lo que se busca, es entonces un “polvo cerámico” el cual se pueda pasar por diferentes etapas para su producción final.

Material Pto. Fusión (ºC) Resistencia Tensión (MPa)

Al2O3 2000 206.842

SiC 2700 172.369

ZrO2 2700 344.738

Síntesis de los polvos cerámicosSi bien existen diferentes procesos según sea el polvo cerámico que se escoja

para trabajar, una gran parte de estos polvos se puede sintetizar a partir de pasos comunes. Estos son un proceso de triturado y molido; y según sea la naturaleza del mineral con el cual se trabaja se puede proceder a utilizar la lixiviación o calcinación

Síntesis de los polvos cerámicosLa función tanto del triturado como la molienda es reducir el tamaño de los

minerales y separar lo de interés (o valor comercial buscado) de la ganga.

Síntesis de los polvos cerámicosPara lograr una disminución aún mayor en el tamaño de los polvos se puede

utilizar molinos (levemente diferentes a los de procesamiento de minerales) para llevar a cabo una mayor reducción del polvo

Síntesis de los polvos cerámicosEstos procesos de síntesis son ampliamente usados debido a su bajo costo y

sencillo procedimiento. Un importante material cerámico electrónico que se fabrica de esta forma es el Titanato de Bario el cual se utiliza como pieza dieléctrica.

También existen métodos mas complejos basados en técnicas químicas para la síntesis de cerámicos. Su uso está solo justificado a aplicaciones donde una mayor pureza se justifica por su uso mas que por la inversión.

Procesamiento de Cerámicas

El polvo que se obtiene mediante la síntesis son partículas poco unidas , las cuales no se pueden aprovechar para formar materiales. Es por esto que se necesita efectuar un procesamiento a estos polvos de tal manera que se puedan aglomerar de tal forma que se obtengan formas, características y propiedades adecuadas según lo que se esté buscando.

Por lo tanto, se puede definir procesamiento de cerámicas como el conjunto de todas las operaciones unitarias llevadas a cabo para convertir los polvos en formas útiles.

Procesamiento de Cerámicas

El procesamiento de los polvos cerámicos se puede hace en función de diferentes procesos; a modo de ordenarlos se tiene: 

Preparación de los materiales Conformado de Polvos cerámicos Tratamiento Térmico

Procesamiento de CerámicasPreparación de materiales

La mayoría de los productos cerámicos están formados mediante la aglomeración de partículas. Las partículas varían dependiendo de las propiedades requeridas de la pieza cerámica

Procesamiento de CerámicasConformado

En esta etapa al aglomerado de polvo cerámico se le da forma mediante diferentes tipos de conformado.

Procesamiento de CerámicasConformado

Compactación (Prensado)

Cuando se tiene un aglomerado de partículas se hace un prensado (ya sea con o sin calor), el cual dependiendo de las características que se le desee dar al cerámico en verde que se desee producir. Los diferentes prensados son:

Prensado en seco Prensado Isostático en frío (CIP) Prensado en caliente Prensado Isostático en caliente (HIP)

Procesamiento de CerámicasConformado

Prensado en seco

Método altamente usado debido a su bajo costo y buen resultado. Es sumamente efectivo debido al escaso tiempo que ocupa este proceso; muchos materiales (como alúminas, titanatos y ferritas) pueden tratarse de esta forma. Se le conoce como conformado uniaxial

Procesamiento de CerámicasConformado

Prensado en seco

Como desventajas se presenta que no hay una disminución considerable de la densidad del material y no se genera un material con una densidad 100% igual en cada sector de la pieza ya que siempre hay zonas donde se aplica menos presión que en otras

Procesamiento de CerámicasConformado

Prensado isostático en frío

Técnica de procesamiento de polvos cerámicos en la cual durante la compactación, se aplica presión hidrostática. Se utiliza para lograr una densidad más elevada en cerámicos en verde o mejor compactación de formas complejas.

Procesamiento de CerámicasConformado

Prensado en caliente

Técnica de procesamiento de polvos cerámicos en la cual el sinterizado se efectúa bajo presión uniaxial

Prensado Isostático en caliente

Técnica de procesamiento de polvos cerámicos en la cual se pueden producir grande piezas de material (en este caso cerámicos) utilizando el sinterizado bajo presión hidrostática generada por un gas

Procesamiento de CerámicasConformado

Extrusión

Técnica la cual se utiliza para formar piezas como tubos, tejas para hornos, aislantes, entre otros. Consiste en someter la mezcla de polvos y aglutinantes a usa serie de etapas con el fin de obtener piezas largas que después se puedan maquinar

Procesamiento de CerámicasConformado

Extrusión

Procesamiento de CerámicasConformado

Moldeo por inyección

Es similar al proceso de extrusión, salvo que aquí los polvos cerámicos se mezclan con un plastificante termoplástico y otros aditivos. Se pasa por un extrusor y se inyecta en un molde. Es altamente adecuado para moldear formas complejas

Procesamiento de CerámicasConformado

Moldeo de vaciado por suspensión

Conformado de una pieza cerámica hueca mediante la introducción de un lodo que se puede vaciar en un molde. El agua del lodo (barbotina) se extrae hacia el molde poroso y se deja una superficie mas seca. El lodo excedente se puede entonces decantar.

Moldeo sólido

Similar al moldeo anterior, aquí el lodo llena toda la cavidad del molde, se espera a que seque (según las características requeridas) para su posterior proceso de sinterización

Procesamiento de CerámicasConformado

Diagrama que muestra los diferentes pasos de moldeo por vaciado por suspensión (parte superior de la imagen) y moldeo sólido (parte inferior de la imagen)

Procesamiento de CerámicasConformado

Moldeo de vaciado por suspensión

Proceso para la elaboración de hojas delgadas de material cerámico mediante un lodo cerámico formado por aglutinantes, entre otros. Este lodo se vacía con la ayuda de una cuchilla en un sustrato plástico. La cinta en verde resultante se maquina para su posterior uso

Procesamiento de CerámicasTratamientos Térmicos

Si bien el único tratamiento térmico que se considera en las cerámicas es la sinterización, se debe tener en cuenta dos importantes procesos extras que ocurren en condiciones de aumento de temperatura

1. Secado y extracción del aglutinante

2. Sinterización

3. Vitrificación

Procesamiento de CerámicasTratamientos Térmicos

Secado y extracción del aglutinante

El propósito de secar la cerámica es la extracción del agua de la masa de cerámica junto con los aglutinantes que presente. Esto se realiza en un largo intervalo de tiempo en el que las temperaturas varían lentamente con el fin de conservar microestructuras y propiedades deseadas.

Para eliminar el agua, la cerámica se calienta a una temperatura levemente superior a los 100ºC, mientras que para eliminar los aglutinantes se debe calentar en un rango entre 200ºC a 500ºC

Procesamiento de CerámicasTratamientos Térmicos

Sinterización

Proceso en el cual las partículas finas de un material cerámico se enlazan químicamente entre sí a una temperatura suficientemente alta para provocar una difusión atómica entre las partículas.

Procesamiento de CerámicasTratamientos Térmicos

Sinterización

Sinterización MgO a 1430ºC a)30 min b)303min c)1110min d) sinterizado final(c )

Vitrificación

El proceso de vitrificación se usa para producir vidrio líquido viscoso en una mezcla cerámica sometida a cocción. Al enfriarse, la fase líquida solidifica y forma una matriz vítrea (o vidriosa) que enlaza entre sí las partículas fundidas del material cerámico

Procesamiento de CerámicasTratamientos Térmicos

Propiedades mecánicasLas propiedades y características que tienen los materiales es de vital

importancia para ver bajo que condiciones se puede usar el material.

Para el caso de las cerámicas, existen diferentes factores en los cuales se puede analizar sus propiedades mecánicas; los de mayor interés metalúrgico son: tenacidad, dureza, y resistencia mecánica

Mat. Resistencia a la tensión (MPa)

Resistencia a la flexión (MPa)

Resistencia compresión (MPa)

Módulo de Yang (MPa)

Tenacidad Fractura (MPa “raiz”m)

Al2O3 206.843 551.580 2757.903 3.86x10^8 3

SiC 172.369 551.580 3861.064 4.11x10^8 2.4

ZrO2 448.159 689.476 1861.584 3.10x10^8 6

¿Consultas?

Bibliografía

William Smith “Fundamento de la ciencia e ingeniería de materiales” 3º y 4º edición

David Askeland “Ciencia e ingeniería de los materiales” 4º edición

Stella Maris Ordoñez “Materiales Cerámicos” http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/quimica-de-

los-materiales/Material%20de%20clase/tema6b.htm