Los Cerámicos Materiales Del Futuro

Como este artículo trata sobrelos materiales cerámicos,

debemos principiar definiéndolosquímica y estructuralmente. Loscerámicos son compuestosInorgánicos de metal y no metal.Esta definición Incluye las rocasnaturales y los minerales, los cualesse excluyen generalmente de lacategoría de los cerámicos, perocuyas propiedades sonfrecuentemente similares a las delos cerámicos técnicos. Porejemplo, las gemas naturales y lassintéticas como el diamante y elzafiro, son importantes en variasaplicaciones ópticas. En general,consideramos los cerámicos comoaquellos materiales inorgánicoselaborados por el hombre.

Los vidrios se consideran como unasubclase de los cerámicos. Ladiferencia entre los dos es que loscerámicos tienen una estructuracristalina periódica de alto orden ylos vidrios tienen un orden cristalinocorto, solamente a nivel desubunidades pero éstas seempacan al azar. Un ejemplo deun vidrio natural es la obsidiana(una roca volcánica). Algunosvidrios pueden convertirse encerámicos por medio detratamientos térmicos,durante los cuales se nucleany crecen los cristales dentrodel vidrio. Un ejemplo clásicode este tipo de material,conocido comovidrio-cerámico, es elPyroceram desarrollado porla Corning Incorporated parasu utilización en vajillas(Corelle por su nombrecomercial).

La mayoría de los cerámicosson compuestos de óxidos,carburos, nitruros o boruros,aunque otros materialescalifican también comocerámicos. Por ejemplo, losmateriales semiconductorestales como el Arseniuro deSilicio y de Gallotienenmuchas propiedadessemejantes o similares a losde los cerámicostradicionales. Las estructurascristalinas en los cerámicos

pueden ser de muchos tipos. Elenlace atómico entre los átomosen los cristales puede variar desdecompletamente fónico(por ejemplo elFluoruro de Magnesioutilizado para ventanasde transmisióninfrarroja) hastacompletamentecovalente (porejemplo el carburo deSilicio utilizado paraestructuras de altatemperatura talescomo intercambiadores de calor).

Muchos cerámicos que tienenaplicaciones técnicas o deingeniería se utilizan en forma dematerial policristalino. Esto es, queconsisten de granos individuales ,los cuales son realmente cristalessimples, unidos entre si durante elprocesamiento a temperaturaselevadas. Las estructuras cristalinasdentro de cada grano songeneralmente orientadas de ungrano a otro, lo cual conduce adificultades potenciales entérminos de anisotropía en laspropiedades elásticas o térmicas.En el lado positivo, este defecto de

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orientación puede conducir a unaresistencia mejorada a lapropagación de grietas a través

del material. Los límites entre losgranos pueden constituir por simismos fuentes de localización deimpurezas, fuentes de fallas, o enalgunos casos medios para lograrpropiedades únicas en el material(por ejemplo, capacitores decapa-límite).

Cuando pensamos en loscerámicos tradicionales incluimoslos ladrillos y otros productos dearcilla, las porcelanas blancas, loscementos y aún el óxido dealuminio que se utiliza en las bujíasde ignición y en los sustratos de lastarjetas electrónicas. Los vidriostradicionales incluyendo el vidrio

común de ventanas, losvidrios ópticos y variosvidrios utilizados comosellos. Mientras que estosvidrios y los materialescerámicos representan unafracción considerable de laindustria cerámica, elinterés en los años recientesse ha centrado en losdenominados cerámicosavanzados (cerámicos enIngeniería).

Los cerámicos avanzadosson materiales que se handesarrollado por suspropiedades mecánicas,eléctricas, ópticas ymagnéticas particulares.Durante los años pasados,los materiales cerámicos sehan utilizadoincrementalmente encomponentes estructuralesy funcionales. Porque estosmateriales se hanconstituido en un factor tanimportante en las nuevas

Gustavo Tovar SánchezProfesor Dpto. de Ingeniería Mecánica.Ingeniero Químico, Universidad Nacional,Especialista en Materiales y Metalurgia,Columbia University, EE.UU. Profesorde Ingeniería Mecánica, Uniandes. Area deespecialización Materiales y Metalurgia.

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aplicaciones ?. Existen variosfactores motivantes para lautilización de vidrios y cerámicosavanzados en varias áreas nuevas.Su excelente resistencia química ya la corrosión en varios ambientesy en un ampliointervalo detemperaturas, sutransparencia ópticaen un amplio intervalode longitudes deondas desde elultravioleta alinfrarrojo, su altadureza y resistencia aldesgaste y suscaracterísticaseléctricas únicas, loshacen materialesatracticos para unamplísimo intervalo deaplicaciones. Comoejemplo incluimós en acategoría de loscerámicos avanzadoslos siguientes:

1) El Carburo y elNitruro de Silicioutilizados por suresistencia mecánica y suresistencia a la oxidación atemperaturas elevadas.

2) El material compuesto deCarburo de Boro con un metal,utilizado para discos y ruedasabrasivas en el mecanizado.

3) Los compuestos reforzados confibras o con filamentos muyfinos (Whiskers), los cualesexhiben una "falla decorosa"en lugar de una fallacatastrófica, por lo cual seutiliza en varias estructuras.

4) Los óxidos complejos quetienen propiedadesdieléctricas o piezo- eléctricasúnicas (por ejemplo el plomotitatanato de zirconio y elNiobato de plomo y magnesio)que se utiliza en los,capacitoresmodernos de capa múltiple yen los transductores.

5) Los cerámicossuperconductores descubiertosrecientemente, los cualesdesarrollan resistencia cero atemperaturas bien por encimade las de cualquier otromaterial conocido.

6) Los vidrios avanzados incluyen

las fibras de Silice de altaresistencia, las cuales se estánconvirtiendo en la fuenteprincipal de transmisiónelectrónica de datos (fibrasópticas), los vidrios constituidos

por compuestos sin óxido, loscuales transmiten bien laradiación en el infrarrojo y losvidrios que actúan comohuespedes para los lasers.

7) Los cerámicos se estánIncorporando en las máquinasde combustión Interna. Losprincipales beneficios que sepueden lograr de la utilizaciónde los cerámicos en estaaplicación, son mayorestemperaturas de operación ymenor peso del motor, todo locual se traduce en una mayoreficiencia. Además, debido asu excelente resistencia aldesgaste, los componentescerámicos no requieren unalubricación tan extensa. LaNissan Motor Company, elfabricante japonés deautomóviles introdujorecientemente un vehículo conun motor deturbina-alimentadora, hechade Nitruro de Silicio. Lacompañía Cummins EngineCo., ha estado ensayansdo unmotor Diesel para camión contapas cerámicas para lospistones y con balineras ycamisas para los pistonestambién de cerámicos, los

cuales posibilitan que el motorfuncione sin sistema deenfriamiento. Varias compañíasamericanas estándesarrollando motores deturbina de gas de materiales

cerámicos paraautomóviles y laRolls-Royce Ltd.,estáexperimentandocon motoressimilares parahelicópteros.

B) Los cerámicosque cambian suspropiedadeseléctricas cuandose les expone aciertos agentesquímicos, tienenmuchasaplicacionespotenciales. Lasmoléculas líquidas ogaseosas alinteractuar con uncerámico de estetipo en forma depelets porosos,

podría cambiar la resistenciaeléctrica de cerámico de estetipo en forma fácilmentemedible. El sensor basado eneste principio es de diseñosimple y requiere de un par decontactos eléctricos. Lacarencia de reactividad y laresistencia a la corrosión de loscerámicos, hace que estosmateriales se desempeñenmucho mejor en ambientesquímicos agresivos que lossensores convencionales.

Uno de estos dispositivos es unsensor de humedad, el cualtiene muchas aplicaciones ensistemas de aireacondicionado, en secadoresy en equipos de respiración.Otros sensores cerámicos sehan desarrollado paradetectar la presencia deMetano , el principioconstituyente del gas natural.Estos sensores podrían mejorarla seguridad en el hogar, endonde el gas natural se usapara calefacción y para lacocción.

9) En el área de los cerámicospiezoeléctricos vale la penamencionar el desarrollo de un

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cabezote de impresión de tintade alta velocidad y de altaprecisión. El cabezote consistede cientos de pozos diminutosde tinta construidos en unmaterial piezoeléctrico. Alaplicar un voltaje selectivo alos pozos de tinta, se puedehacer que estos se contraigansubitamente, liberando achorros la tinta sobre el papel,en modelos correspondientes alos caracteres deseados. Serequieren menores espacios ymenores voltajes que losnecesarios para otroscabezotes de impresión,además de mejorar los detallesde la impresión.

10) Los motores de corrientedirecta también se puedenconstruir de materialpiezoeléctrico , para convertirla dilatación del cerámico enmovimiento de traslación orotacional cuando este seexpone a un cambio eléctrico.Estos motores son compactos ,de peso ligero y sencillosporque no requierenalambrado para elembobinado. Pueden pararsey arrancar sin resbalamiento ysuministran un torque alto abajas velocidades, lo cualpermite mover kilogramos decarga lentamente y en formaprecisa.

Por ejemplo, el motordesarrollado por la ShinseiElectri Industrial CompanyLtd., del Japón , es un motorde corriente directa y deaccionamiento lineal. Lamasa que se va a mover secoloca en un riel fijo decerámico piezo-eléctrico. Laaplicación de un voltaje dealta frecuencia al rielproduce ondulaciones en susuperficie , las cuales puedenmover la masa haciaadelante o hacia atrás en elriel. Se pueden considerarmuchas aplicaciones paraeste motor en máquinas ypara productos de consumo.

Pero cuáles son las barrerastécnicas que limitan una másamplia utilización de loscerámicos avanzados?. Unode los obstáculos más severospara la utilización de loscerámicos y de los vidrios en

aplicaciones estructurales (o encualquier aplicación en la cual seinvolucren esfuerzos altos) es suresistencia relativamente baja alcrecimiento de grietas pequeñas.Esta resistencia intrínsecamentepequeña a la fractura es unaconsecuencia del hecho de que ala temperatura ambiente no hayprocesos de deformacióndúctil.(fluencia) que puede mitigarlos grandes esfuerzos generados enla raiz de las grietas. Esta fragilidadintrínseca significa que las grietasque producen fallas songeneralmente del tamaño de unaspocas micras, por debajo del límitede detección de los procesos deevaluación NO DESTRUCTIVA.

Un segundo problema es ladificultad en el procesamiento deestos materiales en su condiciónde "libres de grietas". Los defectosque producen fallas puedenresultar de la presencia de poros óde inclusiones en el cuerpo delmaterial ó con mayor frecuencia,de las pequeñas grietas generadasen la superficie durante el procesode conformación por mecanizadoy durante las operaciones determinado.

Otros problemas asociados con elprocesamiento y la utilización delos cerámicos y los vidriosavanzados es su sensibilidad apequeñas cantidades deimpurezas, las altas temperaturas

requeridas para su procesamientohasta densidad completa , ladificultad para producir materialesidénticos, su deformación lenta esdecir el creep a altastemperaturas, el alto costo relativode las materias primas y el costodel mecanizado de estosmateriales duros hasta su formafinal.

Las propiedades físicas de losmateriales cerámicos puedesvariarse o mejorarse introduciendocambios diminutos en sucomposición y en la orientación delos granos, combinando varioscerámicos diferentes en unmaterial compuesto y eliminando ocreando Intencionalmente vacíos.Los ceramistas están adquiriendo elcontrol fino y necesario de lacomposición y de lamicroestructura cristalizando porejemplo los vidrios, utilizandopolvos extremadamente finos y dealta pureza química y empacandocuidadosamente estos polvos enforma muy cerrada.

Debemos observar que loselementos que constituyen losmateriales cerámicos son los másabundantes en la corteza terrestre.Existe por lo tanto la posibilidad deque las materias primaspermanezcan a precios razonablesy más baratos que los materialessustitutos para algunasaplicaciones de alta temperatura,

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los cuales son generalmentealeaciones metálicas especialesque contienen elementos costososy relativamente escasos, talescomo el Cobalto, el Tugnsteno, elColumnio y el Cromo.

Aunque los cerámicos sonsusceptibles a la presencia deimperfecciones diminutas durantesu procesamiento y que estodificulta la elaboración y laconformación de componentes

cerámicos de alta calidad y a bajocosto, el valor potencial de loscerámicos se puede aumentar conel Incremento en la pureza y en lahomogeneidad de susconstituyentes, lo cual los hacemuy valiosos para continuarexplorando nuevas formas paraalcanzar la perfección en suprocesamiento. Sin embargo,obtener la perfección en ellaboratorio no es suficiente. Losprocesos satisfactorios de

laboratorio deben convertirse enprocesos a escala industrial perosin renunciar al control perfecto dela composición y de lamicroestructura. La investigaciónde técnicas para el procesamientode los cerámicos que puedanadaptarse a escala industrialconstituye uno de los grandesdesafíos de la ingeniería para elresto de este siglo.

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