2015

Materiales Cermicos

PABLO DAZ LLORENTE Y DANIEL RECE

1

ndice Introduccin

- Caracteristicas..................................................................pag.:2 - Clasificacin......................................................................pag.:2

Proceso de fabricado - Extraccin.........................................................................pag.:2 - Preparacin .................................................................... pag.:2 - Mezclado y amasado........................................................pag.:3 - Moldeo..............................................................................pag.:3 - Secado..............................................................................pag.:3 - Coccin.............................................................................pag.:3

Aplicaciones: Materiales Tradicionales - Arcillas..............................................................................pag.:4 - Cales.................................................................................pag.:4 - Yeso..................................................................................pag.:5

Aplicaciones: Materiales Estructurales - Aridos...............................................................................pag.:6 - Cementos.........................................................................pag.:6 - Hormigones......................................................................pag.:7 - Vidrio................................................................................pag.:8 - Loza.................................................................................pag.:9 - Porcelana.........................................................................pag.:9

Aplicaciones: Materiales Ingenieriles - Alumina...........................................................................pag.:10 - Carburo de silicio............................................................pag.:10 - Nitruro de silicio..............................................................pag.:11 - Zircona,...........................................................................pag.:11

2

Introduccin

Caractersticas: Las propiedades de los materiales cermicos, dependen mucho del tipo de cermico, pero generalmente son elementos inorgnicos, duros, frgiles, no combustibles, inoxidables, con un elevado punto de fusin y aislantes (tanto trmicos como elctricos). En la industria presenta una gran ventaja que las dems propiedades de los cermicos sean variables, puesto que hay una aplicacin determinada para cada cermico.

Clasificacin: Segn su uso: Los materiales de tejera son aquellos destinados a la construccin. Los materiales de alfarera son aquellos que requieren ms dedicacin, destinados a porcelanas

Proceso de fabricacin:

1. Extraccin: las fbricas suelen colocarse cerca de las canteras de arcilla por motivos de comodidad. Estas canteras son explotaciones a cielo abierto generalmente.

2. Preparacin de la pasta: para el moldeo de la arcilla es necesario que est en estado lquido, pero no es suficiente, antes de someterlos a la siguiente fase es necesario que cumpla una serie de condiciones:

- Depuracin: se eliminan las impurezas que podran causar inconvenientes en las siguientes fases.

- Estado de divisin: se reduce la materia prima a pequeos fragmentos. - Homogeneidad de la pasta: se mezclan todos los tipos de arcilla extrados. - Cantidad de agua: depender del tipo de moldeo que se le quiera aplicar.

Para mejorar el moldeo o calidad de la pasta, se la somete a uno o varios de los siguientes procesos:

- Meteorizacin: consiste en permitir al oxgeno de la atmsfera actuar sobre la arcilla, esto mejora el moldeo de la pasta

- Maduracin: se deposita la pasta en naves permitiendo a la humedad repartirse de forma equitativa por la pasta.

3

- Podrido: se deposita la pasta en naves con poca luz, evitando que el aire circule y haciendo que la temperatura sea baja. Este proceso aumenta la plasticidad y reduce la tendencia al agrietamiento.

- Tamizado: se eliminan partculas sueltas o impurezas aumentando el valor cermico.

- Levigacin: se disuelve la pasta en agua separando ciertas impurezas. - Lavado: se hace pasar la pasta por una cinta y se le aade agua que, al estar

en movimiento, elimina otro tipo de impurezas.

Dependiendo de los procesos por los que se le haga pasar a la masa, se obtendrn distintos cermicos.

3. Mezclado y amasado: realizado por mquinas puesto que permiten una perfeccin en la realizacin de esta fase, que es el objetivo.

4. Moldeo: permite darle forma a la pasta, se puede hacer de distintas maneras:

- A mano: no tiene aplicaciones industriales, sirve para produccin a pequea escala y no se garantiza perfeccin en la pieza.

- Por extrusin: permite dar una forma externa predeterminada dependiendo de la pieza que se use para la extrusin, consiste en hacer pasar la pasta por esa pieza, lo que le dar la forma buscada de forma constante.

- Por prensas: permite realizar piezas curvadas de aspecto impecable, la pieza no ha de pasar por el secadero y las piezas resultantes pueden no ser homogneas.

5. Secado: es necesario secar la pieza recin moldeada (a menos que haya sido moldeada por prensado) para evitar que se rompa en la coccin. Industrialmente se usan cmaras de secado, que secan la pieza gradual y lentamente para evitar fracturas.

6. Coccin: este es el ltimo paso. Junto con el paso 2, determinan la naturaleza del cermico. Cuando la arcilla se cuece, se vuelve ptrea y dura.

Este paso se realiza en hornos, y la pieza saliente ya es comerciable.

4

Aplicaciones: Cermicas tradicionales ARCILLAS Las arcillas se forman gracias a la erosin parcial o total de las rocas gneas por medio del agua, diferentes agentes atmosfricos (principalmente CO2), la temperatura y la presin. Este proceso dura millones de aos. El trmino arcilla es un trmino general que no corresponde a la composicin qumica de la misma. Las arcillas son mezclas de diferentes tipos de minerales, atendiendo a la composicin de la roca matriz y al proceso de meteorizacin al que es sometido.

- Arcillas de origen primario: se extraen del mismo lugar donde se han formado, son productos de la meteorizacin geolgica. Un ejemplo es el caoln, que es un tipo de arcilla con un alto porcentaje de caoln, tambin est formado por el xido de hierro. Se suele utilizar en insecticidas y pesticidas.

- Arcillas de origen secundario: son aquellas formadas por restos de rocas gneas originales. Feldespatos, cuarzos, micas, etc. Algunos ejemplos son la arcilla refractaria o el barro de superficie.

Propiedades Plasticidad (Cuantos ms materiales silcicos menor plasticidad) Refractariedad: es la propiedad que permite a los materiales aguantar temperaturas muy altas de hasta 1600C (Arcillas refractarias). Expansibilidad trmica: esta propiedad hace que algunos tipos de arcillas se utilicen para fabricar materiales aislantes, absorbentes y de relleno (arcillas expandidas).

CALES Existen dos tipos de cales: Cales areas: Se hidrata el CaO (cal viva) y se consigue lechada de cal, se decanta y forma una pasta de cal hidratada, utilizada para revestimientos de viviendas despus hay que dejarla secar entre 20 y 30 das y se forma carbonato de calcio. Pero es poco resistente a la lluvia.

5

Cales hidrulicas: Estas son mezcla de cal y arcillas, en su fabricacin: se forman CaO y metacaolinita durante la calcinacin y al hidratarse se forma aluminosilicatos de calcio. Esta cal se utiliza principalmente para preparar la argamasa que junto con agregados de arena sirve de cementacin para los ladrillos. El fraguado dura unos 28 das.

YESO El yeso es un material formado por una roca natural, el aljez (sulfato de calcio dihidrato), al que se le pueden aadir diferentes aditivos (sustancias qumicas) para mejorar sus propiedades como el tiempo de fraguado o la resistencia. Para ser utilizado solo es necesario mezclar el producto con agua. El yeso se comercializa en forma de polvo. Existen tres tipos de yeso:

- Alabastro: se utilizan para construir vasijas u otros objetos debido a su facilidad a ser tallado.

- Escayola o yeso rpido: se obtiene calentando el mineral de yeso a unos 175C. El tiempo de fraguado es de unas 24 horas. Este material no tiene una alta resistencia a la traccin, pero puede ser reforzado con fibra de vidrio. El yeso reacciona al agua debido a que es muy poroso, el agua poco a poco va disolviendo su estructura cristalina.

- Yeso hidrulico: se obtiene calentando el mineral inicial a unos 800C. Tiene una mayor resistencia mecnica que los yesos ya mencionados.

6

Aplicaciones: Materiales estructurales ARIDOS Los ridos son residuos generados en el uso de anteriores cermicos que se usan en construccin puesto que suponen diversas ventajas (es barato y contribuye al medio ambiente). Se aplican en carreteras y generacin de hormign.

CEMENTOS Los cementos son mezclas de caliza y arcilla en polvo, que al mezclarse con agua, se vuelven pastosos y tras un cierto tiempo son completamente slidos. Los cementos pueden dividirse en distintos tipos: Cementos portland: su principal aplicacin es la generacin de hormign. Este cemento se compone de clnker, que es un material generado por la calcinacin de caliza y arcilla entre los 1350 y 1450 C y de una o varias formas de yeso. Este cemento se solidifica y progresivamente, a lo largo de varias semanas, acaba obteniendo una gran resistencia. Cementos de mezclas: es la mezcla del cemento portland con otros materiales, se pueden distinguir dos subtipos dependiendo del material que se le aade:

- Puzolnico: al cemento portland se le aade puzolana, que es una fina capa de ceniza volcnica.

- Siderrgico: al cemento portland se le aade ceniza de carbn, que, al ser

un residuo de centrales trmicas convencionales es ms barato y ms abundante que la puzolana, adems de la ventaja econmica, tiene alta resistencia qumica y alta temperatura al fraguar.

Cemento de fraguado rpido: similar al cemento portland, pero producido a una temperatura menor (1000-1200C) y se caracteriza por que fragua a los pocos minutos tras la mezcla con agua. Sirve para construcciones menores, y como adhesivo. Cemento aluminoso: distinto a todos los anteriores, se produce a travs de la bauxita con impurezas de Fe2O3, TiO2 y SiO2. Se alcanza una temperatura de 1600C en la fabricacin de este cemento, lo que permite que sus componentes se fundan. Finalmente, respecto a las caractersticas generales del cemento, destacan su resistencia tanto a agentes qumicos como a temperaturas.

7

HORMIGONES Los hormigones son mezclas de cemento (normalmente) con ridos (grava, gravilla y arena), son usados generalmente en construccin (el hormign ha de ser mezclado hasta el momento de aplicarlo). Se puede distinguir entre: Hormign ordinario: obtenido al mezclar cemento portland con ridos de distinto tamao.

Hormign en masa: vlido solo para esfuerzos de compresin, puesto que no contiene armaduras de acero.

Hormign armado: contiene armaduras de acero debidamente situadas, lo que le permite resistir esfuerzos de traccin adems de los de compresin.

Hormign pretensado: es aquel que contiene una armadura de acero sometida anteriormente a traccin, aumenta la resistencia.

Mortero: similar al hormign ordinario pero sin rido grueso.

Hormign ciclpeo: hormign al que se le aade grandes piedras (no inferiores a 30 cm).

Hormign sin finos: similar al hormign ordinario pero sin rido fino.

Hormign aireado o celular: hormign al que se le aade aire u otros gases qumicos en su interior, lo que permite bajar su densidad.

Hormign de alta densidad: hormign al que se le aade ridos de mayor densidad que la normal. Se usa como proteccin frente a la radiacin y para blindar estructuras. Finalmente, entre las caractersticas generales del hormign destacan: resistencia a la compresin, tiempo de fraguado en torno a 2 horas, tiempo de endurecimiento progresivo, entre las 24 y las 48 horas adquiere la mitad de la resistencia total, a las tres semanas 3/4 y a las cuatro semanas adquiere su resistencia total y su durabilidad es inversamente proporcional a la permeabilidad.

8

VIDRIO El vidrio es un material inorgnico y amorfo. El vidrio se fabrica a partir de la arena de slice, de la caliza y del carbonato de sodio; es necesario calentar todos estos componentes hasta unos 1500C. El vidrio tambin se puede encontrar en la naturaleza, un ejemplo sera la obsidiana. El vidrio es un material amorfo debido a que no est ni en estado lquido ni en estado slido sino en un estado denominado vtreo en el que las molculas se colocan de forma desordenada pero estn lo bastante unidas como para que el vidrio presente rigidez estructural. El vidrio puede ser transparente traslcido u opaco y puede presentar diferentes colores segn los componentes que se utilicen en su fabricacin. El vidrio se puede reutilizar el nmero de veces necesarias sin daar ni su composicin ni sus propiedades. Los mtodos ms utilizados para dar forma al vidrio son el soplado, el colado, el estirado, el prensado y el laminado. En cuanto a sus propiedades el vidrio no es un buen conductor del calor y de la electricidad. Casi no vara su tamao con los cambios de temperatura (contraccin y dilatacin). Es frgil. Se puede distinguir entre: Vidrio de ventana: este vidrio no tiene un espesor uniforme y si se mira a travs de l se ve distorsionado. Hoy en da se fabrica mecnicamente estirando e vidrio que se almacena en una pisciana cuando est fundido. Vidrio de placa: es un vidrio parecido al citado anteriormente pero a este se le aplica presin y se le pule por los dos lados de manera que queda uniforme y cuando se mira a travs de l no se ve distorsionado. Vidrio de botellas y recipientes: el proceso para formar estos recipientes combina el prensado con el soplado. Vidrio ptico: el proceso de fabricacin es muy delicado ya que una pequea impureza podra estropear una lente. Se utiliza para gafas, microscopios, etc. Vidrio fotosensible: es un vidrio que cuando se expone a la luz se oscurece y cuando no se vuelve claro. Fibra de vidrio: se entrelazan hilos de vidrio como si fueran fibras textiles y con esto se consigue un material que puede utilizarse para cortinas, tapicera, etc.

9

Vitrocermica: es un vidrio desvitrificado, ya no presenta una estructura amorfa sino que mediante una segunda coccin del vidrio se ha conseguido una estructura cristalina. No es poroso, presenta una alta resistencia mecnica y qumica. Se suele utilizar como material en lugares donde hay altas temperaturas.

LOZA La loza es un material cermico formado por barro fino cocido y barnizado de este material estn hechas la mayor parte de las vajillas. Necesita ser cocido a ms de 1000c. La loza est compuesta de barro arcilloso, la slice cristalina y fundentes para que la pieza tenga buena cohesin estructural, el principal es el feldespato. Se puede distinguir entre: Loza italiana: se fabrica a partir de arcilla mezclada con arena para impermeabilizarla se le aplica un barniz trasparente, se utiliza para la fabricacin de tiestos o vajillas baratas. Loza inglesa: est compuesta por arcilla(a la que se le ha quitado el xido de hierro) a la que se aade caoln, feldespato, slex y yeso para que tenga un color ms blanco. Se usa para objetos decorativos y vajillas.

PORCELANA La porcelana es un material que est compuesto por arcilla, feldespato, caoln y cuarzo. Tiene un punto de coccin ms alto que el de la loza. La coccin de esta tiene dos etapas y a veces tres para decorarla. La porcelana la empezaron a fabricar en China. El nombre de porcelana le viene por el parecido con un molusco que es muy codiciado en Asia por tener una concha muy blanca y fina. Respecto a sus propiedades es blanca traslcida y muy frgil. Existen muchos tipos de porcelana vamos a hablar de dos:

10

Porcelana blanda: es una mezcla de vidrio y arcilla se invent en 1575. Es difcil quitar la suciedad de este tipo de porcelana. Porcelana de pasta dura: es la original inventada en China est formada por arcilla, feldespato, cuarzo y caoln es ms fcil limpiar este tipo de porcelana. La porcelana es un material caro que se utiliza para hacer adornos o vajillas de lujo entre otras cosas.

Aplicaciones: Cermicos de ingeniera ALMINA Es xido de aluminio (Al2O3), su forma ms comn es cristalina, conocida como corindn. Este material se extrae de la bauxita mediante un proceso especfico denominado proceso Bayer. La almina tiene las siguientes propiedades fsicas: 3.92 g/cm3 de densidad, color blanco y una dureza Vickers entre los 1500 y los 1650 kgf mm2. Sus principales aplicaciones son: aislante trmico y elctrico, absorbente, bolas de molienda para fabricacin de otros cermicos y revestimiento para evitar la oxidacin de otros materiales. La almina como material cermico es un material duro, que resiste la abrasin y la corrosin, por eso se usa en piezas que requieren estas caractersticas como recipientes de cidos.

CARBURO DE SILICIO Es un material (SiC) cuya estructura atmica es similar a la del diamante, que en parte es un motivo que explica su increble dureza. Es un material semiconductor (a partir de los 2.4 V) y refractario que soporta altas temperaturas. Es posible emplear el carburo de silicio para objetos que trabajen a altas frecuencias (radiofrecuencias o microondas). El carburo de silicio se obtiene a partir de arenas o cuarzo de alta pureza y coque de petrleo fundidos a temperaturas prximas a los 2000C. Este material es muy ligero, pero ms frgil que otros cermicos. Las aplicaciones de este material van desde inyectores de cohetes hasta rodillos de hornos.

11

NITRURO DE SILICIO Es un cermico que tiene unas buenas propiedades ingenieriles: es un material resistente a los impactos, a la oxidacin, a la corrosin y tiene propiedades refractarias. A dems hay que tener en cuenta que se fabrica con materias primas que son abundantes en la naturaleza. Tambin tiene una densidad inferior respecto de otros tipos de cermicos Respecto a su fabricacin existen varios mtodos para sintetizarlo mediante presin (compactacin isosttica) y mediante calor (compactacin en caliente). Tiene muchas aplicaciones como herramientas de corte, piezas de motores, rodillos antifriccin o cojinetes de bolas.

ZIRCONA Es un cermico que sirve como recubrimiento de partes mviles de una mquina, mediante este recubrimiento se protegen los sustratos metlicos que se daaran debido a las altas temperaturas. Tiene una densidad elevada. Para aplicarla sobre el material es necesario calentar el cermico y despus impulsarlo hacia el material a recubrir. Tambin se utiliza para fabricar cuchillos debido a que estos no adquieren olores y tampoco necesitan ser afilados.

Finalmente cabe destacar que los materiales cermicos son tan antiguos como la civilizacin y se ha dado en casi todos los pueblos del mundo tanto antigua como actualmente.