Materiales Cerámicos

1. Materiales Cerámicos Edgar Eduardo Villarreal Hernándezmatricula: 1569798 Dr. Alan Castillo

2. Índice • . Definición de Materiales Cerámicos……………….diap. 4 • . Tipos de Enlaces Atómicos en Cerámicos………..diap.5 • . Propiedades de Cerámicos ………………………….….diap.9 • . Estructuras Cristalinas de los Cerámicos.………diap. 13 • . Aplicación Diagramas de Fases en Cerámicos..diap.21 • .Procesamiento y aplicaciones de tres tipos de materiales cerámicos…………………………………………………………diap.26 • . Aplicaciones de cerámicos avanzados…………….diap.30 • Conclusiones reflexivas ………………………………….diap.32

3. Cerámica • La etimología de la palabra cerámica deriva del griego κεραμικη, de κεραμoς (keramiké), "sustancia quemada". • La materia prima principal de las cerámicas son lasarcillas.

4. ¿Qué es un material cerámico? • Una definición amplia de materiales cerámicos diría que son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico, buen aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. *Ladrillo de material cerámico refractario

5. ¿Cómo están formados los Materiales Cerámicos? • Están formados por una combinación de fases cristalinas*2 y/o vítreas*1 • Los hay constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominándose monofásicos • Los constituidos por muchos cristales de la misma fase cristalina se denominan policristalinos • Los monocristales se refieren a materiales constituidos por un solo cristal de una única fase

6. ¿Cómo están formados los Materiales Cerámicos? *1 Vítrea es una fase que no tiene arreglo atómico p.ej. el vidrio de la ventana *2 en la fase cristalina los átomos tiene un arreglo espacial determinado.

7. ¿Cómo están formados los Materiales Cerámicos? • En general los componentes de los materiales cerámicos, fase(s) cristalina(s) y/o vítrea(s), están formados por elementos metálicos y no metálicos • Los enlaces en las diferentes fases pueden tener desde naturaleza iónica a covalente *un enlace iónico o electrovalente es la unión de átomos que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo Eso se da cuando en el enlace, uno de los átomos capta electrones del otro. *enlace covalente entre dos átomos o grupos de átomos se produce cuando estos átomos se unen, para alcanzar el octeto estable, comparten electrones del último nivel

8. ¿Cómo están formados los Materiales Cerámicos? Enlace covalente Enlace iónico

9. Propiedades de los cerámicos • Las propiedades de los materiales cerámicos cubren un amplio intervalo de necesidades • Propiedades mecánicas: Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace), este hecho supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. • Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes del grano.

10. Propiedades de los cerámicos • Propiedades térmicas:  En su mayoría, presentan una gran estabilidad térmica, muy altos puntos de fusión • Propiedades ópticas: se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones • Propiedades eléctricas: Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a que tienen una alta resistencia dieléctrica y baja constate dieléctrica.Algunos de ellos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de polarizarse. • Propiedades magnéticas: No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferri magnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta. • Propiedades químicas

11. Propiedades de los cerámicos • Propiedades magnéticas: No suelen presentar propiedades magnéticas, sin embargo podemos encontrar cerámicas con propiedades magnéticas de gran importancia como ferritas y granates. Éstas son las llamadas cerámicas ferri magnéticas. En estas cerámicas los diferentes iones tienen momentos magnéticos distintos, esto conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta.

12. ¿De qué dependen las propiedades de los materiales cerámicos ? • Las propiedades de los materiales cerámicos vienen determinadas en cuatro niveles : • Atómico • Ordenación de átomos, cristalino o amorfo • Micro estructura • Macro estructura

13. Estructura cristalina • Como se dijo antes, la estructura cristalina de los átomos tiene un arreglo espacial determinado. • La gran variedad de composiciones químicas de los cerámicos se refleja en sus estructuras cristalinas.

14. Estructura Cristalina • Puesto que el enlace atómico en los materiales cerámicos es parcialmente o totalmente iónico, muchas estructuras cristalinas de los materiales cerámicos pueden ser pensadas como compuestas de iones eléctricamente cargados en lugar de átomos. Puesto que las cerámicas están compuestas usualmente por al menos dos elementos y a menudo por más de dos, sus estructuras cristalinas son generalmente más complejas que la de los metales

15. Estructura Cristalina • Las estructuras cristalinas cerámicas con un solo elemento no son muy abundantes. La más importante es la estructura tipo [Diamante] que esta compuesta por el carbono, que es un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como en estado amorfo. El tratamiento de los materiales de carbono se centrara en las estructuras y características del grafito, el diamante y los fullerenos, y también sobre sus aplicaciones actuales y potenciales.

16. Estructura cristalina

17. Estructura Cristalina • Estructuras cerámicas binarias • La expresión binaria se refiere a una estructura con dos lugares atómicos distintos, uno para el anión y otro para el catión. Para un compuesto dado existe una variedad de elementos que pueden entrar en solución sólida en dichos lugares atómicos sin que cambie la estructura. Así, el término binario identifica el número de lugares atómicos y no el de los elementos químicos. En la tabla 10.3.1.1 se muestran diversas estructuras binarias importantes y algunas de sus características.

18. Estructura Cristalina

19. Estructura Cristalina • Una parte importante de las estructuras cristalinas cerámicas (Enlaces iónico-covalentes) pueden derivarse del empaquetamiento compacto de esferas rígidas con simetría hexagonal compacta (HCP) o cúbica centrada en las caras (FCC). En los huecos octaédricos o tetraédricos del empaquetamiento compacto se situarán los cationes con distintos niveles de ocupación. Aunque lo habitual es la derivación de las estructuras a partir del empaquetamiento compacto de aniones, también de pueden desarrollar estructuras de tipo fluorita (CaF2) mediante el empaquetamiento compacto de cationes.

20. Estructura Cristalina • Estructuras cristalinas del tipo [AX] • Algunos de los materiales cerámicos más comunes son aquellos en los cuales el número de cationes y aniones es el mismo. Estos se refieren a menudo como compuestos AX, donde A indica el catión y X el anión (A es un elemento metálico y X es un elemento no metálico). Son los cerámicos con la fórmula química más sencilla. Existen varias estructuras cristalinas distintas para los compuestos AX, cada una de ellas se describe mediante el nombre de un material común que tiene esta particular estructura.

21. Diagramas de fases en cerámicos • Son representaciones de temperatura (en algunas ocasiones presión) frente a composición, en las que de manera gráfica se resumen los intervalos de temperatura y presión en los que ciertas fases, o mezclas de fases, existen en condiciones de equilibrio termodinámico. • El número de fases, que se representa por F, es el número de porciones del sistema distintas físicamente y separables mecánicamente, siendo cada fase homogénea.

22. Diagrama de fases en cerámicos • La condición de equilibrio de un sistema desde el punto de vista termodinámico queda definida con precisión, ya que en dicho estado no se produce transferencia de energía útil en el sistema

23. Diagrama de fases en cerámicos • El estado de equilibrio estable representa el de menor energía libre del sistema Es decir se puede pensar como situado en el fondo de un pozo de energía potencial • La condición de meta estabilidad puede representarse por otros pozos, aunque no tan profundos • La transición desde un estado meta estable a otro estable puede ser difícil, ya que puede haber una barrera de energía considerable entre ambos estados • El termino inestable se refiere a una situación en la que no es necesario suministrar ninguna energía para que el sistema pase a otro estado meta estable o estable • Caso de la descomposición espinodal en vidrios

24. Diagrama de fases en cerámicos • Sistemas de un solo componente • En estos sistemas las variables independientes se reducen a temperatura y presión • El sistema será bivariante (L=2) si sólo está presente una fase • El sistema será univariante (L=1) si coexisten dos fases • El sistema será invariante (L=0) si coexisten tres fases

25. Diagrama de fases en cerámicos • Sistemas de dos componentes • Los sistemas binarios tienen tres variables independientes, presión, temperatura y composición • En muchos sistemas de interés cerámico, la presión de vapor permanece baja en amplios intervalos de temperatura • Trabajando a presión atmosférica, la fase vapor y la variable presión no necesitan considerarse • A partir de este punto podemos utilizar la regla de las fases condensadas

26. Procesamiento • La mayoría  de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en materiales que se calientan posterior mente a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son: • 1. preparación del material.  • 2. moldeado o colada;  • 3. tratamiento térmico del  secado y orneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

27. Procesamiento • La mayoría de los productos en tan fabricados por  aglomeración de partículas. Las materias primas de estos productos varían dependiendo de las propiedades requerida de la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes pueden ser mesclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas , tales como los ladrillos comunes y tubería para alcantarillado y otros productos arcillosos.

28. Procesamiento • Los productos cerámicos fabricados por aglomeración  de partículas pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frio son predominaste en la industria cerámica, pero los procesos de moldeado en caliente también se usan con frecuencia. • PRENSADO • PRENSADO EN SECO. • COMPACTACIÓN ISOMÉTRICA

29. Aplicaciones • CERÁMICOS TRADICIONALES: los cuales son los objetos de cerámica blanda, losetas, ladrillos, tubos de drenaje, utensilios de cocina y discos abrasivos.

30. Cerámicos avanzados • Los cerámicos avanzados y multifuncionales se diseñan para una industria que aproveche sus propiedades dieléctricas, ferro eléctricas, piezoeléctricas, piro eléctricas, electroópticas y magnetoeléctricas, tanto en bulto como en película delgada

31. Cerámicos avanzados • La ciencia e ingeniería aplicada al desarrollo de materiales cerámicos avanzados y multifuncionales es un área científica desafiante con perspectivas de aplicaciones tecnológicas inmediatas en diferentes áreas: • En generación de energías alternativas, como componentes multicapas en celdas de combustible de óxidos sólidos, celdas solares. • En la industria electrónica como materiales con elevada constante dieléctrica para aplicaciones como memorias, sensores, actuadores, transistores, capacitores, MEMs y NEMs. • En la industria aeronáutica y aeroespacial, como recubrimientos para barreras térmicas, resistentes al desgaste, de alta tenacidad a la fractura. • En aplicaciones biomédicas como implantesbiocerámicos, recubrimientos biocompatibles de sustratos metálicos, rellenos dentales.

32. Conclusión • Los materiales cerámicos son sin duda una rama muy grande dentro de los diferentes tipos de materiales, gracias a muchos de sus aplicaciones y usos se han podido descubrir avances en campos dentro de la cerámica e incluso fuera de esta (otros materiales), es muy probable que si se continua su estudio e investigación a grandes rasgos podrían ser materiales de un reconocimiento mucho mayor al que ya poseen.