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Este artículo trata sobre las propiedades materiales de la cerámica. Para otros usos, consulte Cerámica (desambiguación) .
Breve cronología de la cerámica en diferentes estilos.

Una cerámica es cualquiera de los diversos materiales duros, quebradizos, resistentes al calor y a la corrosión que se fabrican moldeando y luego cociendo un mineral no metálico, como la arcilla, a alta temperatura. [1] [2] Ejemplos comunes son loza , porcelana y ladrillo .

La cristalinidad de los materiales cerámicos varía de altamente orientada a semicristalina, vitrificada y, a menudo, completamente amorfa ( vidrios ). La mayoría de las veces, las cerámicas cocidas están vitrificadas o semivitrificadas, como es el caso de la loza, el gres y la porcelana. La cristalinidad y la composición de electrones variables en los enlaces iónicos y covalentes hacen que la mayoría de los materiales cerámicos sean buenos aislantes térmicos y eléctricos (investigado en ingeniería cerámica). Con una gama tan amplia de opciones posibles para la composición / estructura de una cerámica (casi todos los elementos, casi todos los tipos de unión y todos los niveles de cristalinidad), la amplitud del tema es vasta y los atributos identificables ( dureza , dureza , conductividad eléctrica ) son difíciles de especificar para el grupo en su conjunto. Propiedades generales como alta temperatura de fusión, alta dureza, baja conductividad, altos módulos de elasticidad , resistencia química y baja ductilidad son la norma, [3] con excepciones conocidas a cada una de estas reglas ( cerámica piezoeléctrica , temperatura de transición vítrea, cerámica superconductora). Muchos compuestos, como la fibra de vidrio y la fibra de carbono , aunque contienen materiales cerámicos, no se consideran parte de la familia de las cerámicas. [4]

Las primeras cerámicas hechas por humanos fueron objetos de alfarería ( vasijas o vasijas ) o figurillas hechas de arcilla , ya sea sola o mezclada con otros materiales como la sílice , endurecida y sinterizada al fuego. Posteriormente, las cerámicas se vidriaron y hornearon para crear superficies lisas y coloreadas, disminuyendo la porosidad mediante el uso de revestimientos cerámicos vítreos y amorfos sobre los sustratos cerámicos cristalinos. [5] La cerámica ahora incluye productos domésticos, industriales y de construcción, así como una amplia gama de arte cerámico.. En el siglo XX, se desarrollaron nuevos materiales cerámicos para su uso en ingeniería cerámica avanzada, como en semiconductores .

La palabra " cerámica " proviene de la palabra griega κεραμικός ( keramikos ), "de alfarería" o "para alfarería" , [6] de κέραμος ( keramos ), "arcilla de alfarero, teja, alfarería" . [7] La primera mención conocida de la raíz "ceram-" es el griego micénico ke-ra-me-we , trabajadores de la cerámica escritos en escritura silábica Lineal B. [8] La palabra "cerámica"puede usarse como adjetivo para describir un material, producto o proceso, o puede usarse como sustantivo, ya sea en singular, o más comúnmente, como el sustantivo plural "cerámica". [9]

Materiales [ editar ]

Una micrografía SEM de bajo aumento de un material cerámico avanzado. Las propiedades de la cerámica hacen que la fractura sea un método de inspección importante.

El material cerámico es un material de óxido, nitruro o carburo inorgánico, no metálico, a menudo cristalino. Algunos elementos, como el carbono o el silicio , pueden considerarse cerámicos. Los materiales cerámicos son frágiles, duros, fuertes en compresión y débiles en cizallamiento y tensión. Resisten la erosión química que se produce en otros materiales sometidos a ambientes ácidos o cáusticos. Las cerámicas generalmente pueden soportar temperaturas muy altas, que van desde 1,000 ° C a 1,600 ° C (1,800 ° F a 3,000 ° F). El vidrio a menudo no se considera una cerámica debido a su carácter amorfo (no cristalino). Sin embargo, la fabricación de vidrio implica varios pasos del proceso cerámico y sus propiedades mecánicas son similares a las de los materiales cerámicos.

Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales de arcilla como la caolinita , mientras que los materiales más recientes incluyen óxido de aluminio, más comúnmente conocido como alúmina . Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, encuentran uso en aplicaciones como las placas de desgaste de equipos de trituración en operaciones mineras. Las cerámicas avanzadas también se utilizan en las industrias de la medicina, la electricidad, la electrónica y las armaduras corporales.

Cerámica cristalina [ editar ]

Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de una gran variedad de procesos. Los métodos para tratarlos tienden a caer en una de dos categorías: hacer la cerámica en la forma deseada, por reacción in situ , o "formando" polvos en la forma deseada y luego sinterizando para formar un cuerpo sólido. Las técnicas de conformación de cerámica incluyen la conformación a mano (que a veces incluye un proceso de rotación llamado "lanzamiento"), fundición por deslizamiento , fundición en cinta (utilizada para hacer condensadores cerámicos muy delgados), moldeo por inyección , prensado en seco y otras variaciones.

Cerámica no cristalina [ editar ]

Las cerámicas no cristalinas, al ser vidrio, tienden a formarse a partir de fundidos. El vidrio se moldea cuando está completamente fundido, por fundición, o cuando está en un estado de viscosidad similar al caramelo, por métodos como el soplado en un molde. Si los tratamientos térmicos posteriores hacen que este vidrio se vuelva parcialmente cristalino, el material resultante se conoce como vitrocerámica, ampliamente utilizado como encimeras y también como material compuesto de vidrio para la eliminación de desechos nucleares.

Historia [ editar ]

Los seres humanos parecen haber estado fabricando sus propias cerámicas durante al menos 26.000 años, sometiendo arcilla y sílice a un calor intenso para fusionar y formar materiales cerámicos. Los primeros encontrados hasta ahora se encontraban en el centro sur de Europa y eran figuras esculpidas, no platos. [10] La alfarería más antigua conocida se hizo mezclando productos de origen animal con arcilla y cocida en hornos a una temperatura de hasta 800 ° C. Si bien se han encontrado fragmentos de cerámica reales de hasta 19.000 años de antigüedad, no fue hasta unos diez mil años después que la cerámica regular se volvió común. Uno de los primeros pueblos que se extendió por gran parte de Europa lleva el nombre de su uso de la cerámica, la cultura Corded Ware . Estos primeros indoeuropeoslos pueblos decoraban su cerámica envolviéndola con una cuerda, mientras aún estaban húmedos. Cuando se horneó la cerámica, la cuerda se quemó, pero dejó un patrón decorativo de ranuras complejas en la superficie.

Cerámica de la cultura Corded-Ware del 2500 a. C.

La invención de la rueda finalmente condujo a la producción de cerámica más suave y uniforme utilizando la técnica de formación de rueda, como la rueda de alfarería . Las primeras cerámicas eran porosas y absorbían agua fácilmente. Se volvió útil para más artículos con el descubrimiento de técnicas de vidriado , recubriendo cerámica con silicio, ceniza de hueso u otros materiales que podrían derretirse y reformarse en una superficie vidriosa, haciendo que un recipiente sea menos permeable al agua.

Arqueología [ editar ]

Los artefactos cerámicos tienen un papel importante en la arqueología para comprender la cultura, la tecnología y el comportamiento de los pueblos del pasado. Se encuentran entre los artefactos más comunes que se encuentran en un sitio arqueológico, generalmente en forma de pequeños fragmentos de cerámica rota llamados tiestos . El procesamiento de tiestos recolectados puede ser consistente con dos tipos principales de análisis: técnico y tradicional.

El análisis tradicional implica clasificar los artefactos de cerámica, tiestos y fragmentos más grandes en tipos específicos según el estilo, la composición, la fabricación y la morfología. Al crear estas tipologías, es posible distinguir entre diferentes estilos culturales, el propósito de la cerámica y el estado tecnológico de las personas entre otras conclusiones. Además, al observar los cambios estilísticos de la cerámica a lo largo del tiempo, es posible separar (seriar) las cerámicas en distintos grupos de diagnóstico (ensamblajes). Una comparación de los artefactos cerámicos con conjuntos fechados conocidos permite una asignación cronológica de estas piezas. [11]

El enfoque técnico del análisis cerámico implica un examen más detallado de la composición de los artefactos y tiestos cerámicos para determinar la fuente del material y, a través de esto, el posible sitio de fabricación. Los criterios clave son la composición de la arcilla y el temple.utilizado en la fabricación del artículo en estudio: el temple es un material que se agrega a la arcilla durante la etapa inicial de producción, y se utiliza para ayudar al proceso de secado posterior. Los tipos de temple incluyen trozos de concha, fragmentos de granito y trozos de tiestos molidos llamados 'grog'. El temple generalmente se identifica mediante un examen microscópico del material templado. La identificación de la arcilla se determina mediante un proceso de refinar la cerámica y asignarle un color utilizando la notación Munsell Soil Color. Estimando las composiciones de arcilla y temple, y localizando una región donde se sabe que ocurren ambas, se puede hacer una asignación de la fuente de material. A partir de la asignación de fuente del artefacto, se pueden realizar más investigaciones en el sitio de fabricación.

Propiedades [ editar ]

Las propiedades físicas de cualquier sustancia cerámica son un resultado directo de su estructura cristalina y composición química. La química del estado sólido revela la conexión fundamental entre la microestructura y las propiedades, como las variaciones de densidad localizadas, la distribución del tamaño de grano, el tipo de porosidad y el contenido de la segunda fase, que pueden correlacionarse con propiedades cerámicas como la resistencia mecánica σ por el efecto Hall- Ecuación de Petch, dureza , tenacidad , constante dieléctrica y las propiedades ópticas que presentan los materiales transparentes .

La ceramografía es el arte y la ciencia de la preparación, el examen y la evaluación de microestructuras cerámicas. La evaluación y caracterización de microestructuras cerámicas a menudo se implementan en escalas espaciales similares a las que se utilizan comúnmente en el campo emergente de la nanotecnología: desde decenas de angstroms (A) hasta decenas de micrómetros (µm). Por lo general, se encuentra en algún lugar entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución a simple vista.

La microestructura incluye la mayoría de los granos, fases secundarias, límites de grano, poros, microgrietas, defectos estructurales y micro indentaciones de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas a granel se ven afectadas significativamente por la microestructura observada. El método de fabricación y las condiciones del proceso están generalmente indicadas por la microestructura. La causa principal de muchas fallas cerámicas es evidente en la microestructura escindida y pulida. Las propiedades físicas que constituyen el campo de la ciencia y la ingeniería de materiales incluyen las siguientes:

Propiedades mecánicas [ editar ]

Discos de corte de carburo de silicio

Las propiedades mecánicas son importantes en materiales estructurales y de construcción, así como en tejidos textiles. En la ciencia moderna de los materiales , la mecánica de la fractura es una herramienta importante para mejorar el rendimiento mecánico de materiales y componentes. Aplica la física de la tensión y la deformación , en particular las teorías de la elasticidad y la plasticidad , a los defectos cristalográficos microscópicos que se encuentran en materiales reales para predecir la falla mecánica macroscópica de los cuerpos. La fractografía se usa ampliamente con la mecánica de fracturas para comprender las causas de las fallas y también verificar la falla teórica. predicciones con fallas de la vida real.

Los materiales cerámicos suelen ser materiales con enlaces iónicos o covalentes y pueden ser cristalinos o amorfos . Un material que se mantiene unido por cualquier tipo de unión tenderá a fracturarse antes de que se produzca cualquier deformación plástica , lo que da como resultado una tenacidad deficiente en estos materiales. Además, debido a que estos materiales tienden a ser porosos, los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como concentradores de tensión , disminuyendo aún más la tenacidad y reduciendo la resistencia a la tracción . Estos se combinan para producir fallas catastróficas , a diferencia de los más dúctiles.modos de falla de los metales.

Estos materiales muestran deformación plástica . Sin embargo, debido a la estructura rígida de los materiales cristalinos, hay muy pocos sistemas de deslizamiento disponibles para que las dislocaciones se muevan, por lo que se deforman muy lentamente. Con los materiales no cristalinos (vítreos), el flujo viscoso es la fuente dominante de deformación plástica y también es muy lento. Por lo tanto, se descuida en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Para superar el comportamiento frágil, el desarrollo de material cerámico ha introducido la clase de materiales compuestos de matriz cerámica , en los que se incrustan fibras cerámicas y con recubrimientos específicos forman puentes de fibras a través de cualquier fisura. Este mecanismo aumenta sustancialmente la tenacidad a la fractura de tales cerámicas. Los frenos de disco cerámicos son un ejemplo del uso de un material compuesto de matriz cerámica fabricado con un proceso específico.

Plantillas de hielo para mejorar las propiedades mecánicas [ editar ]

Si la cerámica se somete a una carga mecánica sustancial, puede someterse a un proceso llamado plantilla de hielo , que permite cierto control de la microestructura del producto cerámico y, por lo tanto, cierto control de las propiedades mecánicas. Los ingenieros cerámicos utilizan esta técnica para ajustar las propiedades mecánicas a la aplicación deseada. Específicamente, la fuerza aumenta cuando se emplea esta técnica. La plantilla de hielo permite la creación de poros macroscópicos en una disposición unidireccional. Las aplicaciones de esta técnica de fortalecimiento de óxido son importantes para las celdas de combustible de óxido sólido y los dispositivos de filtración de agua . [ aclaración necesaria ] [cita requerida ]

Para procesar una muestra a través de una plantilla de hielo, se prepara una suspensión coloidal acuosa para contener el polvo cerámico disuelto uniformemente disperso por todo el coloide, [se necesita clarificación ] por ejemplo, zirconia estabilizada con itria (YSZ). Luego, la solución se enfría de abajo hacia arriba en una plataforma que permite el enfriamiento unidireccional. Esto fuerza el hieloLos cristales crecen de acuerdo con el enfriamiento unidireccional y estos cristales de hielo fuerzan a las partículas YSZ disueltas al frente de solidificación del límite de la interfase sólido-líquido, lo que da como resultado cristales de hielo puro alineados unidireccionalmente junto con bolsas concentradas de partículas coloidales. A continuación, la muestra se calienta simultáneamente y la presión se reduce lo suficiente para obligar a los cristales de hielo a sublimarse y las bolsas de YSZ comienzan a recocerse para formar microestructuras cerámicas alineadas macroscópicamente. Luego, la muestra se sinteriza adicionalmente para completar la evaporación del agua residual y la consolidación final de la microestructura cerámica. [ cita requerida ]

Durante la plantilla de hielo, se pueden controlar algunas variables para influir en el tamaño de los poros y la morfología de la microestructura. Estas variables importantes son la carga inicial de sólidos del coloide, la velocidad de enfriamiento, la temperatura y duración de sinterización y el uso de ciertos aditivos que pueden influir en la morfología microestructural durante el proceso. Una buena comprensión de estos parámetros es esencial para comprender las relaciones entre el procesamiento, la microestructura y las propiedades mecánicas de los materiales anisotrópicamente porosos. [12]

Propiedades eléctricas [ editar ]

Semiconductores [ editar ]

Algunas cerámicas son semiconductores . La mayoría de estos son óxidos de metales de transición que son semiconductores II-VI, como el óxido de zinc . Si bien existen perspectivas de producir LED azules en masa a partir de óxido de zinc, los ceramistas están más interesados ​​en las propiedades eléctricas que muestran efectos de contorno de grano . Uno de los más utilizados es el varistor. Estos son dispositivos que exhiben la propiedad de que la resistencia cae bruscamente a un cierto voltaje umbral . Una vez que el voltaje a través del dispositivo alcanza el umbral, hay una ruptura de la estructura eléctrica en las proximidades de los límites de los granos, lo que da como resultado su resistencia eléctrica.pasando de varios megaohmios a unos pocos cientos de ohmios . La principal ventaja de estos es que pueden disipar mucha energía y se reinician automáticamente; después de que el voltaje en el dispositivo cae por debajo del umbral, su resistencia vuelve a ser alta. Esto los hace ideales para aplicaciones de protección contra sobretensiones ; como hay control sobre el voltaje umbral y la tolerancia de energía, encuentran uso en todo tipo de aplicaciones. La mejor demostración de su capacidad se puede encontrar en las subestaciones eléctricas , donde se emplean para proteger la infraestructura de los rayos.huelgas. Tienen una respuesta rápida, requieren poco mantenimiento y no se degradan apreciablemente con el uso, lo que los convierte en dispositivos prácticamente ideales para esta aplicación. También se emplean cerámicas semiconductoras como sensores de gas . Cuando varios gases pasan sobre una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Sintonizando las posibles mezclas de gases, se pueden producir dispositivos muy económicos.

Superconductividad [ editar ]

El efecto Meissner se demuestra levitando un imán sobre un superconductor de cuprato, que se enfría con nitrógeno líquido.

En algunas condiciones, como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas exhiben superconductividad a alta temperatura . [se necesita aclaración ] La razón de esto no se comprende, pero hay dos familias principales de cerámicas superconductoras.

Ferroelectricidad y superconjuntos [ editar ]

La piezoelectricidad , un vínculo entre la respuesta eléctrica y mecánica, se exhibe en una gran cantidad de materiales cerámicos, incluido el cuarzo que se usa para medir el tiempo en relojes y otros componentes electrónicos. Dichos dispositivos usan ambas propiedades de los piezoeléctricos, usan electricidad para producir un movimiento mecánico (alimentando el dispositivo) y luego usan este movimiento mecánico para producir electricidad (generando una señal). La unidad de tiempo medida es el intervalo natural requerido para que la electricidad se convierta en energía mecánica y viceversa.

El efecto piezoeléctrico es generalmente más fuerte en materiales que también exhiben piroelectricidad , y todos los materiales piroeléctricos también son piezoeléctricos. Estos materiales se pueden utilizar para interconvertir entre energía térmica, mecánica o eléctrica; por ejemplo, después de la síntesis en un horno, un cristal piroeléctrico que se deja enfriar sin tensión aplicada generalmente genera una carga estática de miles de voltios. Dichos materiales se utilizan en sensores de movimiento , donde el pequeño aumento de temperatura de un cuerpo caliente que ingresa a la habitación es suficiente para producir un voltaje medible en el cristal.

A su vez, la piroelectricidad se ve con más fuerza en materiales que también muestran el efecto ferroeléctrico , en el que un dipolo eléctrico estable se puede orientar o invertir aplicando un campo electrostático. La piroelectricidad también es una consecuencia necesaria de la ferroelectricidad. Esto se puede utilizar para almacenar información en condensadores ferroeléctricos , elementos de RAM ferroeléctricos .

Los materiales más comunes son titanato de circonato de plomo y titanato de bario . Aparte de los usos mencionados anteriormente, su fuerte respuesta piezoeléctrica se explota en el diseño de altavoces de alta frecuencia , transductores para sonar y actuadores para microscopios de efecto túnel de barrido y fuerza atómica .

Coeficiente térmico positivo [ editar ]

Propulsor de cohete de nitruro de silicio. Izquierda: montado en un banco de pruebas. Derecha: probando con propulsores H 2 / O 2

Los aumentos de temperatura pueden hacer que los límites de los granos se vuelvan repentinamente aislantes en algunos materiales cerámicos semiconductores, principalmente mezclas de titanatos de metales pesados . La temperatura de transición crítica se puede ajustar en un amplio rango mediante variaciones en la química. En tales materiales, la corriente pasará a través del material hasta que el calentamiento en julios lo lleve a la temperatura de transición, momento en el que el circuito se interrumpirá y el flujo de corriente cesará. Dichas cerámicas se utilizan como elementos calefactores autocontrolados en, por ejemplo, los circuitos de descongelación de la ventana trasera de los automóviles.

A la temperatura de transición, la respuesta dieléctrica del material se vuelve teóricamente infinita. Si bien la falta de control de temperatura descartaría cualquier uso práctico del material cerca de su temperatura crítica, el efecto dieléctrico permanece excepcionalmente fuerte incluso a temperaturas mucho más altas. Los titanatos con temperaturas críticas muy por debajo de la temperatura ambiente se han convertido en sinónimo de "cerámica" en el contexto de los condensadores cerámicos precisamente por esta razón.

Propiedades ópticas [ editar ]

Lámpara de arco de xenón Cermax con ventana de salida de zafiro sintético

Los materiales ópticamente transparentes se centran en la respuesta de un material a las ondas de luz entrantes de un rango de longitudes de onda. Se pueden utilizar filtros ópticos de frecuencia selectiva para alterar o mejorar el brillo y el contraste de una imagen digital. La transmisión de ondas de luz guiada a través de guías de ondas selectivas en frecuencia implica el campo emergente de la fibra óptica y la capacidad de ciertas composiciones vítreas como medio de transmisión para un rango de frecuencias simultáneamente ( fibra óptica multimodo ) con poca o ninguna interferencia entre las longitudes de onda o frecuencias en competencia . Este modo resonante de energíay la transmisión de datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (de luz) , aunque de baja potencia, prácticamente no tiene pérdidas. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (por ejemplo , diodos emisores de luz , LED) o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia . También es de valor para el científico de materiales emergentes la sensibilidad de los materiales a la radiación en la porción infrarroja térmica (IR) del espectro electromagnético . Esta capacidad de búsqueda de calor es responsable de fenómenos ópticos tan diversos como la visión nocturna y la luminiscencia IR .

Por lo tanto, existe una creciente necesidad en el sector militar de materiales robustos de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz ( ondas electromagnéticas ) en las regiones visible (0,4 - 0,7 micrómetros) e infrarrojo medio (1 - 5 micrómetros) de el espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente , incluidos misiles y cápsulas de alta velocidad de próxima generación , así como protección contra dispositivos explosivos improvisados ​​(IED).

En la década de 1960, los científicos de General Electric (GE) descubrieron que, en las condiciones de fabricación adecuadas, algunas cerámicas, especialmente el óxido de aluminio (alúmina), podían volverse translúcidas . Estos materiales translúcidos eran lo suficientemente transparentes como para ser utilizados para contener el plasma eléctrico generado en las farolas de sodio de alta presión . Durante las últimas dos décadas, se han desarrollado tipos adicionales de cerámicas transparentes para aplicaciones tales como conos de punta para misiles buscadores de calor , ventanas para aviones de combate y contadores de centelleo para escáneres de tomografía computarizada .

A principios de la década de 1970, Thomas Soules fue pionero en el modelado por computadora de la transmisión de luz a través de alúmina cerámica translúcida. Su modelo mostró que los poros microscópicos en la cerámica, atrapados principalmente en las uniones de los granos microcristalinos , causaron que la luz se dispersara e impidieran la verdadera transparencia. La fracción de volumen de estos poros microscópicos tenía que ser inferior al 1% para una transmisión óptica de alta calidad.

Este es básicamente un efecto de tamaño de partícula . La opacidad resulta de la dispersión incoherente de la luz en superficies e interfaces . Además de los poros, la mayoría de las interfaces en un objeto típico de metal o cerámica tienen la forma de límites de grano que separan pequeñas regiones de orden cristalino. Cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión ya no se produce de manera significativa.

En la formación de materiales policristalinos ( metales y cerámicas), el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la formación (o prensado) del objeto. Además, el tamaño de los límites de los granos se escala directamente con el tamaño de las partículas. Por lo tanto, una reducción del tamaño de partícula original por debajo de la longitud de onda de la luz visible (~ 0,5 micrómetros para el violeta de onda corta) elimina cualquier dispersión de luz , lo que da como resultado un material transparente .

Recientemente [ ¿cuándo? ] , Los científicos japoneses han desarrollado técnicas para producir piezas de cerámica que rivalizan con la transparencia de los cristales tradicionales (cultivados a partir de una sola semilla) y superan la tenacidad a la fractura de un solo cristal. [ cita requerida ] En particular, los científicos de la empresa japonesa Konoshima Ltd., un productor de materiales de construcción de cerámica y productos químicos industriales, han estado buscando mercados para sus cerámicas transparentes.

Los investigadores de Livermore se dieron cuenta de que estas cerámicas podrían beneficiar enormemente a los láseres de alta potencia utilizados en la Dirección de Programas de Instalaciones Nacionales de Ignición (NIF). En particular, un equipo de investigación de Livermore comenzó a adquirir cerámicas transparentes avanzadas de Konoshima para determinar si podían cumplir con los requisitos ópticos necesarios para el láser de capacidad térmica de estado sólido (SSHCL) de Livermore. [ cita requerida ] [13] Los investigadores de Livermore también han estado probando aplicaciones de estos materiales para aplicaciones tales como controladores avanzados para plantas de energía de fusión impulsadas por láser .

Ejemplos [ editar ]

Aislante de porcelana de alto voltaje
El carburo de silicio se utiliza para las placas internas de los chalecos balísticos.
Crisol de cerámica BN

Un material compuesto de cerámica y metal se conoce como cermet .

Otros materiales cerámicos, que generalmente requieren una mayor pureza en su composición que los anteriores, incluyen formas de varios compuestos químicos, que incluyen:

  1. Titanato de bario : (a menudo mezclado con titanato de estroncio ) muestra ferroelectricidad , lo que significa que sus respuestas mecánicas, eléctricas y térmicas están acopladas entre sí y también dependen de la historia. Es ampliamente utilizado en transductores electromecánicos , condensadores cerámicos y elementos de almacenamiento de datos . Las condiciones de los límites del grano pueden crear efectos PTC en los elementos calefactores .
  2. Bismuto, estroncio, calcio , óxido de cobre , un superconductor de alta temperatura.
  3. El óxido de boro se utiliza en chalecos antibalas.
  4. El nitruro de boro es estructuralmente isoelectrónico con respecto al carbono y adopta formas físicas similares: unasimilar al grafito que se usa como lubricante y unasimilar al diamante que se usa como abrasivo.
  5. Loza utilizada para artículos domésticos como platos y tazas.
  6. La ferrita se utiliza en los núcleos magnéticos de los transformadores eléctricosy en la memoria del núcleo magnético .
  7. Titanato de circonato de plomo (PZT) se desarrolló en la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos en 1954. El PZT se utiliza como transductor ultrasónico , ya que sus propiedades piezoeléctricas superan en gran medida las de la sal de Rochelle . [14]
  8. El diboruro de magnesio ( Mg B 2 ) es un superconductor no convencional .
  9. La porcelana se utiliza para una amplia gama de productos domésticos e industriales.
  10. Sialon ( oxinitruro de silicio y aluminio ) tiene una alta resistencia; resistencia al choque térmico, resistencia química y al desgaste, y baja densidad. Estas cerámicas se utilizan en la manipulación de metales fundidos no ferrosos, pasadores de soldadura y en la industria química.
  11. El carburo de silicio (SiC) se utiliza como susceptor en hornos de microondas, un abrasivo de uso común y comomaterial refractario .
  12. El nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) se utiliza comopolvo abrasivo .
  13. La esteatita (silicatos de magnesio) se utiliza como aislante eléctrico .
  14. Carburo de titanio Se utiliza en escudos de reentrada de transbordadores espaciales y relojes a prueba de rayones.
  15. Óxido de uranio ( U O 2 ) , utilizado como combustible en reactores nucleares .
  16. Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7 − x ) , otro superconductor de alta temperatura.
  17. Óxido de zinc ( Zn O) , que es un semiconductor y se utiliza en la construcción de varistores .
  18. El dióxido de circonio (zirconia) , que en forma pura sufre muchos cambios de fase entre la temperatura ambiente y las temperaturas prácticas de sinterización , se puede "estabilizar" químicamente en varias formas diferentes. Su alta conductividad de iones de oxígeno lorecomienda para su uso en pilas de combustible y sensores de oxígeno para automóviles. En otra variante, lasestructuras metaestables pueden impartir endurecimiento por transformación para aplicaciones mecánicas; la mayoría de los cuchillos de cerámicalas cuchillas están hechas de este material. La zirconia parcialmente estabilizada (PSZ) es mucho menos frágil que otras cerámicas y se utiliza para herramientas de conformado de metales, válvulas y revestimientos, lodos abrasivos, cuchillos de cocina y cojinetes sujetos a abrasión severa. [15]
Cuchillo de cocina con hoja de cerámica

Productos [ editar ]

Por uso [ editar ]

Por conveniencia, los productos cerámicos generalmente se dividen en cuatro tipos principales; estos se muestran a continuación con algunos ejemplos:

  1. Estructural, incluidos los ladrillos , tuberías , piso y techo de tejas
  2. Refractarios , como revestimientos de hornos , radiadores de fuego de gas, crisoles para fabricación de acero y vidrio.
  3. Artículos blancos, incluidos vajillas , utensilios de cocina, azulejos para paredes, productos de cerámica y artículos sanitarios [16]
  4. Técnica, también conocida como cerámica de ingeniería, avanzada, especial y fina. Dichos elementos incluyen:
    1. boquillas de quemador de gas
    2. protección balística , blindaje de vehículos
    3. pellets de óxido de uranio de combustible nuclear
    4. implantes biomédicos
    5. revestimientos de álabes de turbinas de motores a reacción
    6. Piezas de turbinas de gas compuestas de matriz cerámica
    7. Frenos de disco de cerámica de carbono-carbono reforzados
    8. conos de nariz de misil
    9. rodamiento (mecánico)
    10. mosaicos utilizados en el programa del transbordador espacial

Cerámica hecha con arcilla [ editar ]

Artículo principal: Cerámica

Con frecuencia, las materias primas de la cerámica moderna no incluyen arcillas. [17] Los que sí lo hacen se clasifican de la siguiente manera:

  1. Loza , cocida a temperaturas más bajas que otros tipos
  2. Gres , vítreo o semivítreo
  3. Porcelana , que contiene un alto contenido de caolín.
  4. Porcelana blanca y translúcida

Clasificación [ editar ]

La cerámica también se puede clasificar en tres categorías de materiales distintas:

  1. Óxidos : alúmina , berilio , ceria , zirconia
  2. No óxidos: carburo , boruro , nitruro , siliciuro
  3. Materiales compuestos : reforzado con partículas, reforzado con fibra , combinaciones de óxidos y nonóxidos.

Cada una de estas clases se puede desarrollar en propiedades de material únicas porque las cerámicas tienden a ser cristalinas.

Aplicaciones [ editar ]

  1. Hojas de cuchillo: la hoja de un cuchillo de cerámica permanecerá afilada durante mucho más tiempo que la de un cuchillo de acero, aunque es más frágil y susceptible de romperse.
  2. Discos de freno de carbono-cerámica: para vehículos son resistentes al desgaste de los frenos a altas temperaturas.
  3. Se han diseñado "matrices de metal y cerámica compuestas avanzadas" para la mayoría de los vehículos blindados de combate modernos porque ofrecen una resistencia superior a la penetración contra cargas perfiladas ( proyectiles HEAT ) y penetradores de energía cinética .
  4. Se han utilizado "cerámicas como la alúmina y el carburo de boro " en chalecos blindados balísticos para repeler el fuego de los rifles de alta velocidad . Estas placas se conocen comúnmente como inserciones protectoras para armas pequeñas o SAPI. Se utiliza material similar para proteger las cabinas de algunos aviones militares, debido al bajo peso del material.
  5. Se puede utilizar cerámica en lugar de acero para rodamientos de bolas . Su mayor dureza significa que son mucho menos susceptibles al desgaste y, por lo general, duran el triple de la vida útil de una pieza de acero. También se deforman menos bajo carga, lo que significa que tienen menos contacto con las paredes de retención del rodamiento y pueden rodar más rápido. En aplicaciones de muy alta velocidad, el calor de la fricción durante el laminado puede causar problemas a los cojinetes de metal, que se reducen con el uso de cerámica. Las cerámicas también son más resistentes a los productos químicos y se pueden utilizar en entornos húmedos donde los cojinetes de acero se oxidarían. En algunos casos, sus propiedades aislantes de la electricidad también pueden ser valiosas en los rodamientos. Dos inconvenientes de los cojinetes cerámicos son un costo significativamente más alto y la susceptibilidad a daños bajo cargas de impacto.
  6. A principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor adiabático utilizando componentes cerámicos en el área de gas caliente. La cerámica habría permitido temperaturas superiores a los 1650 ° C. Las ventajas esperadas habrían sido materiales más livianos y un sistema de enfriamiento más pequeño (o sin necesidad de uno), lo que habría llevado a una reducción de peso importante. El aumento esperado de la eficiencia del combustible del motor (causado por la temperatura más alta, como lo muestra el teorema de Carnot ) no pudo verificarse experimentalmente; Se encontró que la transferencia de calor en las paredes del cilindro de cerámica caliente era mayor que la transferencia a una pared de metal más fría, ya que la película de gas más fría en la superficie del metal funciona como un aislante térmico.. Por tanto, a pesar de todas estas propiedades deseables, dichos motores no han tenido éxito en la producción debido a los costes de los componentes cerámicos y las ventajas limitadas. (Pequeñas imperfecciones en el material cerámico con su baja tenacidad a la fractura conducen a grietas, que pueden conducir a fallas potencialmente peligrosas del equipo). Estos motores son posibles en entornos de laboratorio, pero la producción en masa no es factible con la tecnología actual. [ cita requerida ]
  7. Se está trabajando en el desarrollo de piezas cerámicas para motores de turbina de gas . Actualmente, incluso las palas fabricadas con aleaciones metálicas avanzadas utilizadas en la sección caliente de los motores requieren refrigeración y una cuidadosa limitación de las temperaturas de funcionamiento. Los motores de turbina hechos con cerámica podrían funcionar de manera más eficiente, dando a los aviones un mayor alcance y carga útil para una cantidad determinada de combustible.
  8. Se han realizado avances recientes en cerámicas que incluyen biocerámicas , como implantes dentales y huesos sintéticos. La hidroxiapatita , el componente mineral natural del hueso, se ha elaborado sintéticamente a partir de varias fuentes biológicas y químicas y puede transformarse en materiales cerámicos. Los implantes ortopédicos recubiertos con estos materiales se adhieren fácilmente al hueso y otros tejidos del cuerpo sin rechazo ni reacciones inflamatorias, por lo que son de gran interés para la administración de genes y la ingeniería de tejidos.andamios. La mayoría de las cerámicas de hidroxiapatita son muy porosas y carecen de resistencia mecánica, y se utilizan para revestir dispositivos ortopédicos de metal para ayudar a formar una unión al hueso o como rellenos de hueso. También se utilizan como rellenos para tornillos plásticos ortopédicos para ayudar a reducir la inflamación y aumentar la absorción de estos materiales plásticos. Se está trabajando para fabricar materiales cerámicos de hidroxiapatita nanocristalina totalmente densos y fuertes para dispositivos ortopédicos que soportan peso, reemplazando metales extraños y materiales ortopédicos plásticos con un mineral óseo sintético pero natural. En definitiva, estos materiales cerámicos pueden utilizarse como sustitutos óseos o con la incorporación de colágenos proteicos , huesos sintéticos.
  9. Los materiales cerámicos duraderos que contienen actínidos tienen muchas aplicaciones, como en combustibles nucleares para quemar el exceso de Pu y en fuentes químicamente inertes de irradiación alfa para el suministro de energía de vehículos espaciales no tripulados o para producir electricidad para dispositivos microelectrónicos. Tanto el uso como la eliminación de actínidos radiactivos requieren su inmovilización en un material huésped duradero. Los radionúclidos de larga duración de los desechos nucleares, como los actínidos, se inmovilizan utilizando materiales cristalinos químicamente duraderos basados ​​en cerámicas policristalinas y grandes monocristales. [18]
  10. La cerámica de alta tecnología se utiliza en la relojería para producir cajas de relojes. El material es valorado por los relojeros por su ligereza, resistencia al rayado, durabilidad y tacto suave. IWC es una de las marcas que inició el uso de la cerámica en la relojería. [19]

Ver también [ editar ]

  • Química cerámica
  • Ingeniería cerámica  : ciencia y tecnología de la creación de objetos a partir de materiales inorgánicos y no metálicos.
  • Nanopartícula de cerámica
  • Compuesto de matriz cerámica
  • Arte cerámico  : objetos decorativos hechos de arcilla y otras materias primas mediante el proceso de alfarería
  • Fractura de cerámica

Referencias [ editar ]

  1. ^ Heimann, Robert B. (16 de abril de 2010). Cerámica clásica y avanzada: de los fundamentos a las aplicaciones, prefacio . ISBN 9783527630189.
  2. ^ "el diccionario libre" .
  3. ^ Negro, JT; Kohser, RA (2012). Materiales y procesos de fabricación de DeGarmo . Wiley. pag. 226. ISBN 978-0-470-92467-9.
  4. ^ Carter, CB; Norton, MG (2007). Materiales cerámicos: ciencia e ingeniería . Saltador. págs. 3 y 4. ISBN 978-0-387-46271-4.
  5. ^ Carter, CB; Norton, MG (2007). Materiales cerámicos: ciencia e ingeniería . Saltador. págs. 20 y 21. ISBN 978-0-387-46271-4.
  6. ^ κεραμικός , Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon , en Perseus Digital Library
  7. ^ κέραμος , Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon , en Perseus Digital Library
  8. ^ Palaeolexicon , herramienta de estudio de palabras de lenguas antiguas
  9. ^ "cerámica" . Diccionario de inglés de Oxford (edición en línea). Prensa de la Universidad de Oxford. (Se requiere suscripción o membresía en una institución participante ).
  10. ^ Historia de la cerámica - Universidad de Washington
  11. ↑ Mississippi Valley Archaeological Center, Ceramic Analysis. Archivado el 3 de junio de 2012 en Wayback Machine . Consultado el 11 de abril de 2012.
  12. ^ Seuba, Jordi, Silvain Deville, Christian Guizard y Adam J. Stevenson (14 de abril de 2016). "Propiedades mecánicas y comportamiento ante fallos de cerámicas porosas unidireccionales". Scientific Reports , vol. 6, artículo no. 24326. Consultado el 9 de octubre de 2019.
  13. ^ Heller, Arnie (abril de 2006). "Detección de estrés flexible" (PDF) . Revista de ciencia y tecnología .
  14. ^ Wachtman, John B., Jr. (ed.) (1999) Ceramic Innovations in the 20th century , The American Ceramic Society. ISBN 978-1-57498-093-6 . 
  15. ^ Garvie, RC; Hannink, RH; Pascoe, RT (1975). "¿Acero cerámico?". Naturaleza . 258 (5537): 703–704. Código Bibliográfico : 1975Natur.258..703G . doi : 10.1038 / 258703a0 . S2CID 4189416 . 
  16. ^ "Cerámica de loza blanca" . Encyclopædia Britannica . Consultado el 30 de junio de 2015 .
  17. ^ Geiger, Greg. Introducción a la cerámica , American Ceramic Society
  18. ^ BE Burakov, MI Ojovan, WE Lee (julio de 2010). Materiales cristalinos para la inmovilización de actínidos . Materiales para Ingeniería. 1 . Prensa del Imperial College. doi : 10.1142 / p652 . ISBN 978-1-84816-418-5.Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
  19. ^ "Explicación de los materiales de la caja del reloj: cerámica" . aBlogtoWatch . 18 de abril de 2012.

Lectura adicional [ editar ]

  • Guy, John (1986). Guy, John (ed.). Cerámica comercial oriental en el sudeste asiático, siglos IX al XVI: con un catálogo de artículos chinos, vietnamitas y tailandeses en colecciones australianas (edición ilustrada, revisada). Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 9780195825930. Consultado el 24 de abril de 2014 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Dolni Vestonice Venus - Estatuilla de cerámica más antigua conocida de una figura femenina desnuda fechada entre el 29 000 y el 25 000 AP (industria gravetiana. República Checa
  • The Gardiner Museum : el único museo de Canadá dedicado íntegramente a la cerámica
  • Introducción, principios científicos, propiedades y procesamiento de la cerámica.
  • Cerámica avanzada : evolución, clasificación, propiedades, producción, cocción, acabado y diseño de cerámica avanzada
  • Cerame-Unie, aisbl - Asociación Europea de la Industria Cerámica