Las vitrocerámicas son materiales policristalinos producidos mediante cristalización controlada del vidrio base. Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades con los vidrios y la cerámica . Las vitrocerámicas tienen una fase amorfa y una o más fases cristalinas y se producen mediante una denominada "cristalización controlada" en contraste con una cristalización espontánea, que normalmente no se desea en la fabricación de vidrio. La vitrocerámica tiene la ventaja de fabricación del vidrio, así como las propiedades especiales de la cerámica. Cuando se utilizan para sellar, algunas vitrocerámicas no requieren soldadura fuerte, pero pueden soportar temperaturas de soldadura fuerte de hasta 700 ° C. [1]Las vitrocerámicas suelen tener entre 30% [m / m] y 90% [m / m] de cristalinidad y producen una variedad de materiales con propiedades interesantes como porosidad cero , alta resistencia, tenacidad, translucidez u opacidad , pigmentación , opalescencia , baja o incluso expansión térmica negativa , estabilidad a alta temperatura, fluorescencia , maquinabilidad, ferromagnetismo , reabsorbibilidad o alta durabilidad química, biocompatibilidad , bioactividad , conductividad iónica, superconductividad , capacidades de aislamiento, baja constante dieléctrica y pérdida, alta resistividad y voltaje de ruptura. Estas propiedades se pueden adaptar controlando la composición del vidrio base y mediante el tratamiento térmico / cristalización controlados del vidrio base. En la fabricación, las vitrocerámicas se valoran por tener la resistencia de la cerámica pero las propiedades de sellado hermético del vidrio.
La vitrocerámica se produce principalmente en dos pasos: primero, un vidrio se forma mediante un proceso de fabricación de vidrio. El vidrio se enfría y luego se recalienta en un segundo paso. En este tratamiento térmico, el vidrio cristaliza parcialmente . En la mayoría de los casos , se añaden agentes de nucleación a la composición base de la vitrocerámica. Estos agentes de nucleación ayudan y controlan el proceso de cristalización. Debido a que no suele haber prensado ni sinterizado, las vitrocerámicas no tienen poros, a diferencia de las cerámicas sinterizadas .
Existe una amplia variedad de sistemas de vitrocerámica, por ejemplo, el sistema Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema LAS), el sistema MgO × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema MAS), el sistema ZnO × Sistema Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema ZAS).
Nucleación y crecimiento de cristales
La clave para diseñar un material vitrocerámico es controlar la nucleación y el crecimiento de los cristales en el vidrio base. La cantidad de cristalinidad variará dependiendo de la cantidad de núcleos presentes y el tiempo y la temperatura a los que se calienta el material. [2] [3] Es importante comprender los tipos de nucleación que ocurren en el material, ya sea homogéneo o heterogéneo.
La nucleación homogénea es un proceso que resulta de la inestabilidad termodinámica inherente de un material vítreo. [3] Cuando se aplica suficiente energía térmica al sistema, la fase vítrea metaestable comienza a regresar al estado cristalino de menor energía. [2] El término "homogéneo" se usa aquí porque la formación de núcleos proviene del vidrio base sin segundas fases o superficies que promuevan su formación.
La nucleación heterogénea es un término utilizado cuando se introduce una segunda fase o "agente nucleante" en el sistema. [3] La presencia de una segunda fase o superficie puede actuar como catalizador para la nucleación y es particularmente eficaz si hay epitaxia entre el núcleo y el sustrato. [3]
Cerámica de vidrio en aplicaciones médicas
Las vitrocerámicas se utilizan en aplicaciones médicas debido a su interacción única, o falta de ella, con el tejido del cuerpo humano. Las biocerámicas se clasifican normalmente en los siguientes grupos según su biocompatibilidad: cerámicas biopasivas (bioinertes), bioactivas o reabsorbibles. [2]
Las cerámicas biopasivas (bioinertes) se caracterizan, como su nombre indica, por la interacción limitada que tiene el material con el tejido biológico circundante. [2] Históricamente, estos fueron los biomateriales de "primera generación" utilizados como reemplazo de tejidos faltantes o dañados. [2] Un problema resultante del uso de biomateriales inertes fue la reacción del cuerpo al objeto extraño; Se encontró que ocurriría un fenómeno conocido como "encapsulación fibrosa", donde los tejidos crecían alrededor del implante en un intento de aislar el objeto del resto del cuerpo. [2] Esto ocasionalmente causó una variedad de problemas como necrosis o secuestro del implante. [2] Dos materiales bioinertes de uso común son la alúmina (Al2O3) y la zirconia (ZrO2). [2]
Los materiales bioactivos tienen la capacidad de formar enlaces e interfaces con los tejidos naturales. [2] En el caso de los implantes óseos, dos propiedades conocidas como osteoconducción y osteoinducción juegan un papel importante en el éxito y la longevidad del implante. [2] La osteoconducción se refiere a la capacidad de un material para permitir el crecimiento óseo en la superficie y en los poros y canales del material. [2] [4] Osteoinducción es un término que se utiliza cuando un material estimula la proliferación de células existentes, lo que hace que crezca hueso nuevo independientemente del implante. [2] [4] En general, la bioactividad de un material es el resultado de una reacción química, típicamente la disolución del material implantado. [2] Las cerámicas de fosfato de calcio y los vidrios bioactivos se utilizan comúnmente como materiales bioactivos ya que exhiben este comportamiento de disolución cuando se introducen en el tejido corporal vivo. [2] Un objetivo de ingeniería relacionado con estos materiales es que la tasa de disolución del implante se corresponda estrechamente con la tasa de crecimiento de tejido nuevo, lo que conduce a un estado de equilibrio dinámico. [2]
Las cerámicas reabsorbibles son similares a las cerámicas bioactivas en su interacción con el cuerpo, pero la principal diferencia radica en el grado en que se produce la disolución. Las cerámicas reabsorbibles están diseñadas para disolverse gradualmente por completo, mientras que en su lugar crece tejido nuevo. [2] La arquitectura de estos materiales se ha vuelto bastante compleja, con la introducción de andamios en forma de espuma para maximizar el área interfacial entre el implante y el tejido corporal. [4] Un problema que surge del uso de materiales altamente porosos para implantes bioactivos / reabsorbibles es la baja resistencia mecánica, especialmente en áreas de carga como los huesos de las piernas. [4] Un ejemplo de un material reabsorbible que ha tenido cierto éxito es el fosfato tricálcico (TCP), sin embargo, también se queda corto en términos de resistencia mecánica cuando se usa en áreas de alta tensión. [2]
Sistema LAS
El sistema comercialmente más importante es el sistema Li 2 O × Al 2 O 3 × n SiO 2 (sistema LAS). El sistema LAS se refiere principalmente a una mezcla de óxidos de litio , silicio y aluminio con componentes adicionales, por ejemplo, agentes formadores de fase vítrea como Na 2 O, K 2 O y CaO y agentes de refinación. Como agentes de nucleación se utiliza más comúnmente óxido de circonio (IV) en combinación con óxido de titanio (IV). Este importante sistema fue estudiado primero e intensamente por Hummel, [5] y Smoke. [6]
Después de la cristalización, la fase cristalina dominante en este tipo de vitrocerámica es una solución sólida con alto contenido de cuarzo (HQ ss). Si la vitrocerámica se somete a un tratamiento térmico más intenso, este HQ ss se transforma en una solución sólida de keatita (K ss, a veces denominada erróneamente beta- espodumena ). Esta transición es irreversible y reconstructiva, lo que significa que los enlaces en la red cristalina se rompen y se arreglan de nuevo. Sin embargo, estas dos fases cristalinas muestran una estructura muy similar a la que podría mostrar Li. [7]
Una propiedad interesante de estas vitrocerámicas es su durabilidad termomecánica. La vitrocerámica del sistema LAS es un material mecánicamente resistente y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 800-1000 ° C. La fase cristalina dominante de las vitrocerámicas LAS, HQ ss, tiene un fuerte coeficiente negativo de expansión térmica (CTE), solución sólida de queatita como todavía un CTE negativo pero mucho más alto que HQ ss Estos CTE negativos de la fase cristalina contrastan con el CTE positivo del vidrio residual. El ajuste de la proporción de estas fases ofrece una amplia gama de posibles CTE en el composite terminado. Principalmente para las aplicaciones actuales, se desea un CTE bajo o incluso nulo. También es posible un CTE negativo, lo que significa que, a diferencia de la mayoría de los materiales cuando se calienta, dicha vitrocerámica se contrae. En cierto punto, generalmente entre el 60% [m / m] y el 80% [m / m] de cristalinidad, los dos coeficientes se equilibran de manera que la vitrocerámica en su conjunto tiene un coeficiente de dilatación térmica muy próximo a cero. Además, cuando una interfaz entre el material estará sujeta a fatiga térmica , la vitrocerámica se puede ajustar para que coincida con el coeficiente del material al que se unirá.
Desarrolladas originalmente para su uso en espejos y soportes de espejos de telescopios astronómicos , las vitrocerámicas LAS se han dado a conocer y han entrado en el mercado nacional gracias a su uso en estufas de vitrocerámica , así como en utensilios de cocina y para hornear o como reflectores de alto rendimiento para proyectores digitales. .
Compuestos de matriz cerámica
Un uso particularmente notable de las vitrocerámicas es en el procesamiento de compuestos de matriz cerámica . Para muchos compuestos de matriz cerámica no se pueden utilizar temperaturas y tiempos de sinterización típicos, ya que la degradación y corrosión de las fibras constituyentes se vuelve un problema mayor a medida que aumentan la temperatura y el tiempo de sinterización. Un ejemplo de esto son las fibras de SiC, que pueden comenzar a degradarse mediante pirólisis a temperaturas superiores a 1470 K. [8] Una solución a esto es usar la forma vítrea de la cerámica como materia prima de sinterización en lugar de la cerámica, ya que a diferencia de la cerámica, los gránulos de vidrio tienen un punto de ablandamiento y generalmente fluirán a presiones y temperaturas mucho más bajas. Esto permite el uso de parámetros de procesamiento menos extremos, lo que hace posible la producción de muchas combinaciones nuevas de fibra y matriz tecnológicamente importantes mediante sinterización.
Placas de cocción
La vitrocerámica del sistema LAS es un material mecánicamente fuerte y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos. Sin embargo, no es totalmente irrompible. Debido a que sigue siendo un material quebradizo como lo son el vidrio y la cerámica, puede romperse. Ha habido casos en los que los usuarios informaron daños en sus placas de cocción cuando la superficie fue golpeada con un objeto duro o desafilado (como una lata que cae desde arriba u otros artículos pesados).
El material tiene un coeficiente de conducción de calor muy bajo , lo que significa que se mantiene fresco fuera de la zona de cocción. Puede hacerse casi transparente (15-20% de pérdida en una placa de cocción típica) para la radiación en las longitudes de onda infrarrojas .
En el rango visible, las vitrocerámicas pueden ser transparentes, translúcidas u opacas e incluso coloreadas con agentes colorantes.
Hoy[actualizar], existen dos tipos principales de estufas eléctricas con placas de vitrocerámica:
- Una estufa de vitrocerámica utiliza bobinas de calefacción radiante o lámparas halógenas infrarrojas como elementos calefactores. La superficie de la estufa de vitrocerámica sobre el quemador se calienta, pero la superficie adyacente permanece fría debido al bajo coeficiente de conducción de calor del material.
- Una estufa de inducción calienta el fondo de una olla de metal directamente a través de inducción electromagnética .
Esta tecnología no es completamente nueva, ya que las gamas de vitrocerámica se introdujeron por primera vez en la década de 1970 utilizando tapas de Corningware en lugar del material más duradero que se usa en la actualidad. Estas encimeras lisas de primera generación eran problemáticas y solo se podían usar con utensilios de cocina de fondo plano, ya que la calefacción era principalmente conductora en lugar de radiante. [9]
En comparación con las estufas de cocina convencionales, las estufas de vitrocerámica son relativamente fáciles de limpiar debido a su superficie plana. Sin embargo, las estufas de vitrocerámica se pueden rayar muy fácilmente, por lo que se debe tener cuidado de no deslizar las bandejas de cocción sobre la superficie. Si se derraman alimentos con un alto contenido de azúcar (como mermelada), nunca se debe permitir que se sequen en la superficie, de lo contrario se producirán daños. [10]
Para obtener los mejores resultados y la máxima transferencia de calor, todos los utensilios de cocina deben ser de fondo plano y del mismo tamaño que la zona del quemador.
Variaciones de la industria y los materiales
Algunas marcas conocidas de vitrocerámicas son Pyroceram , Ceran , Eurokera, Zerodur , Macor , Kedi y Kanger . Nippon Electric Glass es un fabricante mundial predominante de vitrocerámicas, cuyos productos relacionados en esta área incluyen FireLite y NeoCeram, materiales de vidrio cerámico para aplicaciones arquitectónicas y de alta temperatura, respectivamente. Keralite , fabricado por Vetrotech Saint-Gobain, es un material de cerámica de vidrio especializado con clasificación de seguridad contra incendios e impactos para uso en aplicaciones con clasificación de incendio. [11] Las vitrocerámicas fabricadas en la Unión Soviética / Rusia se conocen con el nombre de Sitall . Macor es un material vitrocerámico blanco, inodoro, similar a la porcelana y fue desarrollado originalmente para minimizar la transferencia de calor durante los vuelos espaciales tripulados por Corning Inc. [12] StellaShine , lanzado en 2016 por Nippon Electric Glass Co. , es un vidrio resistente al calor -material cerámico con una resistencia al choque térmico de hasta 800 grados centígrados. [13] Esto fue desarrollado como una adición a la línea de placas de cocina resistentes al calor de Nippon junto con materiales como Neoceram . KangerTech es un fabricante de cigarrillos electrónicos que comenzó en Shenzen, China, que produce materiales cerámicos de vidrio y otras aplicaciones especiales de vidrio endurecido como tanques de modificación de vaporizadores. [14] TGP (Technical Glass Products) es un productor de vitrocerámica orientado a la seguridad que continúa produciendo productos como FireLite, estructuras de fuego y Pilkington Pyrostop. [15]
La misma clase de material también se utiliza en los utensilios de cocina de vitrocerámica de Visions y CorningWare , lo que permite llevarlos del congelador directamente a la estufa o al horno sin riesgo de choque térmico y al mismo tiempo mantener el aspecto transparente de los utensilios de vidrio. [dieciséis]
Historia
El descubrimiento de la vitrocerámica se le atribuye a un hombre llamado Donald Stookey , un renombrado científico del vidrio que trabajó en Corning Inc. durante 47 años. [3] [17] La primera iteración provino de un material de vidrio, Fotoform , que también fue descubierto por Stookey mientras buscaba un material que se pudiera fotograbar para usar en pantallas de televisión. [18] Poco después del comienzo de Fotoform, se descubrió el primer material cerámico cuando Stookey sobrecalentó una placa Fotoform en un horno a 900 grados Celsius y encontró una placa opaca de color blanco lechoso dentro del horno en lugar del desorden fundido que se esperaba. [3] Mientras examinaba el nuevo material, que Stookey llamó acertadamente Fotoceram , notó que era mucho más fuerte que el Fotoform del que fue creado, ya que sobrevivió a una breve caída sobre el concreto. [18]
A finales de la década de 1950 , Stookey desarrollaría dos materiales vitrocerámicos más , uno que se utilizó como cúpula en el cono de la nariz de los misiles, [19] mientras que el otro condujo a la línea de utensilios de cocina de consumo conocida como Corningware . [17] Los ejecutivos de Corning anunciaron el descubrimiento de Stookey de este último "nuevo material básico" llamado Pyroceram, que fue promocionado como ligero, duradero, capaz de ser un aislante eléctrico y, sin embargo, resistente a los golpes térmicos. En ese momento, solo había unos pocos materiales que ofrecían la combinación específica de características que tenía Pyroceram y el material se lanzó como la línea de cocina Corningware el 7 de agosto de 1958. [20]
Parte del éxito que trajo Pyroceram inspiró a Corning a esforzarse por fortalecer el vidrio, lo que se convirtió en un esfuerzo del director técnico de Corning titulado Project Muscle. [20] Un material vitrocerámico "ultrafuerte" menos conocido desarrollado en 1962 llamado Chemcor (ahora conocido como Gorilla Glass ) fue producido por el equipo de vidrio de Corning debido al esfuerzo del Proyecto Muscle. [20] Chemcor incluso se utilizaría para innovar la línea de productos Pyroceram , ya que en 1961 Corning lanzó Centura Ware , una nueva línea de Pyroceram revestida con un laminado de vidrio (inventado por John MacDowell ) y tratada con el proceso Chemcor . [20] Stookey continuó avanzando en el descubrimiento de las propiedades de la vitrocerámica cuando descubrió cómo hacer que el material fuera transparente en 1966. [20] Aunque Corning no lanzaría un producto con su nueva innovación, por temor a canibalizar Ventas de Pyrex , hasta finales de la década de 1970 bajo el nombre de Visions . [20]
FireLite , un material vitrocerámico transparente hecho para uso combinado con puertas resistentes al fuego y otros materiales de seguridad, fue lanzado en 1988 por Nippon Electric Glass . [21] La vitrocerámica de 5 mm de espesor es capaz de soportar la presión de una manguera contra incendios después de 20 a 90 minutos (según el grado de cerámica utilizada) de calor en un horno, y aún permite que se transmita el 88% de la luz visible. a través de su superficie. [15] Este producto todavía es ampliamente utilizado y fabricado en la actualidad por empresas como TGP (Technical Glass Products), una marca de vitrocerámica con clasificación de resistencia al fuego que forma parte del conglomerado de la industria de la seguridad Allegion . [22]
Fuentes
- ^ "Materiales compuestos de vidrio cerámico para sellos herméticos | Elan" . Tecnología Elan . Consultado el 13 de junio de 2017 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q El-Meliegy, Emad; Van Noort, Richard (2012). Vidrios y vitrocerámicas para aplicaciones médicas . Saltador. págs. 13-17, 109-114.
- ^ a b c d e f Holanda, Wolfram; Rheinberger, Volker; Schweiger, Marcel (15 de marzo de 2003). "Control de la nucleación en vitrocerámicas". La Royal Society . 361 (1804): 575–589. Código bibliográfico : 2003RSPTA.361..575H . doi : 10.1098 / rsta.2002.1152 . S2CID 98126210 - a través de JSTOR.
- ^ a b c d Gerhardt, Lutz-Christian (2010). "Andamios de vidrio bioactivo y vitrocerámica para la ingeniería de tejidos óseos" . Materiales . 3 (7): 3870–3890. Código Bibliográfico : 2010Mate .... 3.3867G . doi : 10.3390 / ma3073867 . PMC 5445790 . PMID 28883315 .
- ^ Hummel, FA (1951). "Propiedades de expansión térmica de algunos minerales de litio sintéticos". Revista de la Sociedad Americana de Cerámica . 34 (8): 235–239. doi : 10.1111 / j.1151-2916.1951.tb11646.x .
- ^ Humo, EJ (1951). "Composiciones cerámicas que tienen dilatación térmica lineal negativa". Revista de la Sociedad Americana de Cerámica . 34 (3): 87–90. doi : 10.1111 / j.1151-2916.1951.tb13491.x .
- ^ Li, CT (1971). "Mecanismo de transformación entre las fases de alto cuarzo y queatita de la composición LiAlSi 2 O 6 ". Acta Crystallographica . 27 (6): 1132-1140. doi : 10.1107 / S0567740871003649 .
- ^ G. Chollon et. Alabama. (1997), Estabilidad térmica de una fibra de SiC derivada de PCS con bajo contenido de oxígeno (Hi-Nicalon), Journal of Materials Science
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 23 de marzo de 2005 . Consultado el 3 de agosto de 2008 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Cocina - Instrucciones de limpieza de la superficie de cocción de vidrio" . www.geappliances.com . Consultado el 13 de junio de 2017 .
- ^ "KeraLite | Vetrotech" . Vetrotech | Saint-Gobain . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ Popovic, Leo (2020). "Detalles de Macor" . Mindrum Precision . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ "Nippon Electric Glass: Nueva marca, StellaShine ™, vitrocerámica para placas superiores de aparatos de cocción" . MarketScreener . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ "Página de historia de KangerTech" . KangerTech . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ a b "Folleto TGP" . www.fireglass.com . Consultado el 24 de noviembre de 2020 .
- ^ "LeCLAIR.vision: INFORMACIÓN Y PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE CORNING VISIONS" . LeCLAIR.vision . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ a b Yardley, William (7 de noviembre de 2014). "S. Donald Stookey, científico, muere a los 99 años; entre sus inventos estaba CorningWare (publicado en 2014)" . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ a b Beall, George H. (2016). "Dr. S. Donald (Don) Stookey (1915-2014): investigador pionero y aventurero" . Fronteras en los materiales . 3 : 37. Bibcode : 2016FrMat ... 3 ... 37B . doi : 10.3389 / fmats.2016.00037 . ISSN 2296-8016 .
- ^ "Donald Stookey, el tipo que nos dio CorningWare, muere a los 99" . Noticias de Química e Ingeniería . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
- ^ a b c d e f Dyer, Davis, Daniel Gross (2001). Las generaciones de Corning: la vida y los tiempos de una corporación global . Prensa de la Universidad de Oxford. págs. 246-256, 279. ISBN 978-0195140958.
- ^ "Historia de la empresa" . Nippon Electric Glass Co., Ltd. (en japonés) . Consultado el 24 de noviembre de 2020 .
- ^ "Nuestra Historia" . Allegion Corp . Consultado el 24 de noviembre de 2020 .
Literatura
- McMillan PW, "La fase vítrea en las vitrocerámicas", Glass Technology, 1974, vol. 15 (1), pág. 5-15
- Bach H. (Editor), "Cerámicas de vidrio de baja expansión térmica", Springer-Verlag (1995).
- Holand, Wolfram y Beall, George H. Tecnología vitrocerámica. Wiley, 2002. ISBN 978-1-57498-107-0