Materiales Cerámicos Conceptos

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MATERIALES CERÁMICOS
Cátedra: Materiales para Ingeniería
Ing. Teresa Antequera
Facultad de Ingeniería - UNJu
Los materiales industriales pueden clasificarse en tres grupos principales:
• Materiales inorgánicos
• Materiales orgánicos
• Materiales compuestos
Dentro del grupo de los materiales inorgánicos se encuentran los materiales 
cerámicos que cubren un amplio rango de materiales y se pueden clasificar 
en Tradicionales y Avanzados ( o Técnicos, o Finos, o Modernos, o 
Especiales, o Nuevos, o Ingenieriles)
Definiciones
• Según la British Ceramic Society (1979) una cerámica es un material 
sintético, sólido, que no es ni metálico ni orgánico, y en cuya 
elaboración es necesario utilizar tratamientos térmicos a altas 
temperaturas.
• kingery define la cerámica como el arte y la ciencia de fabricar y usar 
materiales sólidos, que están compuestos en su mayor parte 
(componente esencial) por materiales no metálicos.
• Según ACerS, los cerámicos son materiales inorgánicos no 
metálicos. Son típicamente cristalinos en la naturaleza (tienen una 
estructura ordenada) y son compuestos formados por elementos 
metálicos y no metálicos tales como aluminio y oxígeno (alúmina), 
calcio y oxígeno, silicio y nitrógeno (nitruro de silicio)
.
En términos más amplios, la cerámica también incluye los vidrios, los 
esmaltes, los vitrocerámicos (un vidrio que contiene cristales cerámicos ) y 
materiales inorgánicos de tipo de cemento (cemento, yeso y cal). Sin 
embargo, como la tecnología cerámica se ha desarrollado con el tiempo, 
esta definición ha ampliado para incluir una gama mucho más amplia de 
otras composiciones usadas en una variedad de aplicaciones avanzadas.
Ladrillos y tejas, alfarería
fractarios, esmaltes 
Tradicionales vidrios, cemento, abrasivos, 
Materiales cerámicos 
Avanzados o de Funcionales
Alta Tecnología Estructurales
Materiales cerámicos 
Clasificación de los materiales cerámicos:
Según su composición química
Según la estructura 
Según las propiedades
Según las tecnologías de fabricación
Refractarios: electrofundidos, proyectados, etc..
Vidrios: estirados, soplados, prensados
Nuevas tecnologías de fabricación: productos moldeados, inyectados, HIP
Según los productos
Por rama de la industria: cerámica blanca, cerámica roja, cerámica electrónica, cerámica eléctrica, 
vidrio hueco, cemento aluminoso, etc.
Para productos de aplicaciones específicas no de uso masivo: especialidades cerámicas (cerámics
specialites) en oposición a las commodities (ladrillos, cementos, envases de vidrio).
Según la función: cerámicas funcionales y cerámicas estructurales
Función eléctrica, electrónica, óptica, nuclear, función biológica (biocerámicos)
Estructurales: Cerámicas para la construcción, vajillas y productos afines, artículos sanitarios, 
cerámicas de alta resistencia mecánica, cerámicas tenaces 
Según las aplicaciones es mas bien una clasificación de producto que de 
materiales: productos cerámicos para la construcción, grafito para ánodos, espejo para botiquines 
de baño, biocerámicos para implantes de rótula, soportes cerámicos para catalizadores, etc…
Clasificación basada en la 
porosidad y el color
Hace referencia al proceso 
de conformado
Clasificación según su composición química
Componentes Principales Tipos Ejemplos
Óxidos ( oxígeno + otro 
elemento)
Silicatos
Puros: SiO2 (sílice),cristalina o vítrea. Hay tres 
formas cristalinas: cuarzo, cristobalita,y tridimita; 
las dos primeras son las más comunes.
La forma vítrea se llama incorrectamente “cuarzo 
fundido”
Parcialmente Sustituido: aluminosilicatos (SiO2 + 
Al2O3 + otros óxidos); son las cerámicas 
tradicionales
No silicatos
Al2O3, MgO, ZrO2,TiO2, BaO, BeO, Cr2O3, UO2, 
GeO2, WO3,etc. Puros o parcialmente 
sustituidos, por ej. las “ferritas” como NiFe2O4, 
etc, sales como CaSO4 (yeso), etc. 
No óxidos (no metal + otro 
elemento)
Monoelementales
C (grafito); S (azufre cristalino o vítreo). En la 
práctica se exceptúan al Si, al que se lo 
considera “metálico”.
Binarios Carburos (SiC, B4C3, WC, etc.)
Boruros (ZrB2, etc)
Nitruros (BN , Si3N4)
Fosfuros (AlP)
Siliciuros (MoSi2)
Calcogenuros (S + otro elemento)
Halogenuros (F, Cl, Br o I + otro elemento)
Arseniuros (GaAs)
Ternario, etc.
Los anteriores, parcialmente sustituidos por otros 
elementos y también mezclas de óxidos y no 
óxidos como como el “Sialon” (Si3N4 + Al2O3).
Las funciones de los productos cerámicos son muy dependientes de:
1.- composición química
2.- estructura atómica (enlace y estructura cristalina)
3.- microestructura (naturaleza, cantidad y distribución de las fases presentes 
en la cerámica: cristalina, vítrea y porosidad)
Las cuales determinan sus propiedades
Hoy en día:
1.- La composición y estructura de los grano
2.- Fases presentes en los límites de granos
3.- Distribución y estructura de los poros
Se controla de forma cuidadosa con el fin de lograr una mayor fiabilidad y 
rendimiento de los productos en el desarrollo y producción de las cerámicas 
avanzadas se requiere un extraordinario control de los materiales de partida 
y de las operaciones de procesado con el fin de minimizar los defectos 
microestructurales.
Comparación entre las microestructuras de una alúmina densa convencional con una densidad igual al 98 
% de la teórica y una alúmina transparente ópticamente con una densidad igual al 99.9 % de la teórica.
Microestructura de un material cerámico policristalino
Cerámicos avanzados
Son términos nuevos usados desde hace unos 40 años para definir una
variada gama de materiales inorgánicos policristalinos, generalmente
obtenidos con materias primas de gran pureza, partículas submicrónicas,
grandes presiones de conformado y altas temperaturas de sinterización,
que dan lugar a cuerpos casi totalmente densificados (ausencia de
poros, grietas y defectos internos), que les confieren altas prestaciones
técnicas (altas resistencias mecánicas, térmicas, a la abrasión y al
ataque químico).
Cerámicas tradicionales
Cerámicas avanzadas
GEOPOLIMERO FOTOLUMINISCENTE
(CONCRETO GEOPOLIMERICO FOSFORESCENTE)
Losetas cerámicas tipo azulejo elaboradas con concreto 
fosforescente. Loseta de color blanco con luz de día, 
misma loseta en la obscuridad de color azul.
NANOCEMENTO GEOPOLIMERICO ANTIBACTERIAL
Nanocemento Geopolimérico Antibacterial actuando sobre 
un cultivo de bacterias E. Colli. Se nota claramente el halo de 
inhibición, lo cual demuestra la eliminación de este tipo de 
bacterias dañinas al ser humano.
Tejas de vidrio, calefacción solar con diseño innovador
Tiene capacidad de generar entre 300 y 500 kWh de calor por metro
cuadrado de tejado al año. Dependiendo del clima, de la inclinación de la
cubierta y orientación, ese dato puede variar. Con unos 20m2 sería suficiente
para una vivienda.
Propiedades
En contraste con aquellas propiedades que dependen de los enlaces 
interatómicos y, por tanto, son intrínsecas al material, tales como por 
ejemplo el punto de fusión, la dureza y la expansión térmica, tenemos 
que la resistencia mecánica, así como las propiedades
eléctricas o magnéticas, varían notablemente con su
microestructura (textura) entendiendo por tal la naturaleza físico -
química, tamaño y distribución de las fases que constituyen el material.
La textura representa, pues, una característica importante en
la ciencia y tecnología de los materiales cerámicos, que une el proceso 
de fabricación y las propiedades, las materias primas, el modo en que 
ellas son conformadas y proceso seguido en su tratamiento térmico, 
afectan a la textura del material final y, por tanto, a sus propiedades. 
además en las propiedades también influyen factores externos, tales 
como la temperatura, el ambiente de trabajo, etc.
Las propiedades que interesan en los materiales cerámicos son las 
termomecánicas(hornos, etc.) que incluyen: refractariedad importante 
(Tuso > 1000 ºC), buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, 
resistencia a la abrasión, resistencia al choque térmico y gran estabilidad 
química (resistencia al ataque químico).
Al Propiedad Al2O3
660 Punto de fusión 
°C
2030
3*10 Conductividad
Ohm-1cm-1
~ 10
< 3 Dureza Mohs 9
Efecto de la porosidad sobre la resistencia de la alúmina pura
Efecto del tamaño de grano sobre la resistencia de la 
alúmina
Aplicaciones de las cerámicas estructurales en el campo de los 
motores
Las ventajas que los materiales cerámicos presentan, intrínsecas a 
su naturaleza, en cuanto a sus propiedades:
-mayor dureza
-mayor resistencia a la oxidación
- más baja densidad
- menor conductividad térmica
- mayor resistencia al ataque químico
- mayor resistencia a temperaturas elevadas
Las desventajas que presentan los materiales cerámicos
son fundamentalmente dos:
1.- su reproducibilidad
2.- su fragilidad, condición inherente a su naturaleza
Estructura cristalina cerámica
La mayoría de las cerámicas son compuestos formados por 
elementos metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos 
pueden ser de carácter totalmente iónico, de carácter 
predominantemente iónico con algún carácter covalente, de 
carácter predominantemente covalente con algún carácter iónico o 
de carácter totalmente covalente.
Iónico Covalente
Estructura cristalina
Silicatos
Filosilicatos: Estructura laminar de las arcillas
Capas tetraédricas 
Capas octaédricas
Apilamiento de capas
Bilaminares TO
Apilamiento de capas
Trilaminares TOT
Polimorfismo
1170°C 2370°C
ZrO2 monoclínico tetragonal cúbico
Transformación desplazativa o martensítica: ligeras alteraciones de la
estructura cristalina. Ej.: ZrO2 t →m.
Ubicación de las composiciones correspondientes, de productos de 
arcillas típicos, en el diagrama arcilla, sílice y feldespato
Caracterización de materiales cerámicos
Cerámicos tradicionales Cerámicos de ingeniería
Caracterización química: FRX Caracterización química: FRX - EDXRF
Caracterización cristalográfica: DRX Caracterización cristalográfica: DRX –
Difracción de electrones
Caracterización microestructural: 
microscopia óptica - SEM
Caracterización microestructural:
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Microscopía electrónica de transmisión 
(TEM)
Caracterización térmica: ATD – TG 
Dilatometría - CPE
Caracterización térmica: ATD – TG 
Dilatometría
Caracterización mecánica: Módulo de 
resistencia a la flexión - compresión 
Dureza
Caracterización mecánica: Módulo de 
resistencia a la flexión - compresión 
Dureza - Fractura
Caracterización física y físico – química:
Porosidad – Plasticidad – distribución de 
tamaño de partículas – Distribución de 
tamaño de poros – Determinación de 
superficie específica (BET) – Capacidad 
de intercambio catiónico
Caracterización física y físico – química:
Determinación de superficie específica 
(BET
Agujas de mullita secundaria en gres porcelánico
Termodinámica de los materiales cerámicos
Los procesos cerámicos están gobernados , como cualquier otros, 
por las leyes de la termodinámica.
Sin embargo , los productos cerámicos rara vez presentan 
situaciones de equilibrio termodinámico, ello se debe a que la 
cinética de los procesos es muy lenta por dos razones: 
 La baja velocidad de difusión de os elementos estructurales en 
el estado sólido, lo que obliga a que los procesos deban 
desarrollarse a temperaturas elevadas,
 Y el tipo de enlace predominante, covalente/iónico, que lleva a 
estructuras particularmente rígidas
Diagrama de equilibrio de fase en los 
sistemas cerámicos
• Las propiedades de un material cerámico están determinadas por 
la composición y propiedades de las fases presentes, su 
proporción, el tamaño de los granos, las interfases, las fases 
vítreas y la porosidad
• En cerámica los materiales mas interesante son multicomponentes, 
por lo tanto es necesario tener un mapa experimental (diseño de 
materiales), además necesito saber la composición química, fase 
presentes, composición de las fases y la compatibilidad química a 
altas temperaturas
• Un diagrama de equilibrio de fases es la representación gráfica de 
las condiciones termodinámicas de equilibrio del sistema. 
• Un diagrama de equilibrio de fases contiene la mas completa 
información sobre la compatibilidad química, estabilidad y relación 
de fases en el estado sólido y de fusión en el estado líquido de los 
componentes y fases que conforman este sistema
Métodos de estudio de composiciones
• Tradicional (experimental)
- Preparación de la muestra 
- Tratamiento térmico
- Enfriamiento brusco (quenching)
- Análisis mineralógico y microestructural
• Nuevo
- Cálculos computacionales – modelización termodinámica
CALPHAD (Calculations of phase diagrams)
Reduce el trabajo experimental
Realiza análisis de datos existentes
Incluye datos termodinámicos básicos (entropía de formación, 
entalpía de formación, etc.)
Realiza un ajuste de datos experimentales y los parámetros 
termodinámicos del sistema
Minimiza el valor de la energía libre de Gibbs