Materiales Ceramicosbis

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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, refractarios, 
 Tradicionales vidrios, cemento, abrasivos, esmaltes 
 
Materiales cerámicos 
 
 Avanzados o de Funcionales 
 Alta Tecnología Estructurales 
 
 
 
 
 
 
 
Clasificación de los materiales cerámicos: 
 
 
Según su composición química 
 
Según la estructura 
 
Según las propiedades 
 
Según las tecnologías de fabricación 
 
Según los productos 
 
Según la función 
 
Según las aplicaciones 
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 
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 
Propiedades mecánicas 
 
• Son inferiores a las de los metales 
• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con 
muy poca absorción de energía. 
• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la 
deformación plástica en respuesta a carga de tracción. 
• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un 
material en dirección perpendicular a la carga aplicada. 
• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados 
planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica. 
Propiedades mecánicas 
 
 
 
• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una 
grieta está presente se especifica en términos de la tenacidad de 
fractura. La tenacidad de fractura (𝐾𝐼𝑐 ) en deformaciones planas se 
define como: 
𝐾𝐼𝑐 = 𝑌𝜎 𝜋𝑎
2 
Donde: 
-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la 
probeta y de la grieta, 
- 𝜎 es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o 
bien la mitad de la longitud de una grieta interna.- La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de 
la derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en 
deformaciones planas del material. 
 
 𝐾𝐼𝑐 en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales 
 
Influencia de la porosidad 
 
• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores 
en forma de polvo. 
 
• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas. 
 
• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo 
siempre queda porosidad remanente. 
 
• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas 
 
La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica 
de porosidad P: 
 E = E0(1-1,9P +0,9P
2) 
 
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso. 
Efecto de la porosidad sobre la resistencia de la alúmina pura 
Efecto del tamaño de grano sobre la resistencia de la 
alúmina 
𝜎y = 𝜎0 + 𝐾𝑦/ 𝑑 
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