materiales ceramicos CAMBIASSO - 2017

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MATERIALES 
CERAMICOS
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL HAEDO
Ing. CAMBIASSO
Derivado de la palabra griega “keramos”: material 
quemado
-Materiales inorgánicos y no metálicos 
•Óxidos, nitruros, boratos, carburos, silicatos, y 
sulfuros.
•Compuestos intermetallics (i.E. Aluminatos) 
• Fosfatos, antimoniuros, y arseniuros
•Generalmente enlaces iónicos entre elementos 
metálicos y No metálicos (i.E. Cationes aniones, 
respectivamente)
Propiedades presentes después de tratamientos 
térmicos (horneado) a altas temperaturas (> 1.000°C)
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CERAMICOS
Los materiales cerámicos son materiales
inorgánicos no metálicos, constituidos por
elementos metálicos y no metálicos enlazados
principalmente mediante enlaces iónicos y/o
covalentes. Las composiciones químicas de los
materiales cerámicos varían considerable-
mente, desde compuestos sencillos a mezclas
de muchas fases complejas enlazadas.
CERAMICOS
Elevada dureza, resistencia al 
desgaste, estabilidad química, 
resistencia a elevadas temperaturas y 
bajo coeficiente de expansión 
térmica
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Metálicos y no metálicos 
enlazados principalmente 
mediante enlaces iónicos y 
covalentes
Son de utilización muy amplia y
antigua en todos los ámbitos.
Ello se debe a que sus constituyentes
principales (Si, O, Al) son los elementos
más abundantes
Además se utilizan en su forma
oxidada, por lo que no sufren
alteraciones del medio ambiente
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ENLACE IÓNICO 
Consiste en la atracción electrostática entre
átomos con cargas eléctricas de signo contrario.
Este enlace se establece entre átomos de
elementos poco electronegativos con los de
elementos muy electronegativos.
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Es necesario que uno de los elementos pueda
ganar electrones y el otro perderlos, y como se
ha dicho anteriormente este tipo de enlace se
suele producir entre un no metal y un metal.
Los compuestos iónicos poseen una estructura
cristalina independientemente de su naturaleza. Este
hecho confiere a todos ellos unas propiedades
características
cristalino
No cristalino
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EL ENLACE COVALENTE
Las reacciones entre dos átomos no metales
producen enlaces covalentes. Este tipo de enlace se
produce cuando existe una electronegatividad polar.
Se forma cuando la diferencia de electronegatividad
no es suficientemente grande como para que se
efectúe transferencia de electrones, entonces los
átomos comparten uno o más pares electrónicos en
un nuevo tipo de orbital denominado orbital
molecular.
Dos átomos de Hidrógeno
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Los materiales cerámicos se dividen en tres
categorías:
Cerámicas Tradicionales: Los productos cerámicos tradicionales se
hacen a partir de minerales que se encuentran en la naturaleza e
incluyen alfarería, porcelanas, ladrillos, cemento, azulejos y cerámica
refractaria.
Cerámicas de Ingeniería: Los productos cerámicos de ingeniería se
hacen a partir de materias primas producidas sintéticamente y cubren
una amplio espectro de productos como herramientas de corte, huesos
artificiales y combustibles nucleares.
Vidrios: Lo métodos que se usan para producir productos de vidrio son
muy diferentes a los que se emplean en los anteriores cerámicos. La
materia prima principal es la sílice (SiO2), que se combina
generalmente con otros óxidos cerámicos que forman vidrios.
MANUFACTURA
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PROCESAMIENTO DE CERAMICOS:
Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son
manufacturados compactando polvos o partículas en matrices
que son posteriormente calentados a enormes temperaturas
para enlazar las partículas entre si.
Las etapas básicas para el proceso de cerámica de
aglomeración de partículas son: en primera instancia
preparación de material; segundo moldeado o fundido y por
ultimo tratamiento térmico por secado y horneado por
calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas
suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
TÉCNICAS DE CONFORMADO.
Los productos cerámicos fabricados por aglomeración
de partículas pueden ser conformados mediante
varios métodos en condiciones secas, plásticas o
liquidas.
• Prensado en seco.
• Compactación isostática.
• Compresión en caliente.
• Extrusión.
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
El tratamiento térmico es un
paso esencial en la fabricación
de la mayoría de los productos
cerámicos. En esta subdivisión
consideramos los siguientes
tratamientos térmicos: secado,
sinterizado, verificación.
• Secado y eliminación de
aglutinantes.
• Sinterizacion.
• Verificación.
Aplicaciones:
Los materiales cerámicos, debido a sus
propiedades térmicas, eléctricas y mecánica,
es de gran aplicación en muchos de los
ámbitos industriales.
El Nitruro De Aluminio(AIN): buen aislante
eléctrico, pero tiene alta conductividad
térmica.
El Carburo De Silicio(SiC): tiene una
extraordinaria resistencia a la oxidación a
temperatura incluso por encima del punto de
fusión del acero. A menudo se utiliza como
recubrimiento para metales, para
compuestos de carbono y otros cerámicos a
temperaturas extremas.
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•Enlace químico determina las propiedades 
eléctricas
•Electrones libres en los materiales (Ej. en los 
metales), permiten conductividad eléctrica a 
través del material
•Aislamiento eléctrico se obtiene cuando no hay 
electrones libres (Ej. en el diamante y la mayoría 
de las cerámicas)
•Conducción eléctrica en cerámicas puede 
ocurrir a altas temperaturas - iones excitados y 
desprendimiento de las temperaturas - iones 
excitados y desprendimiento de las estructuras 
primarias, permitiendo conductividad iónica”
•Optimizando y combinando la materia prima se 
logra mejorar las propiedades eléctricas de los 
aisladores. 
En general, la mayoría de los materiales
cerámicos son típicamente duros y fragiles
con poca resistencia al impacto.
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Los cerámicos cuentan con importantes 
propiedades eléctricas y térmicas con 
importantes aplicaciones en la industria. 
Los materiales cerámicos son, normalmente,
buenos aislantes eléctricos y térmicos debido
a la ausencia de electrones de conducción, y
así muchos materiales cerámicos se usan
como aislantes eléctricos y refractarios.
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PUNTO DE FUSIÓN
•El punto de fusión de cada 
cerámica es influenciada por el 
tipo de enlace: iónico, 
covalentemente/iónico o 
covalente. 
•Mientras mas fuerte sea el 
enlaces, mayor es el punto de 
fusión.
El coeficiente de expansión térmica depende de la estructura
cristalina y de la fuerza del enlace.
•Mientras mas fuerte sea el enlace en la estructura, menor será
el coeficiente de expansión térmica.
•Porosidad y micro grietas ayudan a disipar el calor y evitar fallas
por impacto térmico
RESISTENCIA AL IMPACTO TÉRMICO
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AISLAMIENTO TÉRMICO
•Parcialmente dependiente a la 
estructura de los cristales, (punto de 
fusión)
•El proceso de fabricación, horneado y 
porosidad tiene mucha influencia
•Cerámicas aislantes necesitan mas 
energía calórica para aumentar la 
temperatura, comparadas con 
cerámicas no aislantes mas densas y 
menos porosas
Minerólogos y Geólogos identifican los cristales por
sus propiedades ópticas.
Electrones libres ocasionan materiales oscuros, como
los metales, debido a que los electrones libres
adsorben la luz.
Enlaces iónicos ocasionan materiales opacos, como
los cerámicos, al dispersar la luz debido a los enlaces
iónicos en las estructura cristalina.
A través de procesos de fabricación, los cerámicos
pueden ser traslucidos y transparentes (Vidrios).
ESTRUCTURA CRISTALINA
ESTRUCTURA CRISTALINA
PROPIEDADES ÓPTICAS
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COMPARACIÓN ENTRE METALES V MATERIALES
CERÁMICOS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS
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PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS
MATERIALES CERÁMICOS TRADICIONALES
Hechos de arcillas naturales y mezclas con 
cerámicos cristalinos. 
Incluyen:
“Cerámicas”
Productos estructurales
Refractarios
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CERÁMICAS
Vajilla
Piso y pared
Sanitarios
Porcelana eléctrica
Cerámicas decorativas
REFRACTARIOSLadrillos para calderas y hornos. Tienen un alto 
contenido de sílice o aluminio.
Son utilizados en la fabricación de hierro y acero, 
metales no ferrosos, vidrio, cementos, 
conversión de energía, petróleo, e industrias
químicas.
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REFRACTARIOS
Usados para proveer protección térmica a otros
materiales a temperaturas muy altas, como en la 
producción de acero (Tm=1500°C), fundiciones
de metal, etc.
Compuestos princimpalmente de alúmina (Al2O3) 
(Tm=2050°C) y sílice junto a otros óxidos: MgO
(Tm=2850°C), Fe2O3, TiO2, etc., y tienen una
porosidad mayor al 10% en volumen. 
También se utilizan BeO, ZrO2, SiC, y grafito con 
baja porosidad
CERÁMICOS AMORFOS (VIDRIOS)
Principal componente: Silice (SiO2) 
Si se enfría despacio se obtiene un compuesto
cristalino.
Si se enfría más rápido se obtiene una estructura
amorfa que consiste de cadenas desordenadas de 
átomos de Silice y Oxígeno. 
A esto se debe su transparencia, ya que los
bordes cristalinos desvían la luz, causando
reflexión. 
El vidrio puede ser templado para aumentar su
tenacidad y resistencia.
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TIPOS DE VIDRIO
Hay tres tipos comunes:
Vidrio de soda y cal - 95% de ellos, vidrios, 
contenedores, etc.
Vidrios con plomo - contiene óxido de plomo para 
mejorar el índice de refracción.
Borosilicatado - contiene óxido de boro, conocido
como Pyrex. 
VIDRIO TEMPLADO
La resistencia del vidrio puede ser mejorada
induciendo tensiones residuales de compresión en
la superficie.
La superficie permanece comprimida, cerrando
pequeñas fracturas.
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CERÁMICOS CRISTALINOS
Buenos aislantes eléctricos y refractarios.
• El óxido de magnesio se utiliza como aislante en
elementos calientes y cables.
• Oxido de Aluminio
• Oxidos de Berilio
• Carburo de Boro
• Carburo de Tungsteno
• Usado como abrasivos en máquinas cortantes.
ABRASIVOS
Naturales (granate, diamante, etc.)
Abrasivos Sintéticos (carburo de sílice, diamante, 
alúmina, etc.) se utilizan para perforar, cortar, 
pulir.
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CEMENTOS
CERÁMICAS AVANZADAS
• Se desarrollaron en los últimos 50 años
• Aplicados como coberturas térmicas para proteger
estructuras metálicas, cubrir superficies, o como
compuestos importantes por sí mismos.
• Las aplicaciones en motores son típicas de estos
materiales, que incluyen el nitrito de sílice (Si3N4), 
carburo de silicio (SiC), Zirconia (ZrO2) y Alumina 
(Al2O3) 
• Su resistencia al calor y otras propiedades han llevado
al desarrollo de métodos para endurecerlos
reforzándolos con fibras , abriendo un campo de 
aplicaciones para estos materiales
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CERÁMICAS AVANZADAS
• Estructura: biocerámicas, herramientas de corte, 
componentes de motores, blindajes.
• Eléctricos : capacitores, aislantes, circuitos
integrados , piezoeléctricos, magnetos y 
superconductores
• Recubrimientos: componentes de motores, 
herramientas de corte
• Químicas y ambientales: Filtros, membranas, 
catálisis.
CERÁMICAS AVANZADAS
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COMPONENTES DE MOTORES
Rotor
Engranajes
ALUMINA
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TURBOCOMPRESORES
Rotor Cerámico
DISCOS DE FRENO CERÁMICOS
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CARBURO DE SILICIO
Componentes
de automóvil
Elegidos por su
resistencia al 
calor y desgaste
ARMADURAS CERÁMICAS
• Aplicación militar. 
• Ventaja: baja densidad del material que lo hace
eficiente
• Materiales cerámicos típicos: alúmina, carburo de 
boro, carburo de silicio, y diboro de titanio
• El material cerámico es discontinuo y forma un 
“sandwic” entre un exterior más dúctil y una fibra
interna
• La capa externa debe ser suficientemente dura 
para frenar el proyectil.
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• La mayor parte de la energía de impacto es absorbida
por la fractura de la cerámica y cualquier energía cinética
remantente es absorbida por la capa interna, que 
también sirve para contener los fragmentos de cerámica
y el proyectil evitando un impacto severo. 
• La combinación Alúmina /Kevlar compuesto en hojas de 
20 mm. se utilizan para proteger áreas críticas del avión
Hércules.
• Esta solución de bajo peso resultó eficiente y de fácil
reemplazo.
ARMADURAS CERÁMICAS
CARBURO DE SILICIO
Blindaje corporal y
otros compuestos
elegidos por sus
propiedades
balísticas.