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Cerámico

Breve cronología de vasijas de cerámica en diferentes estilos. Una cerámica es cualquiera de los diversos materiales duros, quebradizos , resistentes al calor y a la corrosión q...

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Breve cronología de vasijas de cerámica en diferentes estilos.

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

Las primeras cerámicas hechas por humanos fueron ladrillos de arcilla cocida utilizados para construir muros de casas y otras estructuras. Otros objetos de cerámica como ollas, vasijas, jarrones y figurillas se hicieron de arcilla , ya sea sola o mezclada con otros materiales como sílice , endurecida por sinterización en fuego. Más tarde, las cerámicas se vidriaron y cocieron para crear superficies lisas y coloreadas, disminuyendo la porosidad mediante el uso de recubrimientos cerámicos vítreos y amorfos sobre los sustratos cerámicos cristalinos. [ 3 ] Las cerámicas ahora incluyen productos domésticos, industriales y de construcción, así como una amplia gama de materiales desarrollados para su uso en ingeniería cerámica avanzada, como semiconductores .

La palabra cerámica [ a ] proviene de la palabra griega antigua κεραμικός ( keramikós ), que significa "de o para cerámica " [ 5 ] ( de κέραμος ( kéramos ) ' arcilla de alfarero, teja, cerámica ' ). [ 6 ] La mención más antigua conocida de la raíz ceram- es el griego micénico ke-ra-me-we , trabajadores de la cerámica, escrito en escritura silábica Lineal B. [ 7 ] La ​​palabra cerámica puede usarse como adjetivo para describir un material, producto o proceso, o puede usarse como sustantivo, ya sea singular o, más comúnmente, como el sustantivo plural cerámicas . [ 8 ] 

Materiales

Propulsor de cohete de nitruro de silicio . Izquierda: Montado en banco de pruebas. Derecha: Probado con propelentes de H₂ /O₂ .

El material cerámico es un material inorgánico , óxido metálico , nitruro o carburo . Algunos elementos, como el carbono o el silicio , pueden considerarse cerámicas. Los materiales cerámicos son frágiles, duros, resistentes a la compresión y débiles a la cizalladura y la tensión . Resisten la erosión química que se produce en otros materiales sometidos a ambientes ácidos o cáusticos . Generalmente, las cerámicas pueden soportar temperaturas muy elevadas, que oscilan entre 1000 °C y 1600 °C [ 9 ] (1800 °F y 3000 °F). [ 10 ]    

Micrografía SEM de baja magnificación de un material cerámico avanzado. Las propiedades de las cerámicas hacen que la fractura sea un método de inspección importante.

La cristalinidad de los materiales cerámicos varía ampliamente. Por lo general, las cerámicas cocidas son vitrificadas o semivitrificadas, como es el caso de la loza, el gres y la porcelana. La variación en la cristalinidad y la composición electrónica en los enlaces iónicos y covalentes hace que la mayoría de los materiales cerámicos sean buenos aislantes térmicos y eléctricos (investigados 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 enlaces y todos los niveles de cristalinidad), la amplitud del tema es vasta, y los atributos identificables ( dureza , tenacidad , conductividad eléctrica ) son difíciles de especificar para el grupo en su conjunto. Las propiedades generales tales como alta temperatura de fusión, alta dureza, baja conductividad, altos módulos de elasticidad , resistencia química y baja ductilidad son la norma, [ 11 ] con excepciones conocidas a cada una de estas reglas ( cerámicas piezoeléctricas , cerámicas de baja temperatura de transición vítrea , cerámicas superconductoras ).

Los materiales compuestos como la fibra de vidrio y la fibra de carbono , si bien contienen materiales cerámicos, no se consideran parte de la familia de la cerámica. [ 12 ]

Highly oriented crystalline ceramic materials are not amenable to a great range of processing. Methods for dealing with them tend to fall into one of two categories: either making the ceramic in the desired shape by reaction in situ or "forming" powders into the desired shape and then sintering to form a solid body. Ceramic forming techniques include shaping by hand (sometimes including a rotation process called "throwing"), slip casting, tape casting (used for making very thin ceramic capacitors), injection molding, dry pressing, and other variations.

Many ceramics experts do not consider materials with an amorphous (noncrystalline) character (i.e., glass) to be ceramics, even though glassmaking involves several steps of the ceramic process and its mechanical properties are similar to those of ceramic materials. However, heat treatments can convert glass into a semi-crystalline material known as glass-ceramic.[13]

Traditional ceramic raw materials include clay minerals such as kaolinite, whereas more recent materials include aluminium oxide, more commonly known as alumina. Modern ceramic materials, which are classified as advanced ceramics, include silicon carbide and tungsten carbide. Both are valued for their abrasion resistance and are therefore used in applications such as the wear plates of crushing equipment in mining operations. Advanced ceramics are also used in the medical, electrical, electronics, and armor industries.

History

Earliest known ceramics are the Gravettian figurines that date to 29,000–25,000 BC.

Human beings appear to have been making their own ceramics for at least 26,000 years, subjecting clay and silica to intense heat to fuse and form ceramic materials. The earliest found so far were in southern central Europe and were sculpted figures, not dishes.[14] The earliest known pottery was made by mixing animal products with clay and firing it at up to 800 °C (1,500 °F). While pottery fragments have been found up to 19,000 years old, it was not until about 10,000 years later that regular pottery became common. An early people that spread across much of Europe is named after its use of pottery: the Corded Ware culture. These early Indo-European peoples decorated their pottery by wrapping it with rope while it was still wet. When the ceramics were fired, the rope burned off but left a decorative pattern of complex grooves on the surface.

Corded-Ware culture pottery from 2500 BC

La invención de la rueda condujo finalmente a la producción de cerámica más lisa y uniforme mediante la técnica de torneado, como el torno de alfarero . Las primeras cerámicas eran porosas y absorbían agua fácilmente. Esta técnica se volvió útil para más objetos con el descubrimiento de las técnicas de vidriado , que consistían en recubrir la cerámica con silicio, ceniza de hueso u otros materiales que podían fundirse y reformarse en una superficie vítrea, haciendo que la vasija fuera menos permeable al agua.

Arqueología

Los artefactos cerámicos desempeñan un papel importante en la arqueología para comprender la cultura, la tecnología y el comportamiento de los pueblos del pasado. Son algunos de los artefactos más comunes que se encuentran en un yacimiento arqueológico, generalmente en forma de pequeños fragmentos de cerámica rota llamados squirlas . El procesamiento de las squirlas recolectadas se puede realizar mediante dos tipos principales de análisis: técnico y tradicional.

El análisis tradicional consiste en clasificar los artefactos cerámicos, los fragmentos y los trozos más grandes en tipos específicos según su estilo, composición, fabricación y morfología. Al crear estas tipologías, es posible distinguir entre diferentes estilos culturales, la finalidad de la cerámica y el estado tecnológico de los pueblos, entre otras conclusiones. Además, al observar los cambios estilísticos en la cerámica a lo largo del tiempo, es posible separarla (serializarla) en grupos diagnósticos distintos (conjuntos). La comparación de los artefactos cerámicos con conjuntos datados conocidos permite asignarles una fecha. [ 15 ]

El enfoque técnico del análisis cerámico implica un examen minucioso de la composición de los artefactos y fragmentos cerámicos para determinar la procedencia del material y, por consiguiente, el posible lugar de fabricación. Los criterios clave son la composición de la arcilla y el desgrasante utilizado en la elaboración del objeto en estudio: el desgrasante es un material que se añade a la arcilla durante la etapa inicial de producción y que facilita el proceso de secado posterior. Entre los tipos de desgrasante se incluyen fragmentos de concha , fragmentos de granito y trozos de cerámica molida, denominados « chog ». El desgrasante se suele identificar mediante un examen microscópico del material desgrasado. La identificación de la arcilla se determina mediante un proceso de recocido de la cerámica y la asignación de un color utilizando la notación de color de suelo Munsell . Al estimar la composición de la arcilla y el desgrasante y localizar una región donde se sabe que ambos se encuentran, se puede determinar la procedencia del material. A partir de la procedencia del artefacto, se pueden realizar investigaciones adicionales sobre el lugar de fabricación.

Propiedades

Las propiedades físicas de cualquier sustancia cerámica son resultado directo de su estructura cristalina y composición química. La química del estado sólido revela la conexión fundamental entre la microestructura y las propiedades, tales como las variaciones localizadas de densidad, la distribución del tamaño de grano, el tipo de porosidad y el contenido de segunda fase, las cuales pueden correlacionarse con propiedades cerámicas tales como la resistencia mecánica σ mediante la ecuación de Hall-Petch, la dureza , la tenacidad , la constante dieléctrica y las propiedades ópticas que exhiben 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 se realizan a menudo en escalas espaciales similares a las utilizadas habitualmente en el campo emergente de la nanotecnología: desde nanómetros hasta decenas de micrómetros (μm). Esto se sitúa típicamente entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución del ojo humano.

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

Propiedades mecánicas

Discos de corte fabricados en 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 fundamental para mejorar el rendimiento mecánico de materiales y componentes. Aplica la física de la tensión y la deformación , en particular las teorías de elasticidad y plasticidad , a los defectos cristalográficos microscópicos presentes en materiales reales para predecir la falla mecánica macroscópica de los cuerpos. La fractografía se utiliza ampliamente junto con la mecánica de la fractura para comprender las causas de las fallas y también para verificar las predicciones teóricas de falla con fallas reales.

Ceramic materials are usually ionic or covalent bonded materials. A material held together by either type of bond will tend to fracture before any plastic deformation takes place, which results in poor toughness and brittle behavior in these materials. Additionally, because these materials tend to be porous, pores and other microscopic imperfections act as stress concentrators, decreasing the toughness further, and reducing the tensile strength. These combine to give catastrophic failures, as opposed to the more ductile failure modes of metals.

These materials do show plastic deformation. However, because of the rigid structure of crystalline material, there are very few available slip systems for dislocations to move, and so they deform very slowly.

To overcome the brittle behavior, ceramic material development has introduced the class of ceramic matrix composite materials, in which ceramic fibers are embedded and with specific coatings form fiber bridges across any crack. This mechanism substantially increases the fracture toughness of such ceramics. Ceramic disc brakes are an example of using a ceramic matrix composite material manufactured with a specific process.

Scientists are working on developing ceramic materials that can withstand significant deformation without breaking. A first such material that can deform in room temperature was found in 2024.[16]

Toughening mechanisms

Many strategies are employed to improve the toughness of ceramics to prevent fracture. This includes crack deflection, microcrack toughening, crack bridging, incorporation of ductile particles, and transformation toughening.

Crack deflection is a toughening mechanism that involves deflecting cracks away from more rapid crack propagation paths, preventing catastrophic sudden failure.[17] Cracks may be deflected using microstructures such as whiskers, as in the use of silicon carbide whiskers to reinforce molybdenum disilicide ceramic material detailed in a 1987 paper.[18] Crack deflecting second phases may also take the form of platelets, particles, or fibers.[19]

Microcrack toughening involves nucleation (creation) of microcracks near a macroscopic crack tip where the crack propagates, which lowers the stress experienced by the tip and therefore the urgency of crack propagation.[20] To improve toughness, second phase particles can be incorporated into ceramic such that they are subject to microcracking, which relieves stress to prevent fracture.[21]

Crack bridging occurs when a strong discontinuous reinforcing phase applies a force behind the propagating tip of the crack that discourages further cracking. These second phase bridges essentially pin the crack to discourage its extension. Crack bridging can be used to improve toughness via the incorporation of second phase whiskers in the ceramic, as well as other shapes, to bridge cracks.[22]

Ductile particle ceramic matrix composites are composed of ductile particles such as metals distributed in a ceramic matrix. These particles boost toughness by deforming plastically to absorb energy, and by bridging advancing cracks. To be most effective, the particles should be isolated from each other. The most studied iterations of these composites consist of an alumina matrix, and nickel, iron, molybdenum, copper, or silver metal particles.[23]

El endurecimiento por transformación ocurre cuando un material experimenta una transformación de fase inducida por tensión. Algunas cerámicas son capaces de experimentar una transformación martensítica inducida por tensión, que implica una barrera de energía que debe superarse absorbiendo energía. [ 24 ] Las transformaciones martensíticas son transformaciones de cizallamiento sin difusión [ 25 ] que implican la transición entre una fase "austenítica" o "parental" que es estable a temperaturas más altas y una fase "martensítica" que es estable a temperaturas más bajas. [ 26 ] Debido a que la transformación absorbe energía, las transformaciones martensíticas inducidas por tensión pueden dificultar la propagación de grietas y aumentar la tenacidad. Un ejemplo clave de este fenómeno es la zirconia , cuya transformación martensítica implica una transformación de la estructura cristalina de una estructura cristalina tetragonal (la fase austenítica) a una estructura monoclínica . El aumento de volumen asociado con la transformación de tetragonal a monoclínica también alivia la tensión de tracción en la punta de la grieta, desalentando aún más el agrietamiento y aumentando la tenacidad. [ 24 ] Cuando las partículas de zirconia en una matriz cerámica se transforman durante la fabricación debido al enfriamiento, los campos de tensión alrededor de las partículas provocan la nucleación y propagación de microfisuras, lo que también puede mejorar la tenacidad del material. Estos campos de tensión, así como las propias partículas, también pueden contribuir a la desviación de las fisuras. [ 27 ]

Moldeado con hielo para mejorar las propiedades mecánicas

Si una cerámica se somete a una carga mecánica sustancial, puede experimentar un proceso denominado moldeo por congelación , que permite cierto control de la microestructura del producto cerámico y, por lo tanto, de sus propiedades mecánicas. Los ingenieros cerámicos utilizan esta técnica para ajustar las propiedades mecánicas a la aplicación deseada. En concreto, la resistencia aumenta al emplear esta técnica. El moldeo por congelación permite la creación de poros macroscópicos con una disposición unidireccional. Las aplicaciones de esta técnica de endurecimiento por óxido son importantes para las pilas de combustible de óxido sólido y los dispositivos de filtración de agua . [ 28 ]

To process a sample through ice templating, an aqueous colloidal suspension is prepared to contain the dissolved ceramic powder evenly dispersed throughout the colloid,[29] for example yttria-stabilized zirconia (YSZ). The solution is then cooled from the bottom to the top on a platform that allows for unidirectional cooling. This forces ice crystals to grow in compliance with the unidirectional cooling, and these ice crystals force the dissolved YSZ particles to the solidification front of the solid-liquid interphase boundary, resulting in pure ice crystals lined up unidirectionally alongside concentrated pockets of colloidal particles. The sample is then heated and at the same the pressure is reduced enough to force the ice crystals to sublime and the YSZ pockets begin to anneal together to form macroscopically aligned ceramic microstructures. The sample is then further sintered to complete the evaporation of the residual water and the final consolidation of the ceramic microstructure.

During ice-templating, a few variables can be controlled to influence the pore size and morphology of the microstructure. These important variables are the initial solids loading of the colloid, the cooling rate, the sintering temperature and duration, and the use of certain additives which can influence the microstructural morphology during the process. A good understanding of these parameters is essential to understanding the relationships between processing, microstructure, and mechanical properties of anisotropically porous materials.[30]

Electrical properties

Semiconductors

Algunas cerámicas son semiconductores . La mayoría son óxidos de metales de transición , semiconductores II-VI, como el óxido de zinc . Si bien existen perspectivas de producción en masa de diodos emisores de luz (LED) azules a partir de óxido de zinc, los ceramistas están más interesados ​​en las propiedades eléctricas que muestran efectos de límite de grano . Uno de los más utilizados es el varistor. Estos dispositivos presentan 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, se produce una ruptura de la estructura eléctrica en las proximidades de los límites de grano, lo que resulta en una caída de su resistencia eléctrica de varios megaohmios a unos pocos cientos de ohmios . La principal ventaja de estos es que pueden disipar mucha energía y se autorreinician; después de que el voltaje a través del dispositivo cae por debajo del umbral, su resistencia vuelve a ser alta. Esto los hace ideales para aplicaciones de protección contra sobretensiones ; dado que existe control sobre el voltaje umbral y la tolerancia de energía, se utilizan en todo tipo de aplicaciones. La mejor demostración de su capacidad se encuentra en las subestaciones eléctricas , donde se emplean para proteger la infraestructura de los rayos . Ofrecen una respuesta rápida, requieren poco mantenimiento y no se degradan significativamente con el uso, lo que los convierte en dispositivos prácticamente ideales para esta aplicación. Las cerámicas semiconductoras también se emplean como sensores de gas . Al hacer pasar diversos gases sobre una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Mediante el ajuste a las posibles mezclas de gases, se pueden fabricar dispositivos muy económicos.

Superconductividad

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

En determinadas condiciones, como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas presentan superconductividad a alta temperatura (en superconductividad, "alta temperatura" significa por encima de 30 K). Se desconoce el motivo, pero existen dos familias principales de cerámicas superconductoras.

Ferroelectricidad y superconjuntos

La piezoelectricidad , un vínculo entre la respuesta eléctrica y la mecánica, se manifiesta en numerosos materiales cerámicos, incluido el cuarzo utilizado para medir el tiempo en relojes y otros dispositivos electrónicos. Estos dispositivos aprovechan ambas propiedades piezoeléctricas: utilizan electricidad para producir un movimiento mecánico (alimentando el dispositivo) y, posteriormente, este movimiento mecánico genera electricidad (generando una señal). La unidad de tiempo medida es el intervalo natural necesario para que la electricidad se convierta en energía mecánica y viceversa.

El efecto piezoeléctrico suele ser más intenso en materiales que también presentan piroelectricidad , y todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos. Estos materiales pueden utilizarse para la interconversión entre energía térmica, mecánica o eléctrica; por ejemplo, tras su síntesis en un horno, un cristal piroeléctrico que se deja enfriar sin aplicar ninguna tensión acumula una carga estática de miles de voltios. Dichos materiales se utilizan en sensores de movimiento , donde el ligero aumento de temperatura provocado por un cuerpo caliente que entra en la habitación es suficiente para generar un voltaje medible en el cristal.

A su vez, la piroelectricidad se manifiesta con mayor intensidad en materiales que también presentan el efecto ferroeléctrico , en el que un dipolo eléctrico estable puede orientarse o invertirse mediante la aplicación de un campo electrostático. La piroelectricidad es, además, una consecuencia necesaria de la ferroelectricidad. Esto puede utilizarse para almacenar información en condensadores ferroeléctricos y en elementos de memoria RAM ferroeléctrica .

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

Coeficiente térmico positivo

En algunos materiales cerámicos semiconductores, principalmente mezclas de titanatos de metales pesados , los aumentos de temperatura pueden provocar que los límites de grano se vuelvan repentinamente aislantes. La temperatura crítica de transición puede ajustarse en un amplio rango mediante variaciones en la composición química. En estos materiales, la corriente eléctrica fluye a través de ellos hasta que el calentamiento Joule los lleva a la temperatura de transición, momento en el que se interrumpe el circuito y cesa el flujo de corriente. Estas cerámicas se utilizan como elementos calefactores autocontrolados en, por ejemplo, los circuitos de desempañado de la luneta 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 impediría cualquier uso práctico del material cerca de su temperatura crítica, el efecto dieléctrico se mantiene excepcionalmente fuerte incluso a temperaturas mucho más elevadas. Los titanatos con temperaturas críticas muy inferiores a la temperatura ambiente se han convertido en sinónimo de "cerámica" en el contexto de los condensadores cerámicos precisamente por esta razón.

Propiedades ópticas

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 incidentes de un rango de longitudes de onda. Los filtros ópticos selectivos en frecuencia se pueden utilizar para alterar o mejorar el brillo y el contraste de una imagen digital. La transmisión guiada de ondas de luz a través de guías de onda selectivas en frecuencia involucra 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 longitudes de onda o frecuencias competitivas. Este modo resonante de transmisión de energía y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (luz) , aunque de baja potencia, es prácticamente sin pérdidas. Las guías de onda 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 valiosa para el científico de materiales emergente 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 y de alta resistencia capaces de transmitir luz ( ondas electromagnéticas ) en las regiones visible (0,4-0,7 micrómetros) e infrarroja media (1-5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente , como misiles y pods de alta velocidad de última generación , así como protección contra artefactos explosivos improvisados ​​(IED).

En la década de 1960, científicos de General Electric (GE) descubrieron que, bajo 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 contener el plasma eléctrico generado en las farolas de sodio de alta presión . Durante las últimas dos décadas, se han desarrollado otros tipos de cerámicas transparentes para aplicaciones como ojivas de misiles guiados por calor , ventanas para aviones de combate y contadores de centelleo para escáneres de tomografía computarizada . Otros materiales cerámicos, que generalmente requieren una mayor pureza en su composición que los anteriores, incluyen diversas formas de compuestos químicos, entre ellos:

  1. El titanato de bario (a menudo mezclado con titanato de estroncio ) presenta ferroelectricidad , lo que significa que sus respuestas mecánicas, eléctricas y térmicas están interrelacionadas y dependen de su historial. Se utiliza ampliamente en transductores electromecánicos , condensadores cerámicos y elementos de almacenamiento de datos . Las condiciones de los límites de grano pueden generar efectos PTC en los elementos calefactores .
  2. El sialón (oxinitruro de silicio y aluminio) posee 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, en pasadores de soldadura y en la industria química.
  3. El carburo de silicio (SiC) se utiliza como susceptor en hornos de microondas, como abrasivo de uso común y como material refractario .
  4. El nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) se utiliza como polvo abrasivo .
  5. La esteatita (silicatos de magnesio) se utiliza como aislante eléctrico .
  6. El carburo de titanio se utiliza en los escudos de reentrada de los transbordadores espaciales y en los relojes resistentes a los arañazos.
  7. El óxido de uranio ( UO2 ) se utiliza como combustible en reactores nucleares .
  8. El óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7−x ) es un superconductor de alta temperatura .
  9. El óxido de zinc ( ZnO ) es un semiconductor que se utiliza en la construcción de varistores .
  10. El dióxido de circonio (zirconia), que en estado puro experimenta numerosos cambios de fase entre la temperatura ambiente y las temperaturas de sinterización habituales , puede estabilizarse químicamente en diversas formas. Su elevada conductividad iónica de oxígeno lo hace idóneo para su uso en pilas de combustible y sensores de oxígeno para automóviles . En otra variante, las estructuras metaestables pueden conferirle endurecimiento por transformación para aplicaciones mecánicas; la mayoría de las hojas de cuchillos de cerámica están fabricadas con este material. La zirconia parcialmente estabilizada (PSZ) es mucho menos frágil que otras cerámicas y se utiliza en herramientas para el conformado de metales, válvulas y revestimientos, lodos abrasivos, cuchillos de cocina y cojinetes sometidos a una abrasión severa. [ 31 ]

Productos

Por uso

Para mayor comodidad, los productos cerámicos se suelen dividir en cuatro tipos principales; estos se muestran a continuación con algunos ejemplos: [ 32 ]

  1. Elementos estructurales, incluyendo ladrillos , tuberías , baldosas para pisos y techos , y baldosas vitrificadas .
  2. Materiales refractarios , como revestimientos de hornos , radiadores para fuego de gas, crisoles para la fabricación de acero y vidrio.
  3. Artículos blancos, incluidos vajilla , utensilios de cocina, azulejos, productos de cerámica y artículos sanitarios [ 33 ]
  4. Cerámica técnica, también conocida como cerámica de ingeniería, avanzada, especial y fina. Algunos ejemplos son:

Cerámica hecha con arcilla

Con frecuencia, las materias primas de la cerámica moderna no incluyen arcillas. [ 34 ] Las que sí las incluyen se han clasificado como:

  1. Cerámica de barro , cocida a temperaturas más bajas que otros tipos.
  2. Gres , vítreo o semivítreo.
  3. Porcelana , que contiene un alto contenido de caolín.
  4. Porcelana de hueso

Clasificación

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

  1. Óxidos : alúmina , berilia , ceria , zirconia
  2. No óxidos : carburo , boruro , nitruro , siliciuro
  3. Materiales compuestos : reforzados con partículas, reforzados con fibras , combinaciones de óxidos y no óxidos.

Cada una de estas clases puede desarrollarse hasta obtener propiedades materiales únicas.

Aplicaciones

Cuchillo de cocina con hoja de cerámica
Cerámica técnica utilizada como material superior duradero en el inserto del bisel de un reloj de buceo
  1. Hojas de cuchillo : la hoja de un cuchillo de cerámica se mantendrá afilada durante mucho más tiempo que la de un cuchillo de acero, aunque es más frágil y susceptible a romperse.
  2. Discos de freno de carbono-cerámica para vehículos: altamente resistentes al sobrecalentamiento a altas temperaturas.
  3. Se han diseñado matrices compuestas avanzadas de cerámica y metal para la mayoría de los vehículos blindados de combate modernos porque ofrecen una resistencia superior a la penetración contra proyectiles de carga hueca ( munición HEAT ) y proyectiles penetrantes de energía cinética .
  4. Los materiales cerámicos como la alúmina y el carburo de boro se han utilizado como placas en chalecos antibalas para repeler disparos de fusil de alta velocidad . Estas placas se conocen comúnmente como insertos protectores para armas pequeñas (SAPI, por sus siglas en inglés). Un material similar y ligero se utiliza para proteger las cabinas de algunos aviones militares.
  5. Los rodamientos de bolas de cerámica pueden utilizarse en lugar de los de acero. Su mayor dureza reduce su susceptibilidad al desgaste. Los rodamientos de cerámica suelen durar el triple que los de acero. Se deforman menos que el acero bajo carga, lo que reduce el contacto con las paredes de retención y la fricción. En aplicaciones de muy alta velocidad, el calor generado por la fricción causa más problemas en los rodamientos metálicos que en los de cerámica. La cerámica es químicamente resistente a la corrosión y se prefiere para entornos donde los rodamientos de acero se oxidarían. En algunas aplicaciones, sus propiedades de aislamiento eléctrico resultan ventajosas. Entre las desventajas de los rodamientos de cerámica se incluyen un coste significativamente mayor, su susceptibilidad a sufrir daños bajo cargas de impacto y el potencial de desgaste de las piezas de acero debido a su mayor dureza.
  6. A principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor adiabático utilizando componentes cerámicos en la zona de gases calientes. El uso de cerámica habría permitido alcanzar temperaturas superiores a 1650 °C. Entre las ventajas se incluían materiales más ligeros y un sistema de refrigeración más pequeño (o incluso la ausencia total de sistema de refrigeración), lo que conllevaba una importante reducción de peso. El aumento esperado de la eficiencia del combustible (debido a las temperaturas de funcionamiento más elevadas, demostrado en el teorema de Carnot ) no pudo verificarse experimentalmente. Se descubrió que la transferencia de calor en la pared caliente del cilindro cerámico era mayor que la transferencia de calor a una pared metálica más fría. Esto se debe a que la película de gas más fría sobre una superficie metálica actúa como aislante térmico . Por lo tanto, a pesar de las propiedades deseables de la cerámica, los costes de producción prohibitivos y las ventajas limitadas han impedido la adopción generalizada de componentes cerámicos para motores. Además, las pequeñas imperfecciones en el material cerámico, junto con su baja tenacidad a la fractura, pueden provocar grietas y fallos potencialmente peligrosos en el equipo. Si bien estos motores son posibles experimentalmente, la producción en masa no es factible con la tecnología actual. 
  7. Se están realizando experimentos con componentes cerámicos 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 un control riguroso de las temperaturas de funcionamiento. Los motores de turbina fabricados con cerámica podrían funcionar de forma más eficiente, lo que permitiría una mayor autonomía y capacidad de carga. [ 35 ]
  8. Se han producido avances recientes en cerámica, incluyendo biocerámicas como implantes dentales y huesos sintéticos. La hidroxiapatita , el principal componente mineral del hueso, se ha sintetizado a partir de diversos componentes biológicos y químicos, 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 reacción inflamatoria. Son de gran interés para la administración de genes y la creación de andamios para ingeniería de tejidos . La mayoría de las cerámicas de hidroxiapatita son bastante porosas y carecen de resistencia mecánica, por lo que se utilizan exclusivamente para recubrir dispositivos ortopédicos metálicos con el fin de facilitar la adhesión al hueso o como rellenos óseos. También se utilizan como rellenos para tornillos ortopédicos de plástico para ayudar a reducir la inflamación y aumentar la absorción de estos materiales plásticos. Se está trabajando en la creación de materiales cerámicos de hidroxiapatita nanocristalina, resistentes y de alta densidad, para dispositivos ortopédicos de soporte de peso, reemplazando los materiales ortopédicos metálicos y plásticos con un mineral óseo sintético pero de origen natural. En última instancia, estos materiales cerámicos pueden utilizarse como sustitutos óseos o, con la incorporación de colágenos proteicos , para la fabricación de huesos sintéticos.
  9. Las aplicaciones de los materiales cerámicos que contienen actínidos incluyen combustibles nucleares para la combustión del exceso de plutonio (Pu), o una fuente químicamente inerte de radiación alfa en fuentes de alimentación para vehículos espaciales no tripulados o dispositivos microelectrónicos. El uso y la eliminación de actínidos radiactivos requieren su inmovilización en un material huésped duradero. Los radionúclidos de larga vida media, como los actínidos, se inmovilizan utilizando materiales cristalinos químicamente duraderos basados ​​en cerámicas policristalinas y grandes monocristales. [ 36 ]
  10. La cerámica de alta tecnología se utiliza para la fabricación de cajas de relojes. Los relojeros valoran este material por su ligereza, resistencia a los arañazos, durabilidad y tacto suave. IWC es una de las marcas pioneras en el uso de la cerámica en la relojería. [ 37 ]
  11. La cerámica se utiliza en el diseño de carcasas de teléfonos móviles debido a su alta dureza, resistencia a los arañazos y capacidad de disipar el calor. [ 38 ] Las propiedades de gestión térmica de la cerámica ayudan a mantener temperaturas óptimas del dispositivo durante un uso intensivo, mejorando el rendimiento. Además, los materiales cerámicos pueden admitir la carga inalámbrica [ 39 ] y ofrecen una mejor transmisión de señal en comparación con los metales, que pueden interferir con las antenas . [ 40 ] Empresas como Apple y Samsung han incorporado cerámica en sus dispositivos. [ 41 ] [ 42 ]
  12. Las cerámicas de carburo de silicio se utilizan en componentes de bombas y válvulas debido a su resistencia a la corrosión . [ 43 ] También se emplean en reactores nucleares como materiales de revestimiento de combustible por su capacidad para soportar la radiación y el estrés térmico . [ 44 ] Otros usos de las cerámicas de carburo de silicio incluyen la fabricación de papel, la balística , la producción química y como componentes de sistemas de tuberías. [ 45 ]

Véase también

  • Química cerámica : ciencia y tecnología de la creación de objetos a partir de materiales inorgánicos no metálicos. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 
  • Ingeniería cerámica : ciencia y tecnología de la creación de objetos a partir de materiales inorgánicos y no metálicos. 
  • nanopartícula cerámica
  • Compuesto de matriz cerámica : material compuesto que consiste en fibras cerámicas en una matriz cerámica. 
  • Arte cerámico : objetos decorativos elaborados con arcilla y otras materias primas mediante el proceso de alfarería. 
  • Ciencia de los materiales – Investigación de materiales Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redireccionamiento 
  • Fractura de cerámica : resultado del tratamiento térmico sobre la cerámica. 

Notas

  1. ↑ Anteriormente también kérmico . [ 4 ]

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Riedel, Ralf ; Chen, I-Wei, eds. (2013). Ciencia y tecnología de la cerámica . doi : 10.1002/9783527631940 . ISBN 978-3-527-31149-1.