vitrocerámica

Las vitrocerámicas son materiales policristalinos producidos mediante la cristalización controlada de vidrio base , lo que da como resultado una fina y uniforme dispersión de cristales en todo el material. La cristalización se logra sometiendo vidrios adecuados a un programa de tratamiento térmico cuidadosamente regulado, lo que provoca la nucleación y el crecimiento de fases cristalinas. En muchos casos, el proceso de cristalización puede completarse casi por completo, pero en una pequeña proporción de procesos, suele quedar una fase vítrea residual. ^{[ 1 ]}

Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades con los vidrios y las cerámicas . Los vitrocerámicos presentan una fase amorfa y una o más fases cristalinas, y se producen mediante una denominada "cristalización controlada", a diferencia de la cristalización espontánea, que generalmente no se desea en la fabricación de vidrio. Los vitrocerámicos ofrecen las ventajas de fabricación del vidrio, así como las propiedades especiales de las cerámicas. Cuando se utilizan para sellado, algunos vitrocerámicos no requieren soldadura fuerte , pero pueden soportar temperaturas de soldadura fuerte de hasta 700  °C. ^{[ 2 ]}

Las vitrocerámicas suelen tener entre un 30 % [m/m ] y un 90 % [m/m] de cristalinidad y producen una gama de materiales con propiedades interesantes como porosidad cero , alta resistencia, tenacidad, translucidez u opacidad , pigmentación , opalescencia , expansión térmica baja o incluso negativa , estabilidad a alta temperatura, fluorescencia , maquinabilidad, ferromagnetismo , reabsorción o alta durabilidad química, biocompatibilidad , bioactividad , conductividad iónica, superconductividad , capacidades de aislamiento, baja constante dieléctrica y pérdida, resistencia a la corrosión , ^{[ 3 ]} alta resistividad y voltaje de ruptura. Estas propiedades se pueden adaptar controlando la composición del vidrio base y mediante el tratamiento térmico/cristalización controlado del vidrio base. En la fabricación, las vitrocerámicas son valoradas por tener la resistencia de la cerámica pero las propiedades de sellado hermético del vidrio.

Las vitrocerámicas se producen principalmente en dos etapas: primero, se forma un vidrio mediante un proceso de fabricación, tras lo cual se enfría. Segundo, el vidrio se somete a un tratamiento térmico controlado. Durante este tratamiento térmico, el vidrio se cristaliza parcialmente . En la mayoría de los casos, se añaden agentes nucleantes a la composición base de la vitrocerámica. Estos agentes nucleantes ayudan a controlar el proceso de cristalización. Dado que generalmente no se realiza prensado ni sinterización, las vitrocerámicas no presentan poros, a diferencia de las cerámicas sinterizadas .

Existe una amplia variedad de sistemas vitrocerámicos, 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) y el sistema ZnO × Al ₂ O ₃ × n SiO ₂ (sistema ZAS).

Réaumur , químico francés, realizó los primeros intentos de producir materiales policristalinos a partir de vidrio, demostrando que si se colocaban botellas de vidrio en una mezcla de arena y yeso y se sometían a calor rojo durante varios días, las botellas se volvían opacas y con una apariencia similar a la porcelana. Si bien Réaumur logró convertir el vidrio en un material policristalino, no consiguió controlar el proceso de cristalización, un paso clave para producir vitrocerámicas verdaderamente prácticas con las propiedades mejoradas mencionadas anteriormente. ^{[ 3 ]}

El descubrimiento de la vitrocerámica se atribuye a Donald Stookey , un renombrado científico del vidrio que trabajó en Corning Inc. durante 47 años. ^{[ 4 ] [ 5 ]} La primera versión surgió de un material de vidrio, Fotoform, que también fue descubierto por Stookey mientras buscaba un material fotograbable para usar en pantallas de televisión. ^{[ 6 ]} Poco después del inicio de Fotoform, se descubrió el primer material cerámico cuando Stookey sobrecalentó una placa de Fotoform en un horno a 900 grados Celsius y encontró una placa opaca de color blanco lechoso dentro del horno en lugar de la masa fundida que se esperaba. ^{[ 4 ]} Al examinar el nuevo material, al que Stookey acertadamente llamó Fotoceram , notó que era mucho más resistente que el Fotoform del que se creó, ya que sobrevivió a una caída corta sobre concreto. ^{[ 6 ]}

A finales de la década de 1950, Stookey desarrolló dos materiales vitrocerámicos más: uno se utilizó como radomo en la ojiva de los misiles, ^{[ 7 ]} mientras que el otro dio origen a la línea de utensilios de cocina para el consumidor conocida como Corningware . ^{[ 5 ]} Los ejecutivos de Corning anunciaron el descubrimiento de Stookey de este último "nuevo material básico", llamado Pyroceram, que se promocionaba como ligero, duradero, aislante eléctrico y resistente a los choques térmicos. En aquel entonces, pocos materiales ofrecían la combinación específica de características que proporcionaba Pyroceram, y el material se lanzó como la línea de cocina Corningware el 7 de agosto de 1958. ^{[ 8 ]}

Parte del éxito que trajo Pyroceram inspiró a Corning a esforzarse por fortalecer el vidrio, lo que se convirtió en un esfuerzo de los directores técnicos de Corning llamado Proyecto Muscle. ^{[ 8 ]} 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. ^{[ 8 ]} Chemcor incluso se usaría para innovar la línea de productos Pyroceram, ya que en 1961 Corning lanzó Centura Ware , una nueva línea de Pyroceram que estaba revestida con un laminado de vidrio (inventado por John MacDowell ) y tratada con el proceso Chemcor. ^{[ 8 ]} Stookey continuó avanzando en el descubrimiento de las propiedades de la vitrocerámica al descubrir cómo hacer que el material fuera transparente en 1966. ^{[ 8 ]} Aunque Corning no lanzó un producto con su nueva innovación, por temor a canibalizar las ventas de Pyrex , hasta finales de la década de 1970 bajo el nombre de Visions . ^{[ 8 ]}

La clave para diseñar un material vitrocerámico reside en controlar la nucleación y el crecimiento de cristales en el vidrio base. El grado de cristalinidad varía según la cantidad de núcleos presentes y el tiempo y la temperatura de calentamiento del material. ^{[ 9 ] [ 4 ]} Es importante comprender los tipos de nucleación que se producen en el material, ya sea homogénea o heterogénea.

La nucleación homogénea es un proceso que resulta de la inestabilidad termodinámica inherente de un material vítreo. ^{[ 4 ]} Cuando se aplica suficiente energía térmica al sistema, la fase vítrea metaestable comienza a regresar al estado cristalino de menor energía. ^{[ 9 ]} El término "homogéneo" se utiliza aquí porque la formación de núcleos proviene del vidrio base sin que ninguna segunda fase o superficie promueva su formación.

La velocidad de nucleación homogénea en un sistema condensado se puede describir con la siguiente ecuación, propuesta por Becker en 1938.

${\displaystyle I\ =\ A\exp \left(-{\frac {\Delta F^{*}+Q}{k_{B}T}}\right)}$

Donde Q es la energía de activación para la difusión a través del límite de fase, A es una constante y${\displaystyle F^{*}}$es la energía de activación máxima para la formación de un núcleo estable, dada por la ecuación que aparece a continuación.

${\displaystyle \Delta F^{*}={\frac {16\pi \Delta f_{s}^{3}}{3\Delta f_{v}^{2}}}}$

Dónde${\displaystyle \Delta f_{v}}$es el cambio de energía libre por unidad de volumen resultante de la transformación de una fase a otra, y${\displaystyle \Delta f_{s}}$puede equipararse con la tensión interfacial.

La nucleación heterogénea es un término que se utiliza cuando se introduce un agente nucleante en el sistema para ayudar y controlar el proceso de cristalización. ^{[ 4 ]} La presencia de este agente nucleante, en forma de una fase o superficie adicional, puede actuar como catalizador de la nucleación y es particularmente eficaz si existe epitaxia entre el núcleo y el sustrato. ^{[ 4 ]} Hay varios metales que pueden actuar como agentes nucleantes en el vidrio porque pueden existir en él en forma de dispersión de partículas de dimensiones coloidales. Algunos ejemplos son el cobre, la plata metálica y el platino. Stookey sugirió en 1959 que la eficacia de los catalizadores de nucleación metálicos se relaciona con las similitudes entre las estructuras cristalinas de los metales y la fase que se nuclea.

La característica más importante de la nucleación heterogénea es que la tensión interfacial entre la heterogeneidad y la fase nucleada se minimiza. Esto significa que la influencia de la superficie catalizadora sobre la velocidad de nucleación está determinada por el ángulo de contacto en la interfaz. Basándose en esto, Turnbull y Vonnegut (1952) modificaron la ecuación para la velocidad de nucleación homogénea para obtener una expresión para la velocidad de nucleación heterogénea.

${\displaystyle I_{c}\ =\ A^{1}\exp \left(-{\frac {\Delta F^{*}\ f(\theta )}{k_{B}T}}\right)}$

Si se incluye la energía de activación para la difusión, como sugiere Stokey (1959a), la ecuación queda entonces de la siguiente manera:

${\displaystyle I_{c}\ =\ A^{1}\exp \left(-{\frac {\Delta F^{*}\ f(\theta )+Q}{k_{B}T}}\right)}$^{[ 3 ]}

A partir de estas ecuaciones, la nucleación heterogénea puede describirse en términos de los mismos parámetros que la nucleación homogénea con un factor de forma, que es función de θ (ángulo de contacto). El término${\displaystyle f(\theta )}$está dado por:

${\displaystyle f(\theta )={\frac {(2+\cos \theta )(1-\cos \theta )^{2}}{4}}}$

si el núcleo tiene la forma de una calota esférica. ^{[ 3 ]}

Además de la nucleación, el crecimiento cristalino también es necesario para la formación de vitrocerámicas. El proceso de crecimiento cristalino es de considerable importancia para determinar la morfología del material compuesto vitrocerámico producido. El crecimiento cristalino depende principalmente de dos factores. Primero, depende de la velocidad a la que la estructura desordenada puede reorganizarse en una red periódica con orden de largo alcance. Segundo, depende de la velocidad a la que se libera energía en la transformación de fase (esencialmente, la velocidad de enfriamiento en la interfaz). ^{[ 3 ]}

Las vitrocerámicas se utilizan en aplicaciones médicas debido a su interacción única, o la falta de ella, con los tejidos del cuerpo humano. Las biocerámicas se clasifican generalmente en los siguientes grupos según su biocompatibilidad: biopasivas (bioinertes), bioactivas o reabsorbibles. ^{[ 9 ]}

Las cerámicas biopasivas (bioinertes) se caracterizan, como su nombre indica, por la interacción limitada que el material tiene con el tejido biológico circundante. ^{[ 9 ]} Históricamente, estos fueron los biomateriales de "primera generación" utilizados como reemplazos de tejidos faltantes o dañados. ^{[ 9 ]} Un problema derivado del uso de biomateriales inertes fue la reacción del cuerpo al objeto extraño; se descubrió que se producía un fenómeno conocido como "encapsulación fibrosa", en el que los tejidos crecían alrededor del implante en un intento de aislar el objeto del resto del cuerpo. ^{[ 9 ]} Esto ocasionalmente causaba diversos problemas, como necrosis o secuestro del implante. ^{[ 9 ]} Dos materiales bioinertes de uso común son la alúmina (Al ₂ O ₃ ) y la zirconia (ZrO ₂ ). ^{[ 9 ]}

Los materiales bioactivos tienen la capacidad de formar enlaces e interfaces con los tejidos naturales. ^{[ 9 ]} En el caso de los implantes óseos, dos propiedades conocidas como osteoconducción y osteoinducción desempeñan un papel importante en el éxito y la longevidad del implante. ^{[ 9 ]} La osteoconducción se refiere a la capacidad de un material para permitir el crecimiento óseo en la superficie y dentro de los poros y canales del material. ^{[ 9 ] [ 10 ]} La osteoinducción es un término utilizado cuando un material estimula a las células existentes para que proliferen, lo que provoca que crezca hueso nuevo independientemente del implante. ^{[ 9 ] [ 10 ]} En general, la bioactividad de un material es el resultado de una reacción química, típicamente la disolución del material implantado. ^{[ 9 ]} 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. ^{[ 9 ]} Un objetivo de ingeniería relacionado con estos materiales es que la tasa de disolución del implante se ajuste estrechamente a la tasa de crecimiento del tejido nuevo, lo que conduce a un estado de equilibrio dinámico. ^{[ 9 ]}

Las cerámicas reabsorbibles son similares a las cerámicas bioactivas en su interacción con el cuerpo, pero la principal diferencia radica en el grado de disolución. Las cerámicas reabsorbibles están diseñadas para disolverse gradualmente por completo, mientras que en su lugar crece tejido nuevo. ^{[ 9 ]} La arquitectura de estos materiales se ha vuelto bastante compleja, con la introducción de andamios espumosos para maximizar el área interfacial entre el implante y el tejido corporal. ^{[ 10 ]} Un problema que surge al usar materiales altamente porosos para implantes bioactivos/reabsorbibles es la baja resistencia mecánica, especialmente en áreas de carga como los huesos de las piernas. ^{[ 10 ]} Un ejemplo de material reabsorbible que ha tenido cierto éxito es el fosfato tricálcico (TCP), sin embargo, también presenta deficiencias en términos de resistencia mecánica cuando se usa en áreas de alta tensión. ^{[ 9 ]}

El sistema comercialmente más importante es el sistema Li₂O × Al₂O₃ × nSiO₂ (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 Na₂O _, K₂O _y CaO, y agentes refinadores. Como agentes de nucleación, se suele utilizar óxido de circonio(IV) en combinación con óxido de titanio(IV). Este importante sistema fue estudiado inicialmente y en profundidad por Hummel ^{[ 11 ]} y Smoke ^{[ 12 ] .}

Tras la cristalización, la fase cristalina dominante en este tipo de vitrocerámica es una solución sólida de cuarzo de alta concentración (HQ ss). Si la vitrocerámica se somete a un tratamiento térmico más intenso, esta HQ ss se transforma en una solución sólida de keatita (K ss, a veces denominada erróneamente beta- espodumeno ). Esta transición es irreversible y reconstructiva, lo que significa que los enlaces de la red cristalina se rompen y se reorganizan. Sin embargo, estas dos fases cristalinas presentan una estructura muy similar a la que podría mostrar el litio. ^{[ 13 ]}

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 rápidos y repetidos de hasta 800–1000  °C. La fase cristalina dominante de las vitrocerámicas LAS, HQ ss, tiene un coeficiente de expansión térmica (CET) negativo pronunciado ; la solución sólida de keatita también tiene un CET negativo, pero mucho mayor que el de HQ ss. Estos CET negativos de la fase cristalina contrastan con el CET positivo del vidrio residual. Ajustando la proporción de estas fases se puede obtener un amplio rango de CET posibles en el compuesto final. Para las aplicaciones actuales, se suele desear un CET bajo o incluso nulo. También es posible un CET negativo, lo que significa que, a diferencia de la mayoría de los materiales, esta vitrocerámica se contrae al calentarse. En cierto punto, generalmente entre el 60 % [m/m] y el 80 % [m/m] de cristalinidad, los dos coeficientes se equilibran de tal manera que el vitrocerámico en su conjunto tiene un coeficiente de dilatación térmica muy cercano a cero. Asimismo, cuando una interfaz entre materiales estará sujeta a fatiga térmica , los vitrocerámicos pueden ajustarse para que coincidan con el coeficiente del material al que se unirán.

Originalmente desarrolladas para su uso en los espejos y soportes de espejos de telescopios astronómicos , las vitrocerámicas LAS se han dado a conocer y han entrado en el mercado doméstico gracias a su uso en placas de cocina vitrocerámicas , así como en utensilios de cocina y repostería , o como reflectores de alto rendimiento para proyectores digitales.

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 las temperaturas y tiempos de sinterización típicos, ya que la degradación y corrosión de las fibras constituyentes se convierte en 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 por pirólisis a temperaturas superiores a 1470 K. ^{[ 14 ]} Una solución a esto es utilizar 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 reblandecimiento y generalmente fluyen 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 nuevas combinaciones de fibra-matriz tecnológicamente importantes mediante sinterización.

La vitrocerámica del sistema LAS es un material mecánicamente resistente que soporta cambios de temperatura rápidos y repetidos. Su superficie lisa, similar al vidrio, es fácil de limpiar, por lo que se utiliza frecuentemente como superficie de cocción . El material tiene un coeficiente de conductividad térmica muy bajo , lo que significa que se mantiene frío fuera de la zona de cocción. Puede fabricarse casi transparente (con una pérdida del 15-20 % en una placa de cocción típica) para la radiación en longitudes de onda infrarrojas . En el rango visible, las vitrocerámicas pueden ser transparentes, translúcidas u opacas, e incluso coloreadas mediante agentes colorantes.

Sin embargo, la vitrocerámica no es totalmente irrompible. Al ser un material frágil como el vidrio y la cerámica, puede romperse; en particular, es menos resistente que las placas de cocción tradicionales de acero o hierro fundido. Se han dado casos en los que los usuarios han reportado daños en sus placas de cocción al ser golpeadas con un objeto duro o contundente (como una lata que cae desde arriba u otros objetos pesados).

HoyExisten dos tipos principales de cocinas eléctricas con superficies de cocción de vitrocerámica:

• Una estufa de calefacción radiante utiliza resistencias o lámparas halógenas infrarrojas como elementos calefactores. La superficie de la placa vitrocerámica situada sobre el quemador se calienta, pero la superficie adyacente permanece fría debido al bajo coeficiente de conductividad térmica del material.
• Una placa de inducción calienta el fondo de una olla metálica directamente mediante inducción electromagnética .

Esta tecnología no es del todo nueva, ya que las cocinas vitrocerámicas se introdujeron por primera vez en la década de 1970 utilizando encimeras de Corningware en lugar del material más duradero que se usa hoy en día. Estas encimeras lisas de primera generación presentaban problemas y solo podían utilizarse con utensilios de cocina de fondo plano, ya que el calentamiento era principalmente por conducción en lugar de radiación. ^{[ 15 ]}

En comparación con las cocinas convencionales, las placas vitrocerámicas son relativamente fáciles de limpiar debido a su superficie plana. Sin embargo, se rayan con mucha facilidad, por lo que se debe tener cuidado de no deslizar las ollas y sartenes sobre la superficie. Si se derrama algún alimento con alto contenido de azúcar (como mermelada), nunca se debe dejar secar sobre la superficie, ya que podría dañarse. ^{[ 16 ]}

Para obtener los mejores resultados y la máxima transferencia de calor, todos los utensilios de cocina deben tener el fondo plano y ser del mismo tamaño que la zona de cocción.

Algunas marcas conocidas de vitrocerámica son Pyroceram, Ceran , Eurokera, Zerodur y Macor . Nippon Electric Glass es un fabricante predominante a nivel mundial de vitrocerámica, cuyos productos relacionados en este ámbito 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 especial de vidrio cerámico con clasificación de seguridad contra incendios e impactos para su uso en aplicaciones con clasificación de fuego. ^{[ 17 ]} Los vidrios cerámicos fabricados en la Unión Soviética / Rusia se conocen con el nombre de Sitall . Macor es un material de vidrio cerámico blanco, inodoro y similar a la porcelana, desarrollado originalmente por Corning Inc. para minimizar la transferencia de calor durante los vuelos espaciales tripulados. ^{[ 18 ]} StellaShine , lanzado en 2016 por Nippon Electric Glass Co., es un material de vidrio cerámico resistente al calor con una resistencia al choque térmico de hasta 800 grados Celsius. ^{[ 19 ]} Este se desarrolló 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 Shenzhen, China, que produce materiales de vidrio cerámico y otras aplicaciones especiales de vidrio endurecido, como tanques de modificación de vaporizadores. ^{[ 20 ]}

El mismo tipo de material también se utiliza en los utensilios de cocina vitrocerámicos Visions y CorningWare, lo que permite llevarlos directamente del congelador a la estufa o al horno sin riesgo de choque térmico, manteniendo la apariencia transparente del vidrio. ^{[ 21 ]}

• Vidrio reforzado químicamente
• Intercambio iónico

• McMillan, PW (1974). "La fase vítrea en vitrocerámicas". Tecnología del vidrio . 15 (1): 5– 15.
• Bach, Hans; Krause, Dieter, eds. (2005). Cerámicas de vidrio de baja expansión térmica . Serie Schott sobre vidrio y cerámicas de vidrio. Bibcode : 2005lteg.book.....B . doi : 10.1007/3-540-28245-9 . ISBN 3-540-24111-6.
• Höland, Wolfram; Beall, George H. (2012). Tecnología vitrocerámica . doi : 10.1002/9781118265987 . ISBN 978-0-470-48787-7.
• Pinckney, LR (2001). «Cerámica de vidrio». Enciclopedia de materiales: ciencia y tecnología . págs. 3535–3540 . doi : 10.1016/B0-08-043152-6/00629-X . ISBN  978-0-08-043152-9.

Donald, IW (2016). La ciencia y la tecnología de los vidrios y vitrocerámicas, Sociedad de Tecnología del Vidrio, págs. 434.