Informe Materiales Ceramicos

“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN” FACULTAD DE INGENERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

MATERIALES CERÁMICOS INGENIERÍA DE MATERIALES

GRUPO “A”

PERTENECE A: -

CARI MENDOZA MARIA ISABEL. CHOQUE DUEÑAS MELISSA ALEJANDRA. CHUQUICALLATA CCAHUANA CAROLINA LIZETH. COLLANQUE YUCRA GERALD FRANKLEIN. DIAZ QUISPE YUDY MAGALY HUAMANI JORGE LUCIA ALEJANDRA. MINAYA FLORES CARLOS MANUEL NEYRA MORALES HECTOR MANUEL SALAZAR ORE ANA MARIA.

2017

INDICE

INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................................................3 LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS....................................................................4 LA ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS CRISTALINOS......................................................................8 IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CERÁMICAS CRISTALINAS ............................... 11 LA ESTRUCTURA DE LOS VIDRIOS CERÁMICOS .......................................................................... 13 FALLAS MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ......................................................... 16 DEFORMACIÓN DE LOS CERÁMICOS A ALTAS TEMPERATURAS ..............................................0 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS VIDRIOS CERÁMICOS .........................................3 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS VIDRIO-CERÁMICOS ...........................................5 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE PRODUCTOS DE ARCILLA .........................................8 APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA ARCILLA ...................................................................... 11 Arcillas comunes .............................................................................................................................. 11 Caolín................................................................................................................................................... 11 Bentonitas .......................................................................................................................................... 11 PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERÁMICOS AVANZADOS ...................................... 12 REFRACTARIOS ....................................................................................................................................... 17 OTROS MATERIALES CERÁMICOS Y SUS APLICACIONES ........................................................ 24

INTRODUCCIÓN El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, siendo en la realidad que las propiedades deseadas se alcanzan por tratamientos térmicos en alta temperatura denominada cocción. Históricamente, los cerámicos se cuentan entre los materiales más antiguos hechos por el Hombre. Si bien su invención data del Neolítico, el primer pueblo que desarrolló técnicas para elaborar la cerámica fue el Chino, pasando el conocimiento a Japón, la India, Medio Oriente, Egipto, Grecia y finalmente Europa. Estas civilizaciones, en contraposición a las culturas prehistóricas que simplemente dejaban secar las piezas de cerámicas al sol o junto a una fogata, fueron desarrollando métodos de cocción en hornos, lo que mejoró las prestaciones del material y sus bondades estéticas. Hace 40 años, los materiales más importantes de esta clase se llamaban “cerámicas tradicionales” cuya materia prima era la arcilla (como porcelana fría y eléctrica, ladrillos, baldosas, vidrios y cerámicas refractarias). Localmente, en diversos lugares del Perú se sigue elaborando la cerámica en las mismas zonas de hace siglos, pues las canteras de arcilla son las mismas; es por eso que se puede observar a la cerámica peruana como una actividad artística continua de más de tres mil años. La cerámica popular llega al grado de alfarería, por el grado de cocción con que se trabaja. Debemos señalar que la historia del Perú no se puede contar sin la cerámica, ya que en ella se registra y narra gran parte de nuestro pasado. Así, no es de extrañar que hoy la cerámica ocupe el segundo lugar en la producción artesanal después de la textilería. Luego de investigaciones acerca de las propiedades y fenómenos que ocurren en ellos, se alcanzado una nueva generación de estos materiales desenvolviéndose en grandes áreas de nuestra vida como las industrias electrónicas, informática, de telecomunicaciones además de una mayor aplicación en alfarería, construcción, utensilios de cocina. Los materiales cerámicos son materiales inorgánicas y no metálicos, la mayoría de ellos son compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces totalmente iónicos en algunos y en otros con enlace covalentes también.

LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Muchas estructuras cristalinas pueden ser pensadas que están compuestos por iones eléctricamente cargados en vez de átomos porque tienen parcialmente y totalmente enlaces iónicos. Las cerámicas están compuestas por dos o más elementos sus estructuras son generalmente más complejas que la de los metales. 1. ESTRUCTURAS CRISTALINAS Los iones que componen los materiales cerámicos presentan dos características: -El valor de las cargas eléctricas de los iones componentes: Debiendo estar eléctricamente neutras es decir las cargas positivas de los cationes deben estar equilibradas con las cargas negativas de los aniones. Ejemplo: (Ca2+) + 2(F-) = CaF2 -Los tamaños relativos de los cationes y aniones Puesto que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones, por tanto su relación del radio del catión y el radio del anión es menor a 1. Cada catión prefiere estar rodeado de tantos aniones sea posible mientras que los aniones solo necesitan una cantidad máxima de cationes. Las estructuras estables se forman cuando un catión está rodeado de aniones además de estar en contacto todo.

El número de coordinación o el número de aniones próximos rodean un catión está relacionado con el cociente de sus radios iónicos. En la siguiente tabla se muestra el valor crítico o mínimo de la relación de los radios con el número de correlación.

TABLA 1: Números y geometrías de coordinación para varios cocientes entre los radios del catión y el anión (rC/rA)

TABLA 2: Radios iónicos para varios cationes y aniones(para un numero de coordinación igual a 6)

1.1. Estructuras cristalinas tipo AX: Cuando el número de aniones y cationes es el mismo o Estructura del cloruro sódico (NaCl): La más común de este tipo. Numero de coordinación= 6 0.414< rC/rA<0.732 Materiales más comunes con similar estructura son MgO, MnS, LiF y FeO.

o Estructura del cloruro de cesio (ClCs) Numero de coordinación= 8 0.732< rC/rA<1

o Estructura del sulfuro de zinc(blenda) Denominada blenda o esfalerita Numero de coordinación= 4 0.225< rC/rA<0.414 Materiales más comunes con similar estructura son ZnS, ZnTe y SiC.

1.2. Estructuras cristalinas tipo AmXp: Cuando las cargas de los cationes y aniones no son iguales donde m y/o p son diferentes de 1 Ejemplo: La estructura fluorita CaF2 con un cociente de radios ionicos de 0.8 lo cual corresponde un numero de coordinación de 8. Materiales más comunes con similar estructura son UO2, PuO2 y ThO2.

1.3. Estructuras cristalinas tipo AmBnXp Cuando el compuesto cerámico tiene un tipo mas de catión, siendo A y B cationes Ejemplo El titanato de Bario (BaTiO3) pertenece a este grupo por tener Ba2+ y Ti4+.Este tiene la estructura cristalina de la perouskita. A temperaturas mayores a 120ºC su estructura es cubica

TABLA 3: Resumen de las estructuras cristalinas mas comunes de los materiales ceramicos

LA ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS CRISTALINOS Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígeno enlazados entre sí en varias distribuciones. También un gran número de formaciones naturales de tipo mineral, tales como arcillas, feldespatos y micas son silicatos. Debemos tener en cuenta que el silicio y el oxígeno son los dos elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre, de ahí que los silicatos se utilicen ampliamente en ingeniería por su bajo precio, disponibilidad, así como por sus propiedades especiales. Las estructuras de silicatos son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento portland y refractarios. En estas estructuras, los iones de las celdas unitarias ocupan sitios en la red que proporcionan la coordinación adecuada y aseguran que se obtenga el equilibrio adecuado de cargas. Un gran número de materiales cerámicos, poseen la estructura del cloruro de sodio. La estructura de la blenda de zinc es típica del ZnS, del BeO, y del SiC; en tanto que varios materiales cerámicos, incluyendo el CaF, el Th0, y el Ce0, tienen la estructura de la fluorita. La mayoría de los cerámicos, sin embargo, tienen estructuras cristalinas más complicadas. Algunos materiales cerámicos contienen enlaces covalentes. Un ejemplo es la forma cristobalita del SiO, o sílice, que es una materia prima importante para los productos cerámicos (figura1.1), La disposición de los átomos en la celda unitaria proporciona la coordinación adecuada, equilibra la carga y, además, asegura que no se viole la direccionalidad de los enlaces covalentes.

FIGURA1.1 Estructura cristalina de la cristobalita, una de las formas del Si02.

En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan cuatro vecinos cercanos (cuatro átomos de oxígeno), creando así una estructura tetraédrica. Los tetraedros de silicio-oxígeno son las unidades estructurales fundamentales del sílice, de las arcillas y de silicatos vítreos. Los tetraedros de sílice, se comportan como grupos iónicos; los iones de oxígeno en las esquinas de los tetraedros son atraídos por otros iones o también, uno o más iones de oxígeno pueden ser compartidos por dos grupos tetraédricos, a fin de satisfacer el equilibrio de cargas. Ya que cada oxígeno del tetraedro del silicato tiene un electrón disponible para el enlace, se pueden producir muchas estructuras diferentes de silicatos. Se producen estructuras de silicatos aislados o discretos cuando se enlazan iones positivos, por ejemplo Fe2+, Mg2+ y

Ca2+ con los oxígenos del tetraedro de SiO44-, para formar unidades de mineral olivino que tiene la composición química básica (MgFe)2SiO4. Si dos vértices de cada tetraedro de SiO44- se enlazan con los vértices de otros tetraedros, resulta una estructura en cadena o en anillo, con la fórmula química unidad SiO32-, figura 1.2. El mineral (MgSiO3) tiene una estructura en forma de cadena y el mineral berilo [Be3Al2(SiO3)6] tiene una estructura de silicato en forma de anillo.

Figura 1.2. Estructura de silicatos: a) en forma de cadena, espodumeno, y, b) en anillo, esmeralda.

Las estructuras laminares de silicato se forman cuando tres vértices en el mismo plano de un tetraedro de silicato de enlazan a los vértices de otros tres tetraedros de silicato. Esta estructura tiene como fórmula unitaria Si2O52-. Estos silicatos laminares pueden combinarse con otros tipos de estructuras laminares, al tener todavía un oxígeno libre. La caolinita, una arcilla común, figura 1.2a, está compuesta de una lámina de silicato enlazada iónicamente a una lámina compuesta de Al2(OH)42+, produciendo delgadas placas de arcilla con una composición final Al2Si2O5(OH)4. La montmorillonita, o sea Al2(Si2O5)2(OH)2, figura 1.2b, contiene dos láminas de silicato emparedando a una capa central de Al2(OH)42+. Estas capas están unidas entre sí por débiles enlaces de Van der Waals.

Figura 1.3. Estructura laminar de los silicatos: a) caolinita, b) montmorillonita.

Finalmente, cuando se comparten los cuatro vértices del tetraedro, se obtiene la sílice, o SiO2. Este material puede existir en varias formas alotrópicas, ya que al incrementar la temperatura la sílice, cuarzo , pasa a cuarzo , y posteriormente se transforma en tridimita , cristobalita , y finalmente a cuarzo líquido. El diagrama de equilibrio presión-temperatura de la figura 1.4 muestra las formas estables de la sílice.

Figura 1.4. Diagrama de fases presión-temperatura para el SiO2.

La transformación de cuarzo a cuarzo es una transformación similar a la reacción martensítica; el cuarzo cambia rápidamente de estructura cristalina pero genera una ligera distorsión en la red que implica a los diferentes átomos vecinos, tal como se indica en la figura 1.5. Transformaciones similares suceden entre las diferentes formas de tridimita y cristobalita. Durante estas transformaciones de fases suceden cambios bruscos en las dimensiones de los cristales, sobre todo en la transformación del cuarzo al , que producen unas fuertes tensiones internas que llegan incluso al agrietamiento del material, de ahí el especial cuidado en la velocidad a la que se producen estos cambios volumínicos. La importancia que, en la ingeniería y construcción, tienen estos materiales, hace que estudiemos por separados cada uno de los grandes grupos en los que se puede clasificar: cemento como constituyente de los hormigones y morteros, los vidrios tanto de sílice como modificados, y los materiales silicoaluminosos refractarios y para construcción.

Figura 1.5. Transformación por desplazamiento en el cuarzo.

IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CERÁMICAS CRISTALINAS En lo que se refiere a propiedades físicas, como la conductividad eléctrica, los defectos puntuales son de especial importancia. Las propiedades mecánicas están determinadas por superficies, incluyendo bordes de grano, superficies de partícula y poros. Dislocaciones En algunos materiales cerámicos, se observan dislocaciones. Sin embargo, éstas no se mueven con facilidad, debido a un vector de Burgers grande, a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamiento, y a la necesidad de romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse frente a los de carga opuesta. Debido a que no ocurre deslizamiento las grietas no se redondean por la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y, en consecuencia, su propagación continúa. El material cerámico es frágil. Aunque las dislocaciones se mueven con mayor facilidad a temperaturas elevadas, es más probable que ocurra deformación mediante mecanismos como el deslizamiento de bordes de grano y el flujo viscoso de las fases vítreas. Figura 1.6 dislocaciones

Defectos superficiales Los límites de grano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. Típicamente, los cerámicos con un grano de tamaño fino tienen mayor resistencia que los cerámicos de grano más grueso. Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la expansión y la contracción anisotrópica. Normalmente, se produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas. Las superficies de las partículas, que representan planos de uniones covalentes o iónicas rotas y no satisfechas son reactivas. Las moléculas gaseosas, por ejemplo, pueden ser absorbidas en la superficie para reducir la energía superficial Figura 1.7. En los depósitos de arcilla, iones distintos al material pueden ser atraídos hacia la superficie de la plaqueta alterando su composición, sus propiedades y la conformabilidad de la arcilla y de sus productos.

Figura 1.7 defectos superficiales

Porosidad: Los poros pueden ser considerados como un tipo especial de defecto superficial Figura 1.8. En un material cerámico los poros pueden estar interconectados o bien cerrados. La porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad, es decir, la facilidad con la cual pasan gases y otros fluidos a través del componente cerámico.

Figura 1.8 porosidad

LA ESTRUCTURA DE LOS VIDRIOS CERÁMICOS Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones. También un número de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre. Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades especiales. Las estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento portland, ladrillos y aislantes eléctricos. Los vidrios son materiales que durante el proceso de enfriamiento rigidizan sin formar una estructura cristalina. En cierta forma, el vidrio se asemeja a un líquido subenfriado. Una de sus características es que tiene una estructura no cristalina o amorfa, en la que los átomos que los constituyen no están colocados en un orden repetitivo de largo alcance como existe en un sólido cristalino. en un vidrio, las estructuras de corto alcance cambian su orientación de una manera aleatoria en todo el sólido, tal como muestra la figura

Figura: Representación esquemática de: a) Fase cristalina ideal de la cristobalita, en la que los tetraedros de sílice exhiben un orden de largo alcance, y b) un vidrio de sílice corriente.

Vidrios de silicato:

Están basados en el óxido de silicio, sio2, como formador de vidrio. La unidad fundamental en los vidrios de sílice es el tetraedro sio4 4- , en donde un átomo (ion) de silicio (si4+) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxígeno. A la extensión continua y propagación tridimensional de sus unidades tetraédricas, unidas entre sí por los cuatro vértices, debe la sílice vítrea: -

sus buenas características mecánicas -su bajo coeficiente de dilatación térmica su elevada resistencia química.

Por esas cualidades, entre otras, serían los vidrios de sílice pura los más deseables para muchas aplicaciones la principal limitación práctica que presentan es su elevado punto de fusión y su gran viscosidad, por lo que requerirían temperaturas de elaboración hoy por hoy inalcanzables en las condiciones habituales de fabricación La adición de óxidos modificadores a la sílice determina roturas parciales de la red que -

Debilitan su cohesión, Disminuyen su estabilidad y consecuentemente Rebajan su temperatura de reblandecimiento

Se crean dos oxígenos no puente que, a su vez, se unen a un solo átomo de silicio, en lugar de a dos como los demás, constituyendo puntos de discontinuidad reticular. La carga negativa libre de cada oxígeno no puente se neutraliza con la positiva del catión modificador. Por su parte, los cationes modificadores tenderán a rodearse, en el interior de los huecos donde se alojen, de tantos oxígenos como determinen sus exigencias de coordinación. Cuanto mayor sea la proporción de óxido alcalino incorporado, mayor será el número de puntos de rotura y más se debilitará la red. Ello se manifiesta: - en una disminución de la temperatura de reblandecimiento - en un debilitamiento de la rigidez mecánica - en un aumento del coeficiente de dilatación térmica - en un empeoramiento de la resistencia al choque térmico - en un mayor riesgo de desvitrificación. Un importante papel en la estructura de los vidrios de silicato es el que desempeña el Al2O3, incluso incorporado en cantidades relativamente pequeñas el ion Al3+ puede adoptar, de acuerdo con su radio iónico, la función de modificador de red en coordinación octaédrica, siempre que exista un número suficientemente elevado de oxígenos no puente o, lo que es lo mismo, una elevada proporción de iones modificadores. La adición de óxidos alcalinos a los vidrios de silicato da como resultado la formación de oxígenos no puente (nbo) El examen de la tendencia de las propiedades de los vidrios de silicato frente a las de los vidrios de borato, sugiere que ese no es el caso de los vidrios de borato a los que se añaden óxidos alcalinos

Así, pequeña adición de óxidos alcalinos a la sílice causa una disminución de la temperatura de transición vítrea, mientras que con adiciones similares a los vidrios de borato se produce un aumento de la temperatura de transición vítrea. Recíprocamente, pequeñas adiciones óxidos alcalinos a la sílice da lugar a un aumento del valor del coeficiente expansión térmica y adiciones similares a los vidrios de borato causa una disminución de dicho coeficiente.

VIDRIO DE BOROSILICATO-ALCALI El vidrio de Boro silicato es un material que se fabrica mediante la sustitución de grandes cantidades de álcali, con óxido de boro. Siendo la materia prima el bórax (Tetrabotrato sódico). Estos vidrios duros tienen coeficientes de dilatación menores y puntos de reblandecimiento más elevados. La adición de óxido de boro a los vidrios de silicato da como resultado:   

Mejora la durabilidad de forma significativa reduce el coeficiente de expansión térmica Aumenta la temperatura de transición vítrea

FALLAS MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Los materiales cerámicos son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico o covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace), este hecho supone una gran limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes del grano. La falla mecánica de los materiales cerámicos se presenta principalmente por defectos estructurales. Las principales fuentes de fractura en policristales cerámicos son las grietas superficiales producidas durante el acabado superficial, los huecos (porosidad), las inclusiones y los granos grandes que se forman durante el procesamiento. Los materiales cerámicos pueden fracturarse de dos formas básicas: — Fractura frágil — Fractura por fatiga estática.  FRACTURA FRÁGIL La fractura frágil es catastrófica y se produce generalmente a bajas temperaturas cuando la tensión aplicada sobre el material excede un valor crítico. A temperaturas más altas e incluso a temperatura ambiente, cuando el material se encuentra en un medio corrosivo, la fractura se puede producir para tensiones inferiores a la crítica debido al fenómeno denominado crecimiento subcrítico de grietas. El proceso de fractura frágil consiste en la formación y propagación de fisuras a través de la seccion de un material en una dirección perpendicular a la carga aplicada. El crecimiento de grietas normalmente ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos, los cuales son de alta densidad atómica. Cualquier grieta o imperfección limita la capacidad de un producto cerámico para resistir un esfuerzo a tensión. Esto es debido a que una grieta (a veces conocida como defecto de Griffith) concentra y amplifica el esfuerzo aplicado. La aproximación de Griffith (1920) propone que la inestabilidad de una grieta tiene lugar cuando la energía potencial mecánica liberada al extenderse es superior a la energía absorbida durante la extensión, es decir, la energía potencial del sistema disminuye a medida que se propaga la grieta. Griffith ideó un modelo para la propagación de grietas en términos de un proceso termodinámico reversible basándose en el concepto de que todo sistema estático tiende al equilibrio buscando la situación de mínima energía libre. Griffith planteó una teoría que explica la fractura de los materiales frágiles.

Diagrama esquemático del defecto de Griffith en un cerámico.

Griffith dedujo que el esfuerzo real en el extremo de la grieta se puede estimar así: 𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 ≈ 2𝜎√𝑎⁄𝑟

Para grietas finas (r pequeño) o largas (a grandes), la relación a/r aumenta, incrementando el esfuerzo real aplicado en la punta de la grieta. Si el esfuerzo real, amplificado por la grieta, excede la resistencia del material, la grieta puede crecer y causar fractura. Esto puede darse aun cuando el esfuerzo nominal aplicado sea pequeño. Se sabe que para que la grieta crezca espontáneamente, se requiere que la energía elástica liberada al romperse los enlaces químicos entre sus átomos sea igual o mayor que la energía requerida para formar la superficie de la grieta. Griffith desarrolló un criterio para la propagación de una grieta elíptica en un material elástico haciendo un balance de energía entre la energía elástica de los enlaces y la energía requerida para formar superficie nueva. El demostró que el esfuerzo crítico requerido para hacer que una grieta crezca espontáneamente en un material frágil se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: 2𝐸𝛾 𝜎𝑐 = √ 𝜋𝑎 Donde: 𝜎𝑐 = esfuerzo requerido para que la grieta cause la fractura del material. E = módulo de elasticidad del material. 𝛾= energía de superficie específica o tensión superficial. a = mitad de la longitud de una grieta interna, o longitud total de una grieta superficial.

A partir de este modelo se concluye que la resistencia en tensión de un material cerámico depende del tamaño (a y r) de los defectos que posea. En los cerámicos existe una dispersión considerable de defectos, es decir, existen muchos defectos de tamaño diferente. Estos defectos son generados durante la etapa de fabricación del material. Por esta razón, la resistencia a la fractura de estos materiales tiene valores dispersos. Esto significa que piezas fabricadas con el mismo material cerámico pueden fallar a valores diferentes fuerzas aplicadas.

 MECÁNICA ESTADÍSTICA DE FRACTURA La mecánica estadística de fractura o resistencia probabilística de materiales nació del hecho de que en los cuerpos frágiles, el fenómeno de fractura presenta un alto grado de dispersión. Para este hecho experimental Weibull desarrolló en 1939 la teoría estadística de fractura, teniendo en cuenta, que en diferentes muestras de un mismo material, preexisten grietas distribuidas aleatoriamente en orientación, tamaño y número. Para un esfuerzo dado existe una cierta probabilidad de que una de tales grietas sea crítica, se propague de forma catastrófica y se rompa el material. El origen de la fractura no proviene necesariamente de la zona sometida a mayor tensión, sino que depende del nivel de tensión, del tamaño, orientación y número de grietas. Por este motivo, una misma estructura (una probeta) puede romperse bajo diferentes cargas. Weibull determinó la probabilidad acumulativa de fractura para un material frágil sometido a un estado uniaxial variable de tensiones. Pero, estadísticamente hablando ¿en qué se diferencia un material frágil de un cuasi-frágil? Supongamos un cuerpo de volumen V, sometido a un ensayo de tracción uniaxial, y sea N el número de grietas preexistentes distribuidas aleatoriamente en V y n el número de grietas que al propagarse en una región de V hacen que el cuerpo se rompa catastróficamente. Esa región de V se denomina volumen crítico. Ve. Si el número de grietas es uno y el volumen crítico coincide con el volumen del cuerpo, se trata de un material frágil puro, es decir, son materiales frágiles puros aquéllos en los cuales basta la propagación de una única grieta para que éste se fracture catastróficamente y aquellos cuerpos frágiles que necesitan de la propagación de numerosas grietas, para fracturarse, se denominan cuasi-frágiles. Para describir la fractura de una cerámica, se utiliza la distribución de probabilidad acumulada de Weibull. Dicha distribución responde a la siguiente ecuación: 𝜎 𝐹 = 1 − exp⁡{−𝑉𝑒( )𝑚 } 𝜎0 F: Probabilidad de la fractura de un material Si: F=0, no hay fractura. F=1, hay fractura. VE = Volumen efectivo. Es el volumen equivalente al que debería someterse una muestra del material en tensión, para que falle de manera similar a la muestra en flexión. 𝜎 = esfuerzo en tensión aplicado sobre el material. 𝜎0 = esfuerzo característico. Es una propiedad del material sin un significado físico concreto. Simplemente define que tan elevados o bajos son los valores de la distribución de esfuerzos. Se define como el esfuerzo uniforme para el cual la probabilidad de falla es 0.6321. Sus unidades son (esfuerzo) (volumen) 1/m

 METODOS PARA MEJORAR LA TENACIDAD Los materiales cerámicos, tal como se ha visto, debido a su combinación de enlaces iónicocovalentes, tienen inherentemente una baja tenacidad. Utilizando proceso industriales bastante sofisticados, como la presión isostática en caliente, se han conseguido cerámicos con una mayor tenacidad. Es posible la realización de ensayos de fractura, como los estudiados en la unidad 2, con muestras de materiales cerámicos para determinar valores del factor de intensidad de tensiones KIC de modo similar al ensayo de tenacidad a la fractura en metales. La ecuación que representa la tenacidad a la fractura se expresa como:

𝐾𝑖𝑐 = 𝑌𝜎√𝜋𝑎 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.

Que relaciona valores KIC de tenacidad a la fractura con los esfuerzos, s, y las dimensiones de grieta, a. Uno de los mecanismos aplicados recientemente para aumentar la tenacidad de los materiales cerámicos es la transformación de fases. En concreto, debido a los mecanismos de transformación de fases de la circonia combinada con algún otro óxido refractario, como CaO, MgO e Y2O3, resulta un tipo de material cerámico con una resistencia a la fractura excepcionalmente alta. La circonia pura, ZrO2, existe en tres estructuras cristalinas diferentes: monoclínica, desde temperatura ambiente hasta 1170°C, tetragonal de 1170 a 2370°C y cúbica por encima de los 2370°C. La transformación de ZrO2 de estructura tetragonal a monoclínica, es de tipo martensítico ya que puede inhibirse por enfriamiento rápido. Además, esta transformación se acompaña de un incremento de volumen de alrededor del 9%, y por ello es imposible fabricar artículos de circonia pura. Sin embargo, por la adición de alrededor de un 10% de otros óxidos, la forma cúbica de la circonia se estabiliza, gracias a lo cual puede existir a temperatura ambiente en estado metaestable, y se pueden fabricar artículos en este tipo de material. La forma de ZrO2 cúbica combinada con óxidos estabilizantes, gracias a los cuales retiene la estructura cúbica a temperatura ambiente se denomina circonia completamente estabilizada, SZ. La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la derecha de la ecuación sea menor de que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material. 𝐾𝑖𝑐 ⁡𝑒𝑛⁡𝑐𝑒𝑟à𝑚𝑖𝑐𝑜𝑠⁡⁡10

𝑀𝑃𝑎 < 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑚2

Los mecanismos que hacen aumentar la tenacidad de estos materiales son, principalmente, tres: 1. Desviación de la grieta. Encontrado el refuerzo, la grieta es desviada, haciendo su camino de propagación más sinuoso. De esta manera se incrementa el nivel de esfuerzo necesario para propagar la grieta. 2. Rotura de la fibra. Las fibras siguen manteniendo el material unido hasta que un incremento de la carga produce la rotura de las mismas y permite que la grieta prosiga 3. Extracción de las fibras. La fricción originada por las fibras que están siendo arrancadas de la matriz agrietada absorbe energía y así tendrán que aplicarse esfuerzos más altos para producir un agrietamiento posterior. Por lo tanto resulta de enorme importancia contar con una interfase fibra-matriz adecuada para absorber energía mediante este mecanismo.

DEFORMACIÓN DE LOS CERÁMICOS A ALTAS TEMPERATURAS Las propiedades mecánicas superiores de los refractarios están relacionadas con la deformación inelástica (o flexibilidad) otorgada por la presencia de grafito .Este comportamiento le permite al ladrillo acomodar el esfuerzo aplicado mediante cierta ‘fluencia’, incrementando la deformación de fractura. Las curvas esfuerzo-deformación son una fuente adecuada para acceder a esta información y pueden ser obtenidas en diferentes condiciones de temperatura y atmósfera. El uso de ladrillos refractarios Al2 O3 -MgO-C (AMC) en las plantas siderúrgicas mantiene niveles elevados de consumo debido a sus excelentes propiedades en relación a las condiciones de uso (elevadas resistencias al ‘spalling’ térmico y al ataque de escorias y excelentes propiedades mecánicas en caliente) . Sin embargo, las condiciones en servicio cada vez más severas (altas temperaturas, entornos químicamente muy agresivos y solicitación mecánicas) conducen inevitablemente a la degradación de estos refractarios. Por esta razón, y con el objetivo de evaluar el desempeño en servicio y establecer criterios de diseño del material, el conocimiento de las propiedades mecánicas a alta temperatura es indispensable. La mejora de estos refractarios tiene como consecuencia el aumento de su vida útil y la disminución de costos e impacto medioambiental. Además a bajas temperaturas las dislocaciones de los cerámicos no se mueven y no se observan las deformaciones plásticas significativas. A medida que se aumenta la temperatura los flujos viscosos y el deslizamiento de bordes de grano se vuelven mecanismos importantes para la deformación. El flujo viscoso está presente en los vidrios y cerámicos tienen una mezcla de fases vítrea y cristalina, mientas que el deslizamiento de bordes de grano se dan principalmente en cerámicos cristalinos.

Flujo viscoso del vidrio El comportamiento del flujo viscoso gobierna la fusion, la homogenizacion el afinado, operaciones como (prensado,colado,soplado,etc). La viscodidad refleja la resistencia intrinseca a las transacciones de los atomos o moleculas en el liquido, y para liquidos buenos formadores de vidrios.

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Termofluencia en los ceramicos Es necesario saber que una deformacion a una alta temperatura se denomina termofluencia. Un ensayo de termofluencia es cuando aplicamos un esfuerzo a un material que se encuentra a una temperatura elevada, este puede estirarse y finalmente fallar, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que el del esfuerzo de cedencia a dicha temperatura.

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PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS VIDRIOS CERÁMICOS Los materiales cerámicos pueden clasificarse, según sus aplicaciones, en uno de los grupos siguientes: vidrios, productos estructurales de arcilla, porcelanas, refractarios, abrasivos, cementos y cerámicas avanzadas de reciente desarrollo. Los vidrios forman un grupo familiar de cerámicas; las aplicaciones típicas son recipientes, ventanas, lentes y fibra de vidrio. Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos, principalmente CaO, Na2O, K2O y Al2O3, los cuales influyen en las propiedades del vidrio.

La mayoría de los vidrios inorgánicos pueden transformarse desde un estado no cristalino a un estado cristalino por el propio tratamiento a temperatura elevada. Este proceso, denominado desvitrificación, es ordinariamente evitado ya que el vidrio desvitrificado, siendo policristalino, no es transparente. También pueden originarse tensiones como resultado de los cambios de volumen que acompañan a las transformaciones, resultando un producto relativamente débil. Sin embargo, en algunos vidrios esta transformación de desvitrificación puede ser controlada hasta el punto de que puede producirse un material de grano muy pequeño el cual esté libre de estas tensiones residuales; esto se denomina a menudo una vitrocerámica. Un agente nucleante (frecuentemente dióxido de titanio) debe ser añadido para inducir el proceso de cristalización o desvitrificación. Las características deseables de las cerámicas vítreas incluyen un coeficiente de dilatación térmica pequeño, de manera que la pieza de cerámica vítrea no experimente choque térmico; además se pueden conseguir resistencias mecánicas y conductividades térmicas relativamente altas. Posiblemente uno de los atributos más atractivos de esta clase de materiales es la facilidad con que pueden ser fabricados; las técnicas tradicionales de conformación de vidrios pueden ser utilizadas convenientemente en la producción en masa de piezas prácticamente libres de poros. Las cerámicas vítreas son elaboradas comercialmente con nombres comerciales como Pyroceram, Cer-Vit y Hercuvit. Las aplicaciones más comunes de estos materiales son en artículos de cocina para utilizar en hornos debido a su excelente resistencia al choque térmico y a su alta conductividad térmica. También sirven como aisladores y como sustratos para placas de circuitos integrados.

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CLASIFICACIÓN SEGÚN COMPOSICIÓN QUÍMICA

TIPO

CARACTERÍSTICA –

 Más común y menos costoso  Los vidrios planos son de este tipo

Plomado (comúnmente llamado cristal plomado)

Se utiliza óxido de plomo en lugar de óxido de calcio.

Borosilicato

Cualquier vidrio silicato que contenga al menos 5% de óxido bórico

Soda Cálcico

USOS  Envases  Ventanas

 Decoración  Vasos  Aplicaciones eléctricas  Tubo de los termómetros  Pantalla de radiación (35% contenido en plomo)  Industria química  Industria farmacéutica  Como fibra de vidrio  Planchas eléctricas y fuentes para hornos

PROPIEDADES  Elevada capacidad de transmisión de la luz  Superficie suave y no porosa (fácil limpiable)  No contamina  Alta expansión térmica  El óxido de plomo baja la temperatura de fusión y la dureza y eleva el índice de refracción  Aislante eléctrico.

Mayor resistencia a los cambios térmicos y a la corrosión química.

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PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE LOS VIDRIO-CERÁMICOS

PROCESO DE FABRICACIÓN:

 Un proceso típico incluye varias etapas, para asegurar la producción de la estructura correcta en un tiempo total corto.

 El material es fundido y formado a temperaturas elevadas y después a menudo enfriado hasta temperatura ambiental, a la cual se pueden llevar a cabo pasos adicionales del procesado. El material, en este punto, puede ser ampliamente homogéneo o puede contener dominios de fases separadas o cristales muy pequeños de la fase nucleante.  Es importante asegurarse de que no ocurra cristalización durante el enfriamiento desde la temperatura de conformado. Se puede utilizar un diagrama de transformación de enfriamiento continuo, muy parecido al diagrama CCT de los aceros:

 El enfriamiento debe ser rápido para evitar la iniciación de la cristalización.

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 Si el vidrio se enfría demasiado despacio, se cruzará una línea de transformación, empezará la nucleación y el crecimiento de cristales, pero de manera no controlada. La adición al vidrio de óxidos modificadores, de manera muy similar a la adición de elementos de aleación en el acero, traslada la curva de transformación hacia mayores tiempos, evitando la desvitrificación incluso a bajas velocidades de enfriamiento.  La muestra se calienta entonces a una tasa limitada para evitar el “shock” térmico hasta una temperatura estable a la cual se efectúa la nucleación de las fases principales. La muestra típicamente se mantiene a esta temperatura de nucleación de una a dos horas. La escala de los núcleos formados inicialmente se encuentra en el rango de 30 a 70 ángstrom.  Sin embargo, una vez que la nucleación haya ocurrido, la proporción general de cristalización dependerá de la velocidad de crecimiento de los cristales; se requieren mayores temperaturas para incrementar al máximo la velocidad de crecimiento:



La velocidad de nucleación de los precipitados es alta a bajas temperaturas, en tanto que la velocidad de crecimiento de los precipitados aumenta a temperaturas mayores.

 La temperatura máxima para el crecimiento cristalino se escoge generalmente para maximizar la cinética del crecimiento cristalino, sujeta a las restricciones que proporcionan la combinación deseada de fases y el evitar la deformación de la muestra, transformaciones no deseadas en las fases cristalinas o redisolución de alguna de las fases.

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 Esta temperatura y el tiempo a los que se mantiene nuestra muestra dependen del sistema y de la composición, así como de las fases y propiedades deseadas en el material final.  La etapa de baja temperatura proporciona las condiciones para la nucleación y la etapa de alta temperatura acelera la velocidad de crecimiento de los cristales. En muchos casos la fracción cristalizada excede el 90 % y frecuentemente también el 98 %. El tamaño final de grano está típicamente en el rango de 0.1 a 1 micra. Esto es considerablemente más pequeño que el tamaño de grano de las cerámicas convencionales.  Las fracciones de volumen de las diferentes fases, tanto cristalinas como vítreas, en una vitrocerámica están determinadas por la composición del vidrio inicial, la estequiometria de las fases cristalinas y las temperaturas y tiempos del tratamiento de cristalización.

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PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE PRODUCTOS DE ARCILLA

El proceso inicia primeramente al extraer la arcilla se pasa por un proceso de molienda para que se disminuya su Tamayo , reduciéndolo a partículas más pequeñas y leves, en caso de que contenga varios componentes se hacen mezclas para que se haga resistente y pueda soportar el transporte a la fábrica . Se pueden utilizar dos técnicas de conformado para obtener los productos de arcilla: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.

a) Conformación hidroplástica: La arcilla al mezclarse con agua adquiere propiedades plásticas que los hacen muy moldeables y flexibles, pero esta debe ser resistente para que mantenga su forma. La forma más de común de obtener conformación hidroplástica es por extrusión, que consiste en forzar a la masa a pasar por un orificio de la geometría de sección deseada, la masa pasa a través de este por un husillo en forma de espiral accionado por un motor, a parte se elimina el aire en una cámara para que nuestra masa obtenga más densidad y sea compacta al ser trasladado y llevado a la máquina de cocción.

Arcilla

Máquina de extrusión de la arcilla

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b) Moldeo en Barbotina: Otro proceso para la conformación de productos de arcilla es el moldeo en barbotina. La barbotina es la suspensión de arcilla con otros materiales no plásticos en agua. Se coloca la arcilla en un molde poroso (mayormente yeso) el agua de suspensión es absorbida y dejando así el molde más sólido y con un espesor deseado. Mientras la pieza se vaya secando, esta se contrae y separa lentamente del molde, y es justo en este instante que el molde puede ser demontado y retirar la pieza. La naturaleza de la suspensión es muy importante ya que se debe contar con un alto peso específico y la vez debe ser muy fluidas y colable. Además la velocidad del moldeo debe ser alta, la pieza a ser moldeada debe de estar libre de burbujas (las cuales se presentan cuando tienen presencia de aire en su interior), presentar poca contracción y alta resistencia a la tracción en el proceso. Un factor influyente en la calidad de moldeo son las propiedades del molde, usualmente se utiliza el yeso que es un material económico y además es reutilizable. Algunos ejemplos son las cerámicas de sanitaria, objetos de arte y piezas de laboratorio como tubos cerámicos.

Moldeado de arcilla por barbotina

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SECADO Y COCIDO: Los materiales que hayan sido conformados hidropáticasmente o por moldeo en barbotina retienen mucha porosidad y su resistencia es insuficiente para las aplicaciones plásticas. Pará esto se realiza un secado y cocido a altas temperaturas las cuales aumentan la densidad y resistencia de la pieza. Si la pieza ha sido secada mas no cocido se denomina cuerpo verde. Este proceso puede ocasionar imperfecciones tales como rajadaduras, distorsiones o grietas por la mala uniformidad de la tracción. En el proceso de secado se puede observar el proceso de contracción, a medida que progresa el secado se elimina el agua. Una vez realizado el secado se procede a la cocción que mayormente se hace a temperaturas entre los 900 y 1400 °C, esta temperatura depende de las propiedades y composición deseadas de la pieza final. La arcilla al aplicársele la cocción sufre cambios complejos, uno de ellos es la vitrificación, mientras mayor sea el grado de vitrificación se obtendrá mejores resistencia, durabilidad y densidad.

Horno de cocción de la arcilla

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APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA ARCILLA La arcilla tiene diferentes aplicaciones industriales. A continuación se presentan las más importantes:

Arcillas comunes Este tipo de arcillas suele utilizarse, sobre todo, en la industria de la construcción como materia prima para la producción de ladrillos, lozas, tejas o baldosas.

Caolín El caolín es un tipo de arcilla de alta pureza, caracterizada por su color blanco. Las principales aplicaciones del caolín en la industria incluyen la fabricación de papel dándole a éste su acabado, en la producción de cerámicas, en la producción de pinturas se le utiliza como carga. También es utilizado como carga en la producción de productos agrícolas como pesticidas y abonos. En las industrias farmacéutica y cosmética el caolín es utilizado como activo en absorbentes estomacales y como elemento inerte en la fabricación de cosméticos, respectivamente.

Bentonitas Las bentonitas pertenecen a un tipo de arcilla de grano sumamente fino. Podría decirse que es el tipo de arcilla con mayor número de aplicaciones industriales, mismas que incluyen: - Producción de aromatizantes. - Material sellador en la industria de la construcción. - Fabricación de grasas para lubricación. - Producción de lodos de perforación para la industria petrolera. - En la producción vinícola se utiliza como clarificador.

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PROCESAMIENTO Y APLICACIONES DE CERÁMICOS AVANZADOS DEFINICION Son aquellos materiales que combinan las características y las ventajas de la cerámica tradicional, por ejemplo, inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de soportar una tensión mecánica significativa. Como toda cerámica, están formados por compuestos inorgánicos y no metálicos; además, a menudo son mezclas de varios componentes y/o materiales de fase múltiple que tienen estructuras cristalinas complejas. Estos materiales se realizan generalmente para ser completamente densos y para tener tolerancias dimensionales ajustadas. Además de ser diseñados soportar niveles substancialmente más altos de la tensión mecánica y térmica, hay otras características importantes que hacen a la cerámica estructural avanzada diferente de las cerámicas tradicionales. Los polvos, las composiciones, el procesado, y microestructura que resulta se deben controlar cuidadosamente para proporcionar los niveles requeridos del funcionamiento. Por lo tanto, la cerámica estructural avanzada es más costosa que cerámica tradicional. La mayoría de la cerámica estructural avanzada bajo desarrollo se basa hoy en el nitruro de silicio, Si3N4; carburo del silicio, SiC; zirconia, ZrO2; o alúmina, Al2O3. Además, materiales tales como diborato de titanio TiB2; nitruro de aluminio, AlN; oxinitrato de aluminio de silicio, SiAlON; y algunos otros carburos y nitruros de cerámica se clasifican a menudo como cerámicas avanzadas o de alta tecnología debido a los métodos de procesado o usos. Los compuestos de matriz cerámica también están aumentando sus aplicaciones como cerámica estructural avanzada. El nitruro de silicio, el carburo del silicio, y las zirconias monolíticas representan una familia de materiales más bien que un solo compuesto. Una amplia gama de microestructuras y las características se puede adaptar dentro de cada familia, con modificaciones de las composiciones o procesado, para optimizar el funcionamiento de los materiales para usos específicos. En contraste con las cerámicas tradicionales, las cuales se basan principalmente en los silicatos, las cerámicas técnicas, avanzadas o de ingeniería, están constituidas principalmente de compuestos puros o casi puros; principalmente de óxidos, carburos o nitruros. Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina, Al2O3, nitruro de silicio, Si3N4, carburo de silicio SiC, y circonia, ZrO2 combinados con algunos óxidos refractarios. Las temperaturas de fusión y las propiedades mecánicas de estos materiales se muestran en la tabla.

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PROCESAMIENTO COMPRESIÓN Y SINTERIZADO

Muchos de los cerámicos más avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su compactación, y se prensa para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sinteriza para que se desarrolle la microestructura y propiedades requeridas. No se desea la verificación y en vez de ello se consigue la resistencia destacada mediante la difusión. Durante el sinterizado, primero los iones se difunden a lo largo de los bordes y superficies de grano, hacia los puntos de contacto entre partículas, generando puentes y conexiones entre granos individuales. Una difusión adicional de los bordes de grano reduce los poros, incrementando la densidad y, al mismo tiempo, los poros se hacen más redondos, particularmente más finas y temperaturas más altas aceleran la velocidad de reducción de poros. Incluso después de largos tiempos de sinterizado todavía podría quedar porosidad en la pieza cerámica y la probabilidad de falla puede ser muy alta. Es posible agregar aditivos a las materias primas para facilitar el desarrollo de una máxima densidad. Sin embargo, estos aditivos del sinterizado típicamente realizan lo anterior introduciendo una fase vítrea de bajo punto de fusión. Aunque se consigue minimizar la porosidad, otras propiedades, como la resistencia a la termofluencia, se deterioran. En algunos casos, particularmente en cerámicos avanzados, el conformado por compactación de polvos se efectúa a altas temperaturas, mediante prensas calientes o por compresión isostática en caliente (HIP). En el proceso HIP, los polvos se sellan en recipientes metálicos o de vidrio; entonces se calientan y compactan simultáneamente en un recipiente de gas inerte a presión. Este proceso permite utilizar menos lubricante y proporciona por lo menos algo de sinterizado simultaneo, resultando en partes con baja porosidad y con propiedades mecánicas deseables. Una diferencia importante entre los cerámicos y los metales típicos es que, una vez terminado el sinterizado y fabricado el componente cerámico, su microestructura queda fija. UNION POR REACCION

Algunos materiales cerámicos, como el Si3N4, se producen mediante unión por reacción. El silicio se conforma y a continuación se le hace reaccionar con nitrógeno para formar el nitruro. La unión por reacción, que se puede efectuar a temperaturas más bajas proporciona un mejor control

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dimensional, en comparación con la compresión en caliente. Sin embargo, se obtiene densidades y propiedades mecánicas menores. PROCESO SOL GEL

Este proceso se utiliza para producir y consolidar polvos cerámicos puros excepcionalmente finos. Se prepara una solución coloidal líquida, que contenga iones metálicos disueltos. Las reacciones de hidrolisis forman una solución organometálica o sol, compuesta por cadenas tipo polimérica, con iones metálicos y oxígeno. De la solución se forma partículas de óxido amorfo, las cuales producen un gel rígido. El gel es secado y horneado para el sinterizado y la compactación de la pieza terminada de cerámica; las temperaturas de sinterizado son bajas debido a los polvos altamente reactivos. Temperaturas de horneado más elevadas permiten la producción de vidrios y de vidrios cerámicos. El proceso sol gel se puede utilizar en la producción de UO2 para combustible de reactores nucleares, en estructuras perovskitas como el titanato de bario para dispositivos electrónicos, en alumina de grano ultrafino para aplicaciones estructurales de alta resistencia y en una amplia variedad de otros productos cerámicos. UNION Y EMSAMBLE DE PIEZAS CERÁMICAS Con frecuencia los productos cerámicos se fabrican como componentes monolíticos, en vez de ensamble de varias piezas. Cuando dos componentes cerámicos se ponen en contacto bajo carga, en la superficie frágil se crean concentraciones de esfuerzos, lo cual provoca una mayor probabilidad de falla. Además, de los métodos para unir piezas cerámicas son limitados. Los cerámicos frágiles no se pueden unir por procesos de soldadura por fusión o de una deformación. A bajas temperaturas, se pueden conseguir uniones adhesivas utilizando materiales poliméricos; a temperaturas superiores se pueden utilizar cementos cerámicos. La unión por difusión se utiliza para unir cerámicos entre sí con metales.

APLICACIONES DE CERÁMICOS AVANZADOS Las cerámicas son o pueden ser utilizados en motores de combustión interna y en turbinas, como placas para blindajes, en el empaquetamiento electrónico, como herramientas de corte, así como en la conversión, almacenamiento y generación de energía. Algunas aplicaciones se detallan a continuación:

MATERIALES CERÁMICOS _______________________________________________________ APLICACIONES EN MOTORES DE COMBUSTIÓN Las cerámicas avanzadas están empezándose a utilizar en motores de combustión interna de automóviles. Las principales ventajas de estos nuevos materiales sobre los metales y aleaciones metálicas convencionales son: capacidad de resistir temperaturas más altas de operación del motor, aumentando así el rendimiento del combustible utilizado; excelentes resistencias al desgaste y a la corrosión; menores pérdidas por fricción; capacidad de operar sin sistema de refrigeración; menores densidades, que resultan en una disminución del peso del motor. Tales motores están todavía en la fase de desarrollo experimental; sin embargo, ya se han ensayado bloques de motor cerámicos, así como válvulas, camisas cilíndricas, pistones, cojinetes y otros componentes. Además, la investigación también se lleva a cabo en turbinas de gas que emplean rotores cerámicos, estátores, regenera-dores y cámaras de combustión. Considerando sus características físicas y químicas tan deseables antes mencionadas, los materiales cerámicos avanzados llegarán, en el futuro, a utilizarse también en motores de reacción de aviones. De particular significado son las densidades relativamente bajas de estos materiales, los cuales se utilizarán en álabes de turbina que serán más ligeros que los fabricados con súper aleaciones y que también conducirán a la fabricación de otros componentes más ligeros. Entre los materiales actualmente considerados para su utilización en motores de combustión cerámicos están el nitruro de silicio (Si3N4), el carburo de silicio (SiC) y la circona (ZrO2). La principal desventaja de utilizar cerámicas en los motores de combustión es su tendencia frágil, debido a su relativa baja tenacidad de fractura. Actualmente se están desarrollando técnicas para incrementar las características de tenacidad de estos materiales. Una técnica particular interesante prometedora de aumento de tenacidad emplea una transformación de fase para frenar la propagación de grietas y se denomina aumento de tenacidad por transformación. Este proceso se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:

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La tenacidad de fractura y resistencia también se puede mejorar por medio de una adición de una segunda fase cerámica, la cual usualmente esta en forma de fibra o whiskers; tales materiales se denominan compuestos de matriz cerámica. Las fibras o whiskers pueden inhibir la propagación de la grieta por deflexión de la punta de la grieta, o por estirado de las fibras fuera de la matriz y una redistribución de las tensiones en las regiones adyacentes a la punta de la grieta. Es importante desarrollar una metodología mediante la cual se puede predecir la vida en servicio con mucho mayor fiabilidad para estos materiales. BLINDAJES CERÁMICOS Algunas de las nuevas cerámicas avanzadas son utilizadas en sistemas de blindaje para proteger al personal militar y a los vehículos de los proyectiles balísticos. La principal consideración en éstas aplicaciones es el peso del material protector necesario para obstruir el impacto del proyectil. Desde el punto de vista del peso, algunas cerámicas son altamente eficaces para blindajes. La mayoría de los blindajes de cerámicas están formados por una o más placas cerámicas juntas que se combinan con una placa dúctil y más blanda de soporte. Cuando se produce el impacto, las placas deben ser suficientemente duras para fracturar el proyectil de alta velocidad, el cual, al impactar también produce la frac-tura de la placa cerámica. Material cerámico de blindajes es el carburo de silicio entre otros. La estructura del blindaje debe absorber el resto de la energía cinética por deformación y, además, frenar la penetración del proyectil y los fragmentos dinámicos. EMPAQUETAMIENTO ELECTRÓNICO En la industria electrónica como materiales con elevada constante dieléctrica para aplicaciones como memorias, sensores, actuadores, transistores, capacitores, MEMs y NEMs.

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REFRACTARIOS HISTORIA DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS: La primitiva historia de los materiales refractarios está relacionada con la historia de la alfarería (cerámica). Sin embargo la historia de los refractarios durante el siglo pasado está íntimamente ligada con el crecimiento de las industrias metálicas, puesto que su avance necesitaba de los refractarios adecuados para la construcción de los hornos. Inicialmente, la producción de materiales refractarios se limitó a unos pocos tipos de ladrillos de todo propósito, siendo sus principales consumidores las industrias cerámica, del hierro, de los metales no férreos y del vidrio. A finales del siglo pasado el aumento de la aplicación de los metales no férreos, especialmente del cobre, y la llegada de la industria masiva del acero provocaron grandes cambios en la industria refractaria. El aumento de la demanda de producción dio lugar al aumento del tamaño de los hornos con el consiguiente aumento de las tensiones y esfuerzos sobre los materiales refractarios de su revestimiento, acentuado por los grandes tonelajes procesados y por las mayores temperaturas de operación. Además el material refractario estaba sujeto a la abrasión, erosión mecánica y corrosión química de las escorias, fundentes y gases. Para hacer frente a las condiciones anteriores fue necesario desarrollar nuevos materiales refractarios especiales, lo cual fue posible gracias a una estrecha colaboración entre los fabricantes de refractarios y los consumidores. De acuerdo con su carácter químico los refractarios tradicionalmente se dividen en: ácidos (ladrillos de arcilla cocida de bajo contenido en alúmina y alto en sílice, sílice), básicos (magnesita y dolomía) y neutros (cromita y carbono). Esta clasificación nos va a servir como base para realizar un breve recorrido por su desarrollo histórico. DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS: Pueden existir diversas maneras de definir lo que se entiende por un material refractario. Así: Según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como: “Aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse”. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura. Según la norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como: “Aquellos productos naturales o artificiales cuya refractariedad (Resistencia piroscópica) es igual o superior a 1500 ºC”. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042. Según Willian D. Callister “Las propiedades sobresalientes de estos materiales incluyen la capacidad de soportar altas temperaturas sin fundir o descomponerse y la capacidad de permanecer inertes sin reaccionar cuando son expuestos a medios agresivos. Además la capacidad de producir aislamiento térmico también es a menudo una consideración importante.”

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Sin embargo, una definición más completa de los materiales refractarios indica que son aquellos materiales cuyas propiedades permiten que pueda soportar temperaturas muy elevadas, sin embargo estos deben de soportar una temperatura en específica sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas, como por ejemplo la corrosión. Esta condición permite que los materiales refractarios sean utilizados en todos los hornos de fabricación, ya sea en las refinerías, industria química, metalurgia, industrias de vidrio y cerámica. El material refractario conocido por excelencia es la cerámica. Estos materiales están formados por partículas diminutas de óxido, las cuales están unidas a otro material de características refractarias pero más finas. En el área de construcción podemos encontrar varios ejemplos de materiales refractarios, tenemos el cemento refractario el cual es utilizado para soportar además de revestir paredes, así mismo se encuentra el ladrillo refractario es muy resistente a las altas temperaturas y a los casos de abrasión, sus caras están caracterizadas por ser lisas además de que un buen aislante térmico. CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS: Los materiales refractarios son materiales polifásicos y heterogéneos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su estructura física. Así, estructuralmente los materiales refractarios conformados presentan tres fases perfectamente definidas:  Constituyente disperso, generalmente formado por óxidos simples o compuestos.  Constituyente matriz, generalmente formado por materiales complejos de naturaleza cristalina o vítrea.  Porosidad (Macro y micro porosidad). Basándose en su constitución estructural se puede dar una nueva definición de material refractario como sigue agregados de cristales o granos cementados por una matriz cristalina o vítrea, con un cierto grado de porosidad. El constituyente matriz puede ser una fase vítrea o cristalina “microcristales” de composición más compleja que el constituyente disperso. La refractariedad (o la temperatura de ablandamiento) es menor para el componente matriz que para el disperso. La naturaleza del constituyente matriz es, normalmente, compleja debido a la presencia de los óxidos alcalinos (litio, sodio, potasio) y de los óxidos de hierro, que disminuyen su refractariedad. El constituyente matriz al reblandecerse o fundir a las temperaturas de cocción del material refractario, nos garantiza la consistencia mecánica del constituyente disperso. Paralelamente a los procesos de fusión parcial (o de reblandecimiento) de la matriz, suelen tener lugar reacciones sólido-liquido, procesos de crecimiento de grano, segregaciones y transformaciones cristalinas en estado sólido. Las propiedades del constituyente matriz son extremadamente importantes puesto que es la “cola” o “pegamento” que mantiene cohesionados a los cristales o granos del constituyente disperso. Así, por ejemplo., los refractarios de arcilla cocida (Alúmina calcinada ligada mediante arcilla plástica) pueden dividirse en semisílice, bajo contenido de alúmina, etc. En general, el contenido de alúmina aumenta en el orden listado y hay una tendencia a juzgar el comportamiento tomando como base dicho contenido. Esto puede

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conducir a errores, puesto que la fase arcillosa que actúa como ligante tiene un profundo efecto sobre el comportamiento del material refractario aún con un alto contenido en fase alúmina. Por último, una fase que está siempre presente en los materiales refractarios, en proporción y distribución variables, es la porosidad. Esta influye decisivamente en sus propiedades y características. Las propiedades y características del material refractario dependerán tanto de las fases cristalinas que forman el agregado refractario (Constituyente disperso), como de la matriz cementante y del contenido y distribución de la porosidad. Así, pues, desde el punto de vista de la constitución microscópica, un ladrillo refractario es como una roca granito, riolita, etc., está formada por partículas cristalinas cementadas por una matriz. Los refractarios electrofundidos se fabrican por solidificación de una mezcla de materiales fundidos, de manera análoga a como las rocas eruptivas se formarán por solidificación de un magma, y pasando por los mismos procesos de cristalización de ciertos componentes, crecimiento de grano, segregación de otros componentes a la fase liquida residual, reacciones sólido-líquido y, por fin, solidificación de ese líquido residual para formar la matriz cementante. En la fabricación de un refractario convencional se parte de materiales sólidos en vez del equivalente artificial del magma, pero durante la fusión parcial que se produce durante la cocción encontraremos los mismos procesos (Transformaciones cristalinas, segregación y crecimiento de grano, reacciones sólido-líquido, etc.) que se citaron anteriormente. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS: No existe un criterio único de clasificación de los materiales refractarios. Así, según sea el criterio que se tome como base se tendrá una clasificación u otra. Las clasificaciones no son siempre muy precisas, pero tienen su utilidad. Se pueden clasificar de acuerdo con criterios diferentes, tales como: A. SEGÚN SU COMPOSICIÓN QUÍMICA: A menudo se pueden clasificar los materiales refractarios según su composición química, ya que su capacidad para resistir a los ambientes a los que van a estar expuestos dependen en gran medida de su composición química. Esta clasificación no siempre es altamente precisa pero es muy útil. Está basada en el contenido del compuesto principal (Sílice, alúmina, magnesia, etc.). A.1.- Refractarios de Sílice: Si presentan contenidos de SiO2 entre el 94 y el 97 %. A.2.- Refractarios de Semi – Sílice: Si presentan contenidos de Al2O3 < 10%, el resto SiO2 hasta un máximo del 94 %) A.3.- Refractarios Silico – aluminosos: Si presentan contenidos de Al2O3 comprendidos entre el 10 y el 30 %, siendo el resto fundamentalmente SiO2.

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A.4.- Refractarios aluminosos: Si presentan contenidos de Al2O3 comprendidos entre el 30 y el 45%, siendo el resto fundamentalmente SiO2. A su vez este tipo de refractarios se subdivide en: 30% - 35% de Al2O3 35% - 39% de Al2O3 39% - 41% de Al2O3 41% - 43% de Al2O3 43% - 45% de Al2O3 Las materias primas utilizadas para su fabricación son las denominadas arcillas refractarias y los caolines. A.5.- Refractarios de alto contenido en alúmina: Si presentan contenidos de Al2O3 comprendidos entre el 45 y 56%. A.6.- Refractarios de muy alto contenido en alúmina: Si presentan contenidos de Al2O3 superiores al 56%. -

Refractarios de alúmina pura. Refractarios de mullita sintética (2 SiO2.3 Al2O3). Refractarios del grupo de la sillimanita. Refractarios basados en el Al(OH)3 y en la bauxita. Refractarios de coridón.

A.7.- Refractarios de magnesita: Si presentan contenidos de MgO comprendidos entre el 90 y el 97 %. A.8.- Refractarios de forsterita: Si presentan contenidos de MgO próximos al 40 %, siendo el resto SiO2. A.9.- Refractarios de dolomía: Si el (%CaO + %MgO> 80 %. A.10.- Refractarios de magnesia – cromo: Si contiene entre el 5 y el 18 % de Cr2O3. A.11.- Refractarios de cromo –magnesia: Si presentan un % Cr2O3 comprendido entre el 18 y el 32 %. A.12.- Refractarios de cromita: Si el contenido de Cr2O3 es superior al 32 %. A.13.- Refractarios especiales: -

Refractarios de carbono base coque o antracita. Refractarios de carbono base grafito (> 30 % grafito + arcilla). Refractarios de carburo de silicio (% SiC > 50 %). Refractarios de circonia (ZrO2). Refractarios de circón (ZrSiO4).

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-

Refractarios base carburos (ZrC, TaC, BC, TIC, etc.). Refractarios base nitruros (ZrN, BN, AIN, Si3N4, etc.). Refractarios base boruros (CrB, etc.). Refractarios base siliciuros (MoSi2, WSi2, etc.). Cermets (Compuestos metalocerámicos).

B. SEGÚN SUS PROPIEDADES ÁCIDO-BASE (CARÁCTER QUÍMICO): Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: B.1.- Refractarios ácidos: Refractarios de sílice, de semi-sílice, silicoaluminosos, de carburo de silicio, de circonia y de silicato de circonio. B.2.- Refractarios básicos: Refractarios de magnesia, de dolomía sinterizada, magnesia-cromo y de forsterita. B.3.- Refractarios neutros: Refractarios de carbono, de cromita y de cromo - magnesia. B.4.- Refractarios anfóteros: Refractarios de alta y muy alta alúmina. Hay que recordar que según LEWIS, un ácido es toda aquella sustancia (Molecular o iónica) que puede aceptar un par de electrones y base toda sustancia que puede ceder un par de electrones. Cada ácido posee la base correspondiente (Conjugada). La relación entre un ácido y su base conjugada puede expresarse por ecuación de reacción: A (Acido) ⇔ B (Base) + H+ (Protón) Dador de protones

Un

Aceptor de protones

ácido y su base conjugada forman un par ácido - base.

C. SEGÚN FORMA O PRESENTACIÓN. ATENDIENDO A LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL PRODUCTO ACABADO: Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: C.1.- Materiales conformados: Ladrillos normales y en cuña, bloques, formas especiales, etc. Son piezas refractarias obtenidas por cualquiera de los métodos de conformado, principalmente por prensado, y luego sometidas a un proceso de cocción a alta temperatura, generalmente en un horno túnel, para lograr su aglomeración.

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También puede llegarse a la fusión total de las materias primas, en un horno eléctrico, y obtener piezas refractarias electrofundidas por colado y posterior solidificación, como en el caso de los materiales metálicos.

C.2.- Materiales no conformados: Masas plásticas, masas para apisonar, hormigones refractarios, morteros refractarios, masas proyectables reumáticamente, etc. Son mezclas refractarias que pueden ser usadas directamente en el estado que son suministradas, como es el caso de las masas plásticas o bien después de la adición de un líquido apropiado, como es el caso de los hormigones o cementos refractarios. Se forman así revestimientos monolíticos, sin juntas y con un espesor no discreto. Finalmente, también pueden presentarse los materiales refractarios en forma de materiales fibrosos.

D. SEGÚN POROSIDAD DE LOS PRODUCTOS CONFORMADOS (FINALIDAD): Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: D.1.- Refractarios densos: Se consideran refractarios densos aquellos materiales cuya refractariedad sea igual o superior a los 1500 ºC y el valor de la porosidad total sea inferior al 39 % en volumen.

D.2.- Refractarios aislantes: Se consideran refractarios densos aquellos materiales cuya refractariedad sea igual o superior a los 1500 ºC y su porosidad total es igual o superior al 45 % en volumen. E. SEGÚN PROCESO DE FABRICACIÓN: Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: E.1.- Refractarios convencionales: Obtenidos por conformado por prensado, extrusión o moldeo y luego cocidos a una temperatura en que no se alcanza la temperatura de fusión.

E.2.- Refractarios especiales:

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Se llega a la fusión total y luego se cuela y se solidifica. Son los materiales refractarios electrofundidos, como por ejemplo de mullita, de alúmina, etc. F. SEGÚN SU USO: Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: F.1.- Refractarios para la industria siderúrgica. F.2.- Refractarios para la industria cementera F.3.- Refractarios para la industria de la cal F.4.- Refractarios para la industria del vidrio F.5.- Refractarios para la industria petroquímica F.6.- Etc.

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OTROS MATERIALES CERÁMICOS Y SUS APLICACIONES Los materiales cerámicos no sólo se aplican a las industrias de silicatos (grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal. 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 considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería.

 Los materiales cerámicos tradicionales: Están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica.  Las cerámicas ingenieriles: Están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica.

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CERÁMICOS Y APLICACIONES AVANZADAS Los cerámicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los óxidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecánicas como físicas a altas temperaturas. Un extenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus únicas propiedades magnéticas, electrónicas y ópticas, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la detección de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prótesis y otros “componentes de repuesto para el ser humano”.

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La Alúmina (Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

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El Nitruro de Aluminio (AIN): Proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta conductividad térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

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El Carburo de Boro (B4C): Es muy duro y aun así extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas.

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El Carburo de Silicio (SiC): Tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos a temperaturas extremas.

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El Nitruro de Silicio (Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.

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El Sialón: Se forma cuando el aluminio y el oxígeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansión térmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. El sialón puede encontrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.

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El Boruro de Titanio (TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Además tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la alúmina, son aplicaciones en la producción de blindajes.

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La Urania (UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares.

Concluimos en que los materiales cerámicos, debido a sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánica, es de gran aplicación en muchos de los ámbitos industriales. Un ejemplo de tal aplicación, es el desarrollo del sistema de protección térmica para vehículos orbítales, como el trasbordador espacial. Dado que el trasbordador espacial ha de ser usado para al menos en 100 misiones, se hizo necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas. Alrededor del 70% de la superficie externa del vehículo orbital está protegida del calor por aproximadamente 24000 losetas individuales de cerámica hechas en un compuesto de fibra de sílice.

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BIBLIOGRAFIA

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