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CERÁMICOS

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Autores: Bryan Oncoy, Hugo Chilquillo, Sayuri Verástegui y Joaquín Arellano

FIG.1 Materiales Cerámicos

Objetivos

– Conocer las propiedades importantes de los cerámicos

– Mencionar las principales ventajas y desventajas de su uso

– Definir el concepto de vidrio y materiales refractarios

Introducción

Quizás en algún momento llegaste a escuchar el término “cerámica”, como, por ejemplo, en el colegio cuando la profesora de historia explicaba las formas de las cerámicas hechas por las culturas pre incas o cuando pensabas en los jarrones para flores, y solo sabías que eran objetos frágiles. Sin embargo, el término “cerámicos” es mucho más complejo e involucra otros tipos de materiales como las tejas, vidrios, materiales refractarios, etc. En este texto, se explicará el fondo químico de ciertos aspectos que presentan los materiales cerámicos que son utilizados y aprovechados en diferentes actividades, y que también abarcan objetos útiles en la vida diaria.

1.-DEFINICIÓN

Los materiales cerámicos son sólidos inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes, algunos de  los cuales se expusieron a temperaturas altas para llegar a una estructura dura, no combustible y no oxidable. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o vitrocerámicos (combinación de ambos anteriores mencionados).

2.-PROPIEDADES

Propiedades mecánicas: A temperatura ambiente, son duros y frágiles debido al tipo de enlace (iónico/covalente) entre los átomos que lo conforman. Además, a elevadas temperaturas, son deformables ya que se permite el deslizamiento de bordes de grano.

Propiedades magnéticas: Por lo general, los materiales cerámicos no suelen presentar estas propiedades; a excepción de dos, ferritas y granates (también llamadas cerámicas ferromagnéticas).

Propiedades eléctricas: La gran mayoría de materiales cerámicos son aislantes eléctricos ya que poseen una alta resistencia dieléctrica y baja constante dieléctrica. Otros cerámicos presentan otras propiedades dieléctricas como es la facilidad de polarizarse.

Propiedades térmicas: Casi todos los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas a causa de sus fuertes enlaces (iónico/covalente).La diferencia de energía que existe entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que los electrones se exciten hacia la banda de conducción, por este hecho son buenos aislantes térmicos.

3.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Como fue mencionado anteriormente, los materiales cerámicos se caracterizan por la unión mediante fuertes enlaces iónicos y/o covalentes entre sus átomos, esto les permite tener una alta dureza, además de ser buenos aislantes térmicos y eléctricos, ya que sus fuertes uniones dificultan el libre movimiento de los electrones por tanto su conductividad eléctrica y térmica es limitada. Esto, a su vez, genera que los materiales cerámicos posean altos puntos de fusión, pues es necesario de altos suministros de calor para poder romper sus enlaces.

Por otro lado, los materiales cerámicos tienen buena estabilidad química, lo cual les permite ser resistentes ante agentes agresivos como los presentes en el proceso de oxidación. Además, debido a que la mayoría de los cerámicos están formados por elementos metálicos y no metálicos, estos se pueden considerar como materiales previamente corroídos, por tanto serán resistentes a componentes corrosivos.

Sin embargo, este tipo de material contiene algunas desventajas como la fragilidad; es decir, la tendencia a romperse con facilidad, ya que no es posible desplazar los átomos sin generar una ruptura en sus uniones. En consecuencia, no podrán ser deformados plásticamente con facilidad (menos dúctiles), lo cual limita su capacidad de resistir cargas de tensión (baja tenacidad).

En resumen, se puede mostrar el siguiente cuadro con las principales ventajas y desventajas:

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Alta dureza

Buenos aislantes eléctricos y térmicos

Alto punto de fusión

Baja densidad

Buena estabilidad química

Resistentes ante la corrosión

Resistentes ante agentes agresivos (oxidación)

Resistencia ante la compresión

Son frágiles

Baja ductilidad

Baja tenacidad

4.- VIDRIOS Y MATERIALES REFRACTARIOS

 4.1. VIDRIOS

FIG.2 Vidrios

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser fabricado por el ser humano.

Éste se obtiene a unos 1500°C a partir de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos.

Uno de los errores comunes con los cuales se suele confundir al vidrio es usando el término de “cristal” como sinónimo, lo cual resulta incorrecto ya que en el ámbito científico es vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas están dispuestas de forma irregular) y no un sólido cristalino.

A  continuación, y a modo de resumen, analizaremos las propiedades del vidrio.

1) Propiedades ópticas

Estas propiedades hacen referencia a que una parte de la luz es refractada, otra absorbida y una tercera parte es transmitida. Las propiedades ópticas del vidrio no se alteran con el paso del tiempo.

FIG.3 Propiedades ópticas del vidrio

2) Propiedades físicas

  • Composición del vidrio: Si bien existen infinidad de formas de hacer vidrio, en líneas generales el vidrio está compuesto por materiales de origen mineral fusionados térmicamente. Específicamente contiene arena de cuarzo de sosa, cal, óxido de magnesio y óxido de aluminio.
  • Color: El color se origina por los elementos que se agregan al momento de su fusión. Así por ejemplo un color rojo azulado se conseguirá por la utilización de óxido de cobalto; un color amarillo se conseguirá por usar óxido férrico y una coloración azulada se logrará por la utilización de óxido ferroso.
  • Textura: La textura puede variar el brillo del vidrio. Este depende del proceso de fundido que se haya llevado a cabo.
  • Maleabilidad: Son maleables cuando se hallan en su etapa de fundición. Los principales métodos de moldeado son:
    • Prensado
    • Soplado
    • Estirado
    • Laminado
  • Densidad: depende del tipo de materiales incluidos en su fabricación. Sin embargo en líneas generales la densidad del vidrio es de aproximadamente 2500 kg/m3. Esto otorga al vidrio plano un peso de 2,5 kg/m2 (por cada milímetro de espesor).
  • Viscosidad: Es la resistencia que tiene un líquido a fluir. Aquí estamos frente a un material sólido pero igual debemos hacer referencia a la viscosidad. Sin embargo los vidrios son líquidos sobre-enfriados. Es por esta razón que se debe tener en cuenta esta propiedad química del vidrio.

3) Propiedades mecánicas

  • Ablandamiento: El vidrio se ablanda aproximadamente a los 730°C.
  • Dureza: Es de 470 HK (Knoop Hardness, escala de dureza)
  • Resistencia a la compresión: Oscila entre 800-100 MPa (megapascal)
  • Elasticidad del vidrio. Hace referencia al alargamiento elástico de una barra delgada de vidrio y cuán resistente es esta barra. Se ha demostrado que el vidrio posee una resistencia a la elasticidad de 70.000 MPa.
  • Resistencia a la flexión. Mide la resistencia durante la deformación del vidrio. Según ensayos se ha determinado que dicho material tiene una resistencia a la flexión de 45 MPa.

4) Propiedades térmicas

En cuanto a las propiedades térmicas se puede decir que el vidrio alcanza un calor específico (temperatura) y también que éste tiene una conductividad térmica. Es decir conduce tanto el calor como el frío de igual manera.

Temperatura para su ablandamiento: Ciertamente el vidrio no tiene un punto de ablandamiento definido. Así, este material pasa de un estado sólido a un estado plástico de aspecto pastoso. Sin embargo se pueden observar características de modificación a partir de los 600° C aproximadamente.

5) Propiedades eléctricas

  • Constante dieléctrica: Entre 5° C y 10° C. Es una constante física que explica o describe cómo un campo eléctrico afecta (o es afectado) por un medio.
  • Resistividad eléctrica superficial: En condiciones normales el vidrio posee una resistividad eléctrica de 1020 ohm·cm. Esto lo transforma en uno de los mejores aislantes eléctricos conocidos.

6) Propiedades químicas

  • Corrosión: El vidrio resiste mucho a la corrosión. Es por ello que se le utiliza con frecuencia en experimentos químicos. De todos modos esto no quiere decir que dicho material sea indestructible. De hecho existen 4 sustancias frente a las cuales el vidrio se rompe:
    • Ácido Hidrofluorídrico
    • Ácido fosfórico de alta concentración
    • Concentraciones alcalinas a altas temperaturas
    • Agua a temperatura elevada

4.2. MATERIALES REFRACTARIOS

FIG.4 MATERIALES REFRACTARIOS

Se conoce como material refractario a 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 es un buen aislante térmico.

4.2.1 Clasificación de los materiales refractarios

Los materiales refractarios se pueden clasificar en cuatro categorías, están los ácidos, los neutros, los básicos y los especiales.

1) Materiales refractarios ácidos

Los refractarios ácidos son producidos a base de sílice en sus distintas formas como cuarzo, cuarcita o arena; son materiales poco costosos pero tienen la desventaja de ser materiales muy débiles.

2) Materiales refractarios neutros

Son los más comunes y se usan en todo tipo de industrias. Son estables químicamente ante ácidos y bases. Son producidos a base de bauxita o chamote. Tienen SiO2 y Al2O3 son igual de resistentes.

3) Materiales refractarios básicos

Son usados para operaciones en contacto con atmósferas básicas, ya que son estables con materiales alcalinos, pero podrían reaccionar con ácidos. La magnesita (MgO) y la dolomita son ejemplos comunes de este tipo de materiales. Estos tienen la propiedad de tener un punto de fusión bastante elevado, por lo general son más costosos que los ácidos.

4) Materiales refractarios especiales

Por último, los refractarios especiales son utilizados cuando no hay una disponibilidad de oxígeno con facilidad, ejemplos de estos son el carbono y el grafito. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros.

4.2.2 Propiedades de los materiales refractarios

Las propiedades más importantes de los refractarios cerámicos es su resistencia a bajas y altas temperaturas, además de su densidad. Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y a la erosión. Los materiales refractarios cerámicos son aquellos cuyo punto de fusión es mayor a 1700 grados Celsius.

4.2.3 Aplicaciones de los materiales refractarios

Las principales aplicaciones de estos materiales son : los ladrillos de circonio , los cuales son utilizados en la realización de pavimentos y toberas de vertido continuo , están los ladrillos de sílice los cuales son utilizados en los hornos cerámicos y los hornos coque , los ladrillos de alta alúmina son aquellos utilizados en la regeneración de hornos de dañados por ácidos , también tenemos los ladrillos refractarios de alta resistencia , estos son utilizados en los revestimientos para hornos de cal y de cemento , por último tenemos los ladrillos de magnesita , estos se aplican en los óxidos de fabricación del acero.


FIG.5 APLICACIONES DE MATERIALES REFRACTARIOS

5.-APLICACIONES

Una de las aplicaciones más conocidas de los cerámicos es la alfarería, el arte y la fabricación de objetos a partir de arcilla o barro. Entonces,  los cerámicos se utilizan para la elaboración de los siguientes objetos referidos a la alfarería

-Cerámica: es la fabricación de objetos como vasijas con sentido artístico mediante la arcilla cocida

– Azulejo: piezas de bajo espesor y decorativas parecidas a las baldosas. Presentan formas muy variadas, sin embargo, las más comunes son las cuadradas y rectangulares.

–Ladrillos: no solamente los ladrillos comunes, sino una extensa variedad de ladrillos usados en la construcción son fabricados en la alfarería.

–Porcelana: una aplicación utilizada, generalmente, para la fabricación de vasijas finas y muñecas. En la actualidad, la porcelana se utiliza industrialmente en la fabricación de distintos repuestos como, incluso, en la dentadura, debido a su dureza. Además, por su propiedad de resistencia a la electricidad es utilizado en campos como la electricidad combinándola con bronce u otros conductores. Puede utilizarse también como aislante.

Como mencionamos antes, en el caso de la porcelana la alfarería queda en segundo plano, ya que sus aplicaciones se extienden a más campos industriales como los siguientes:

–Prótesis en el cuerpo humano

–Objetos metálicos

–Frenos en automóviles: estos frenos se producen a partir del carburo de silicio (SiC), el cual soporta eficazmente la presión en los frenos debido a su resistencia.

-Diversos utensilios domésticos: debido a su resistencia térmica, son utilizadas en la fabricación de sartenes o hasta hornillas en las cocinas. Facilitan la limpieza de los mismos.

–Blindajes cerámicos: se utilizan el carburo de silicio (SiC) y diboruro de titanio (TiB2). Su elevada resistencia, dureza y tenacidad los hacen ideales para su uso en diversos blindajes militares, hasta chalecos antibalas.

FIG.6 APLICACIONES DE MATERIALES CERÁMICOS

6.-BIBLIOGRAFÍA

ACOSTA, Andrea, Bryam CHAVARRIA  y Melissa ZULOAGA

2015         Materiales Cerámicos  [diapositiva]. Consulta: 21 de mayo de 2018.

https://es.slideshare.net/kaox/quimica-materiales-ceramicos

 

ASKELAND, Donald

1999         Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Tercera Edición. México: S.A Ediciones

Paraninfo. Consulta: 20 de mayo de 2018.

http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanica-general/ENSAYOS%20DE%20MATERIALES/Ciencia.e.Ingenieria.de.los.Materiales.-.Donald.Askeland.ES..pdf

 

CIENCIA DE LOS MATERIALES

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https://cienciadelosmateriales.weebly.com/ventajas-y-desventajas1.html

 

CRESPO, Jesus

s/f        “Materiales refractarios”.Scribd, pp.1-8.Consulta: 23 de mayo de 2018.

https://es.scribd.com/doc/56233329/Materiales-refractarios

 

ENCICLOPEDIA DE CARACTERÍSTICAS

10 características del vidrio. Consulta: 23 de mayo de 2018.

https://www.caracteristicas.co/vidrio/#ixzz5GN4TOAkK

 

EQUIPO DE COLABORADORES Y PROFESIONALES DE LA REVISTA ARQHYS

2012    “Materiales refractarios”. Revista ARQHYS. Número 12.

Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://www.arqhys.com/arquitectura/materiales-refractarios.html

 

PARALIEU, Gaston

2014    “Materiales cerámicos”. En Monografías.com. Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://www.monografias.com/trabajos-pdf5/materiales-ceramicos/materiales-ceramicos.shtml

 

PONTIFICIA UNIVERSIDAD DEL PERÚ

“Cerámicos”. Material de Química General. Lima: PUCP. Consulta: 20 de mayo de 2018.

http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/83-ceramicos.html

 

RABANAL, María Eugenia

2009    Introducción cerámica [diapositiva]. Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/bloque-v/Tema14-Definicion_calificacion_mat_ceramicos.pdf.

 

SMITH, William F.

1998    Materiales Cerámicos. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales.

Madrid: McGraw-Hill, pp. 495-540.Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://www1.frm.utn.edu.ar/cmateriales/Trab.%20Inves.(alum)/materiales%20ceramicos.htm

6.-FUENTES DE IMÁGENES     

Figura 1:

REVISTA DIGITAL DE ARQUITECTURA

“Cerámicos”. Consulta: 21 de mayo de 2018.

https://apuntesdearquitecturadigital.blogspot.pe/2014/01/arquitexturas-21-ceramicos.html?m=1

 

MINDOMO

“Materiales cerámicos”. Consulta: 21 de mayo de 2018.

https://www.mindomo.com/es/mindmap/materiales-ceramicos-333d9af0639448d1b1e3586811f297b6

 

BLOGSPOT

“Materiales pétreos”. Consulta: 21 de mayo de 2018.

http://rociomaterialespetreos.blogspot.pe/2015/12/materiales-petreos.html

 

TARINGA

“Materiales cerámicos”. Consulta: 21 de mayo de 2018.

https://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/16500104/Materiales-Ceramicos.html

 

Figura 2:

METAL GLASS

“Vidrio monolítico”. Consulta: 23 de mayo de 2018.

https://i1.wp.com/metalglassrd.com/wp-content/uploads/2017/04/Vidrio-monolitico-10mm.jpg?w=1080

 

Figura 3:

VENTANAS AGUIRRE

“Vidrio control solar”. Consulta: 20 de mayo de 2018.

http://www.ventanasaguirre.com/wp-content/uploads/2016/05/vidrio-control-solar.jpg

 

Figura 4:

ARQUITECTURA, DECORACIÓN & HOGAR ARQHYS

“Materiales refractarios”. Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://www.arqhys.com/arquitectura/fotos/arquitectura/Materiales-refractarios1.jpg

 

Figura 5:

NEOWELD

“Refractario”. Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://neoweld.es/wp-content/uploads/2013/12/PERNOS_ANCLAJES_FIJACIONES_REFRACTARIO1.jpg

 

Figura 6:

REVISTA CRECES

“Objetos cerámicos resistentes”. Consulta: 23 de mayo de 2018.

http://www.creces.cl/images/articulos/0701.16-1.JPG