Autores:
Mishel Caterine Aliaga Amasifen
Angel D. Raphael Ramirez Sanchez
Camila Mishel Lazo Castromonte
Isabel Sofía Salcedo Jara

Introducción

No se sabe a ciencia cierta sobre el origen de la cerámica, pero se tiene una hipótesis de que, cuando el hombre dominó el fuego, se percató que al extinguirse una hoguera quedaban endurecidas las huellas existentes en el suelo arcilloso, y que este tipo de tierra poseía la propiedad plástica, es decir, que admitía, una vez humedecida, cambios de forma por leve presión. La curiosidad y la tentativa, algo propio del ser humano, condujeron a elaborar objetos, bien ornamentales o utilitarios tras endurecerlos con el fuego, eliminando la plasticidad y alcanzando una consistencia rocosa (Arias, 2020, pp. 10-11). En la actualidad, investigadores científicos de la Universidad Técnica de Munich han realizado un gran avance en el desarrollo de bobinas superconductoras, las cuales implementan materiales cerámicos avanzados. Estas bobinas prometen interesantes áreas de aplicación como robótica industrial, vehículos de transporte autónomo y equipos médicos de alta tecnología. Utschick, uno de los investigadores, prevé incluso vehículos de carreras eléctricos que puedan cargarse dinámicamente en el circuito, así como aviones eléctricos autónomos (Christoph Utschick et al., 2021). Podemos observar que la historia de la cerámica está muy ligada a la civilización humana, tanto que su origen se remonta a nuestras civilizaciones primitivas y su desarrollo tecnológico en la actualidad nos ofrece una mirada esperanzadora de nuestro futuro. En la Figura 1. se puede observar en la parte izquierda una ilustración de una civilización antigua fabricando vajillas cerámicas. Asimismo, se puede observar en la parte derecha una bobina superconductora, una aplicación actual de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica.

Definición de cerámico, propiedades, técnicas, aplicaciones tradicionales

El material descubierto en las primeras civilizaciones de la humanidad es lo que ahora denominamos material cerámico. Este es un compuesto químico que está constituido por metales y no metales que incluyen minerales como la arcilla, cementos y vidrios que se fabrican en forma de polvo o pasta y que a someterse a cocción sufre procesos físico-químicos por los que adquiere consistencia pétrea. Es decir, es un material constituido por sólidos inorgánicos no metálicos que son producidos mediante un tratamiento térmico (Landin, 2013).

Propiedades generales de los materiales cerámicos

Los materiales cerámicos son compuestos químicos que pueden tener una estructura cristalina o no cristalina (amorfa), en ocasiones una mezcla de ambas. Por ello las propiedades son diferentes dependiendo del tipo de material. Tiene gran resistencia a altas temperaturas y generalmente actúa como aislante térmico y eléctrico. Presenta alta resistencia a los agentes químicos debido a su fortaleza del enlace de los átomos, esto les da un alto punto de fusión, gran resistencia a la comprensión al desgaste, a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos. Se puedan fabricar de diferentes formas con dimensiones determinadas. Otra característica importante es su gran dureza, haciéndolo un material muy utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas, pero también se caracteriza por ser frágiles debido a su poca elasticidad. Por ello se están desarrollando nuevos materiales cerámicos con mayor resistencia a la fractura. Ahora las cerámicas actuales tienen buenas propiedades como electromagnéticas, ópticas y mecánicas (Landin,2013).

Técnicas

Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí.

Preparación de materiales:

La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy «críticas tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos (Smith y Hashemi, 2006, pp. 599).

Técnicas de conformado:

Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío es el que predomina en la industria de la cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia.

Deformación plástica: Es el primer método que ha sido utilizado por el hombre para dar forma a una pasta formada por arcillas y agua de manera manual o con ayuda de herramientas sencillas como los moles, tonos, etc (Pinto, 2011, pp. 20).

Prensado: La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados.

Prensado en seco: Este método se utiliza frecuentemente debido a que permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas. Se usa para productos de material de alta resistencia térmica y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, se usan modelos de contracción que permiten predecir la geometría tras la cocción (Smith y Hashemi, 2006)

Prensado en caliente: En este proceso se consiguen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión unidireccional como la isostática (Smith y Hashemi, 2006, pp. 602).

Compactación isostática: En este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado cartucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo hace que tome la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterización) para obtener las propiedades microestructurales requeridas. Esta técnica se usa para producir refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes (Smith y Hashemi, 2006).

Extrusión: Una máquina de extrusión fuerza una masa plástica bastante rígida a través de una boquilla para formar una barra de sección constante que puede recortarse en tramos. La arcilla se comprime en el cilindro, por medio de un pistón. Los tubos, tejas, ladrillos y algunos aislantes eléctricos se fabrican por extrusión (Smith y Hashemi, 2006).

Colado: En un molde, mayormente de yeso, se vierte una mezcla de arcilla y agua llamada barbotina; el molde absorbe el agua de la pasta, que forma una capa delgada en su cara interna. Cuando el depósito de arcilla es lo suficientemente grueso como para formar las paredes del recipiente, se vacía el resto de la barbotina, manteniendo la pieza húmeda en el interior del molde hasta que se seque y contraiga lo suficiente para poder extraerla del mismo. Es necesario desarrollar una formulación apropiada agregando aditivos necesarios para estabilizar la suspensión, según las características de cada polvo cerámico (Pinto, 2011).

Tratamientos térmicos

El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. Consideramos los siguientes tratamientos térmicos:

Secado: El propósito del secado de cerámicas es la eliminación del agua contenida en un producto cerámico moldeado o no. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24hs. para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los aglutinantes orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por calentamiento en el rango de 200 a 300ºC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas (Smith y Hashemi, 2006)

Sinterización o cocción: En la fabricación de cerámicas es el tratamiento térmico más común en la industria cerámica. Se basa en la transformación de un producto poroso a uno compacto debido a que este proceso consigue que las pequeñas partículas del material se mantengan unidas por difusión al estado sólido. En el proceso de sinterizado las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sinterizar. En la sinterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas (Smith y Hashemi, 2006).

Vitrificación: Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase vítrea. Esta fase vítrea sirve como medio de reacción para que la difusión puede tener lugar a menor temperatura que en el resto de los materiales sólidos cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado vitrificación por medio del cual la fase vítrea se licúa y rellena los poros del material. Esta fase vítrea líquida puede también reaccionar con algunos de los restantes sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase líquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido (Smith y Hashemi, 2006, pp. 605).

Aplicaciones tradicionales

Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por materiales naturales, con o sin proceso, los tres componentes básicos son: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato (Pinto,2011). Este cerámico se caracteriza por su conformado que puede ser manual y su proceso de cocción se realizan en hornos tradicionales como los hornos túnel, hornos ascendentes, etc. Su microestructura presenta generalmente un tamaño de grano grueso y una alta porosidad, visible al microscopio óptico.

La arcilla es la más usada en los cerámicos tradicionales y se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituyen el cuerpo principal del material. Este material se obtiene mediante la disgregación total o parcial de las rocas ígneas por acción erosión fluvial o agentes atmosféricos, temperatura y presión durante largos períodos de tiempo. Por esta razón el término arcilla no corresponde a una composición química o mineralógica definida; las arcillas son mezcla de diversas especies minerales, esto dependerá de la composición de la roca madre de partida. En las arcillas naturales tiene un bajo porcentaje de pureza debido a la presencia de otros minerales y de impurezas como: el óxido de titanio, calcio, magnesio, potasio, sodio y hierro. El contenido importante de este último es característico de las arcillas rojas utilizadas en la fabricación de ladrillos y tejas (Pinto,2011). Productos donde se usa la arcilla tales como ladrillos para la construcción tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubiertas, tejas utilizadas en las industrias de la construcción, porcelanas eléctricas que se usan en la industria eléctrica y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos.

Vidrio: definición, propiedades, diferencias con materiales cerámicos

1-      Vidrios:

1.1-  Definición:

El vidrio es un sólido amorfo e inorgánico el cual puede ser encontrado en la naturaleza o producido por el ser humano. Para este último sus material se componen principalmente por sílice , formador de vidrios, y otros materiales . Estos se fusionan a altas temperaturas estando en un estado viscoso fundido en el cual mayormente se le da la forma deseada ,luego son sometido a bajas temperaturas hasta adquirir una condición rígida ,debido a que este proceso se realiza de manera rápida no se llega a formar una estructura cristalina a lo cual se debe su transparencia ya que los bordes cristalinos desvían la luz causando la reflexión. Es un material que carece de ductilidad ya que no se deforma a temperaturas ambiente. Además, es muy frágil ya que es quebradizo al ser golpeado levemente, pero a la vez posee una gran dureza lo cual permite encontrarlos como cuerpos fijos. Asimismo, este elemento es maleable mediante varios métodos lo que proporciona la obtención de distintos acabados como el templado, recocido, termo, acústico, blindado, laminado, entre otros (Máxima, 2021). El vidrio no se deteriora, corroe o decolora motivo por el cual es el material preferido para el embalaje además posee la ventaja de ser reciclable.

1.2- Propiedades:

1.2.1- Cualidades ópticas:

Estas residen a partir del espectro de luz que logra transmitirse a través del material debido a las características de formación y pureza del vidrio. Cabe recalcar que los de mayor capacidad de transmisión de luz son aquellos exentos de compuesto de hierro (Máxima,2021).

 1.2.2-Composición:

Cociste en la combinación de varios elementos minerales que juntos forman diferentes tipos y calidad de vidrio estos elementos pueden ser el carbonato de sodio, la caliza, el dióxido de silicio, el óxido de aluminio, entre otros (Máxima,2021).

1.2.3- Color:

Los vidrios naturales tienen una tonalidad específica debido a sus composiciones y a las circunstancias a las cuales están sometidas. En cambio, los vidrios creados por humanos mayormente tienen una tonalidad transparente. Sin embargo, esto puede cambiar si se le agrega algunos componentes al momento de la fusión para obtener un acabado de diferente color. Por ejemplo, un color rojo azulado se puede conseguir agregando óxido de cobalto, un color amarillo se conseguirá agregando óxido férrico y una coloración azulada se conseguirá agregando óxido ferroso (Maxima,2021).

1.2.4- Textura:

La textura del vidrio se refleja en la superficie, estas son perceptibles a través de la vista o el tacto. Las variantes se pueden obtener debido a las modificaciones en el proceso de fusión o a los componentes adheridos (Máxima,2021)

1.2.5-Maleabilidad:

Estas se encuentran en la etapa de fundición previo al enfriamiento. Es ahí donde puede ser moldeada de la forma deseada según el uso que pasará a tener. los métodos son diversos entre estos se encuentran el prensado, soplado, espiralado laminado, entre otros (Máxima,2021).

1.2.6-Cualidades térmicas:

Es la capacidad en que el material conduce la temperatura ya sean altas o bajas. El vidrio, una vez endurecido, no tiene un punto de temperatura de ablandamiento definido, pero oscila entre los 600º C y 700º C (Maxima,2021). Dentro de las cualidades térmicas podemos observar cuatro temperaturas de referencia en función de la viscosidad del vidrio. El punto de trabajo, donde la viscosidad del vidrio caliente es lo suficientemente baja como para poder darle forma utilizando métodos ordinarios. El punto de reblandecimiento, temperatura a la cual el vidrio empieza a deformarse de manera visible. El punto de recocido, que es cuando las tensiones internas existentes son desvanecidas, y que corresponde a la temperatura más alta de recocido. Por último, el punto de deformación, donde el vidrio es un sólido rígido y puede enfriarse rápidamente sin introducir ningún tipo de tensiones externas (López, Martines, 1995)

1.2.7-Densidad:

La densidad es un factor que depende de la temperatura, la presión a la que es sometida y la composición. Es la cantidad de masa que contiene el vidrio los cuales dependen del tipo de material usado en el proceso de fundición.  En general, la densidad del vidrio ronda los 2500 kg/m³. (Máxima, 2021). Además, cabe recalcar que esta varía muy poco si cambia la presión.

1.2.8-Corrosión:

Es la capacidad de resistencia que posee el vidrio al contacto con diversos agentes el cual dependen de su composición química. Existen cuatro sustancias principales frente a las que el vidrio puede romperse: el ácido hidroclorhídrico, el ácido fosfórico de alta concentración, las concentraciones alcalinas a altas temperaturas y el agua a temperatura elevada (Máxima, 2021).

1.3-  Diferencias con los materiales cerámicos:

• Una de sus diferencias es que el vidrio el cual mayormente está conformado en base a sílice carece de estructura cristalina en comparación con los cerámicos los cuales si poseen
• Otra diferencia es que la cerámica se moldea en bajas temperaturas, en cambio los vidrios lo hacen a altas temperaturas
• El estado vítreo es metaestable, es decir, el vidrio tiene un estado de energía mayor que el de la cerámica. (López, Martines, 1995)

Características de las nuevas cerámicas

Debido a las desventajas de la cerámica tradicional, se han realizado numerosas investigaciones en las que se ha estudiado cómo superarlas. Se ha buscado lograr materiales a partir de recursos minerales abundantes en la naturaleza que puedan ofrecer diversas aplicaciones a nivel industrial. A partir de esto, surgieron las nuevas cerámicas con vastas aplicaciones industriales, las cuales aprovechan algunas características sorprendentes de estos nuevos materiales. (Bernal, 1991).

A continuación, se menciona algunas características generales de las nuevas cerámicas:

• Productos desarrollados a partir de compuestos de elementos químicos no metálicos de alta pureza con propiedades morfológicas controladas. (Bernal, 1991; Junta de Andalucía, 2012)
• Su proceso de fabricación está sujeto a un control preciso, tanto en el conformado como en la cocción, de equipos sofisticados a altas temperaturas (1600-1900 °C) y presión. (Junta de Andalucía, 2012; Pinto, 2011)
• Estos cerámicos son compuestos oxidados y no-oxidados de elementos metálicos y no metálicos incluyendo el carbón. (Pinto, 2011, p. 26) Por un lado, el grupo de cerámica con óxidos incluye materiales formados principalmente por óxidos metálicos como el óxido de aluminio, el óxido de circonio, el titanio de aluminio o la cerámica de dispersión. Por otro lado, la cerámica sin óxidos representa un grupo de materiales cerámicos con base de compuestos de carbono, nitrógeno y silicio tales como el carburo de silicio, el nitruro de silicio y el nitruro de aluminio. (CeramTec, 2018)
• Tienen una microestructura bien controlada y ordenada de grano extremadamente fino, esta microestructura es libre de defectos y tenaz. (Junta de Andalucía, 2012; Bernal, 1991)

• Poseen una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.
• Poseen excepcional resistencia a altas temperaturas (altos puntos de fusión) y ambientes corrosivos (alta resistencia al ataque químico). (Junta de Andalucía, 2012)
• Son buenos materiales refractarios debido a que poseen buena resistencia mecánica a temperaturas elevadas. Es decir, son materiales capaces de soportar altas cargas o fuerzas aplicadas sobre ellos sin romperse. Esto incluye condiciones extremas de tensión.
• Debido a la ausencia del desplazamiento de electrones, estos materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos. Normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas.
• Poseen alta resistencia al desgaste por rozamiento debido a su alta dureza superficial.
• Poseen baja densidad, es decir son livianos. (Pinto, 2011)
• Poseen escasa resistencia al choque mecánico, es decir son frágiles.
• Algunas cerámicas poseen propiedades magnéticas de gran importancia debido a que sus iones tienen momentos magnéticos distintos, lo cual conduce a que al aplicar un campo magnético se produzca como resultado una imantación neta. (Laiz, 2010)
• Algunos cerámicos poseen excelentes propiedades ópticas como opalescencia, fluorescencia, translucidez, cromaticidad. (Villarroel et al., 2012)
• Son económicos, debido a que la materia prima de la que están compuestos es muy barata aunque su proceso de fabricación resulte elevado. (Junta de Andalucía, 2012)

Cerámicas estructurales y cerámicas funcionales: definición, clasificación, propiedades, preparación

Existe una inmensa diversidad de materiales cerámicos limitada únicamente por los problemas que buscamos solucionar con sus aplicaciones. Por fines meramente prácticos podemos clasificar a los materiales cerámicos en dos grupos primordiales: estructurales, donde imperan principalmente las propiedades mecánicas del material, y funcionales, donde el material tiende a fines específicos conforme a las propiedades que le caracterizan más allá de su resistencia mecánica (Mari, 2001, p. 7).

Cerámicos estructurales:

Materiales para la construcción:

En este tipo de cerámicos se busca fundamentalmente suplir la fragilidad característica del promedio de este tipo de materiales por una elevada resistencia mecánica que asegure la firmeza de las estructuras, aunque, en la actualidad, también se toman en cuenta factores como el aislamiento térmico y acústico. Debido a que se conocen una gran cantidad de materiales cerámicos que cumplen con estas condiciones y; por tanto, que se emplean en la industria de la construcción, se detallarán aquí los que se consideran más importantes.

Materiales cementicios:

Son aquellos que se sinterizan por liga química, específicamente por reacciones de hidratación. Además, se caracterizan principalmente por su elevada heterogeneidad estructural, factor que debe tomarse en cuenta para explicar su comportamiento mecánico (Mari, 2001, p. 7). Naturalmente, sus propiedades dependen de la materia prima utilizada y del proceso de preparación, por ello es conveniente explicarlos a partir de sus componentes: los aglomerantes y agregados.

Aglomerantes:

Son materiales con propiedades adhesivas, capaces de compactar a otros materiales primero y endurecerse después, todo ello mediante reacciones químicas que involucran aire y/o agua (Torres, 2014). Los aglomerantes más populares incluyen a las arcillas, las cales, los yesos y los cementos.

Agregados:

Son materiales que cumplen una función de refuerzo actuando como la fase dispersa de un material compuesto. Pueden ser agregados materiales pasivos inertes como arena, piedras o grava, o pueden ser agregados activos, que reaccionan químicamente junto al aglomerante, como cal, puzolanas o polvo de ladrillo.

Hormigón:

Desde su invención en el siglo XIX se ha convertido en el material estructural más utilizado debido a su evolución en los ámbitos físicos, químicos, mecánicos y estéticos. El hormigón o concreto  es resultado de la mezcla de cemento, arena y agua al que se le suele añadir grava. Como en la mayoría de los materiales cerámicos, las propiedades específicas del hormigón dependen de las materias primas utilizadas y de la proporción de estas en la mezcla; sin embargo, se le pueden atribuir propiedades generales, por las cuales ha logrado su posicionamiento en la industria de la construcción, en su estado fresco y endurecido (Escuela de Ingeniería Técnica Civil. Arquitectura Técnica, 2007).

El hormigón fresco es el producto instantáneo del amasado de sus componentes, desde el inicio de las reacciones químicas de las que depende su estado final. En esta etapa se caracteriza por su consistencia, capacidad del hormigón para deformarse; su docilidad, facilidad para trabajar con él; y su homogeneidad, cualidad de distribución de sus materiales en la misma proporción por toda la mezcla (EITC. AT, 2007).

El hormigón endurecido se obtiene a partir del final del fraguado, en donde el cemento ya se ha endurecido y la mayor parte del agua o ha reaccionado o se ha evaporado. El hormigón endurecido se caracteriza por lo siguiente:

• Alta densidad: El hormigón correctamente compactado, normalmente, posee una densidad que varía entre 2300 kg/m y 2500 kg/m^3.. Aunque este depende de los agregados que lo compongan.
• Elevada resistencia: El hormigón presenta resistencia a acciones de compresión, tracción y desgaste. Su resistencia a la compresión es su característica principal, esta puede oscilar entre 50 MPa y 100 MPa.

Materiales de cerámica roja:

Son aquellos materiales cuya materia prima fundamental para su elaboración es la arcilla roja. Su sinterización se da por liga vítrea, proceso que comúnmente se conoce como cocción para los cerámicos tradicionales. En este tratamiento térmico se funden los compuestos con un bajo punto de fusión, estos a su vez penetran en los espacios vacíos de la estructura, unificando todas las partículas. Finalmente, se obtiene un conjunto de fases cristalinas y vítreas que componen el producto. Este proceso se da normalmente en hornos de túnel a temperaturas entre 950 °C y 1100 °C, dependiendo la materia prima, el horno y la forma del producto (Mari, 2011).

Los materiales de cerámica roja se caracterizan por una porosidad de entre 10% v/v a 20% v/v y una resistencia mecánica que varía considerablemente en función de las fases vítreas y cristalinas que se obtengan luego de la sinterización. Los principales materiales de cerámica roja son los ladrillos macizos y huecos, los bloque portantes normales y pretensados, y las tejas normales y vitrificadas.

Vídeo de complementación 1. ¿Por qué son sostenibles los materiales cerámicos?

Función eléctrica y electrónica:

Aisladores:

En las infraestructuras eléctricas, los aisladores son responsables del sostén mecánico de los elementos conductores, además de mantenerlos aislados de tierra y de otros conductores eléctricos. Por ello los aislantes cerámicos presentan una alta resistividad, junto a una gran resistencia mecánica capaz de soportar acciones de compresión y tensión propias del diseño de la guía eléctrica, así como a los factores ambientales a los que están sometidos. Además, presentan un envejecimiento prácticamente nulo a lo largo de la vida útil del sistema, por lo que poseen una elevada estabilidad química (Vigilancer, 2020).

Se emplean, comúnmente, cerámicas de tipo porcelánico, cuya composición química consiste, básicamente, en alúmina y una mezcla de arcilla, cuarzo y feldespato; aunque existen variaciones en la composición que incluyen otro tipo de materias primas que favorezcan el alcance de sus propósitos (Vigilancer, 2020).

La fabricación fabricación de los aislantes cerámicos, generalmente, se da a partir de la extrusión de una masa plástica, conformada por una mezcla de las materias primas y agua. En este proceso se dota a la masa de la forma requerida para el cumplimiento específico de su función. Seguidamente, se realiza el tratamiento térmico adecuado, lo que permite a la mezcla adquirir una elevada resistencia mecánica. Finalmente se aplica una capa de esmalte con el fin de  disminuir ciertos problemas del entorno (Vigilancer, 2020).

Superconductores:

La superconductividad es la propiedad que poseen algunos materiales de conducir la corriente eléctrica prácticamente sin resistencia cuando se encuentran por debajo de cierta temperatura; por tanto, se realiza un trabajo sin pérdida de energía, a diferencia de otros materiales en los que esta se disipa en forma de calor. Además, presentan el llamado efecto Meissner, el cual consiste en la desaparición total del campo magnético en el interior del material superconductor cuando se encuentra por debajo de su temperatura crítica (M. Izquierdo, 2018).

El descubrimiento de materiales superconductores a temperaturas superiores a la del nitrógeno líquido, ha sido una de las realizaciones científicas más importantes de la última década, puesto que disminuye considerablemente los costes de refrigeración al reemplazar el helio líquido en esta tarea. A este grupo de materiales, los superconductores de alta temperatura crítica, pertenecen ciertos óxidos de cobre con temperaturas críticas que oscilan entre los 77 K y los 120 K (C. Rillo, 1991).

A parte de las propiedades que presentan como superconductores, los SAT se caracterizan por poseer debilidad mecánica, son duros pero muy frágiles; poca estabilidad química, reaccionan con el agua y dióxido de carbono a temperatura ambiente, a parte el oxígeno se libera de la estructura a estas condiciones; y alta sensibilidad a la radiación, más alta que en superconductores clásicos pero bastante menor a la que presentan los semiconductores (C. Rillo, 1991).

Este tipo de tecnología está abierta a grandes campos de aplicación, a gran escala se utilizan en los trenes de levitación magnética y en bobinas superconductoras que sustituirán a las clásicas en aplicaciones científicas e industriales; a pequeña escala se prevé utilizarlos con mayor frecuencia en la fabricación de dispositivos electrónicos.

Función óptica:

 Vidrios ópticos

Estos se refieren a un grupo de vidrios con mejores calidades ópticas que con los vidrios estándar. Factores como la densidad, el índice de refracción y el coeficiente de expansión, varían entre los distintos vidrios ópticos que existen según los requisitos de la aplicación (GoodFellow). En general, los vidrios ópticos poseen un alto grado de resistencia, física y química; de homogeneidad, expédito de burbujas, estrías, nubosidades u otras imperfecciones; y de transparencia; así mismo, poseen un índice de refracción definido en base a sus funciones específicas (Garibaldi y Enrique, 1984).

Este tipo de vidrios se obtienen, principalmente, a partir de la fundición a altas temperaturas de óxidos o sales minerales naturales junto a restos de vidrio que aceleran el proceso. Tras un primera fase de fusión a temperaturas que rondan entre los 1400 °C y 1500 °C, se continúa con una segunda fase denominada de afinado en la que se incrementa la temperatura a 1600 °C (Históptica). Los vidrios ópticos son utilizados principalmente como en los lentes oftálmicos, las cámaras fotográficas, los binoculares, microscopios y telescopios.

Función biológica:

Materiales biocerámicos

Los materiales biocerámicos son materiales diseñados específicamente para cumplir una determinada función fisiológica dentro de un organismo, por ello necesitan ser biocompatibles con los tejidos vivos; es decir, interactuar con los sistemas biológicos sin causar reacciones perjudiciales al individuo (Estudi Dental Barcelona, 2020). Principalmente, este tipo de cerámicos se utilizan en la fabricación y fijación de implantes óseos y dentales.

Los biocerámicos han experimentado una clara evolución, pasando de usar materiales inertes a materiales bioactivos y biodegradables, de tal manera que se vuelve posible la sustitución, reparación o regeneración de tejidos dañados (Vallet-Regí, 2011). Por ello es posible clasificar a los materiales biocerámicos por su actividad con el tejido biológico.

Biocerámicos inertes:

Son cerámicas que no reaccionan sustancialmente en el medio orgánico. Entre las biocerámicas bioinertes encontramos la alúmina, la circona y los carbones pirolíticos (González, 2014, p. 7)

Biocerámicos activos:

Son cerámicas en las que tiene lugar una unión química entre estas y el tejido orgánico. En este caso el único material capaz de unirse directamente al hueso es el hidroxiapatito (HA), que es un compuesto similar a la fase mineral del hueso.

El resto de los materiales biocerámicos bioactivos se unen al hueso a través de la formación previa de una capa de HA sobre su superficie. Dentro de este grupo están los biovidrios, vitrocerámicas y cerámicas bioactivas de wollastonia, diposido, entre otros (González, 2014, p. 7).

Biocerámicos biodegradables:

Son cerámicas que se disuelven y degradan en el medio de forma gradual, con el fin de ser sustituidas por el tejido que las rodea. Son materiales ideales siempre que permanezcan en el cuerpo el tiempo suficiente para que el tejido dañado se regenere, y que una vez se haya sanado, el tejido sustituya al material. Pertenecen a este grupo los corales y los fosfatos cálcicos (González, 2014, p. 7).

 Función térmica:

Materiales refractarios

Los materiales refractarios son capaces de resistir las temperaturas elevadas sin deterioro de sus propiedades tanto físicas como químicas, así como las condiciones del medio donde opera, durante un periodo de tiempo tal que su fabricación resulte sostenible (Reyma reotix, 2018).

Los materiales refractarios se eligen en función de las condiciones del entorno donde serán utilizados, de tal forma que estos se mantengan estables durante el periodo de su vida útil. En general, utilizados adecuadamente, estos cerámicos se caracterizan por su resistencia al choque térmico y a disponer de una baja conductividad térmica; además, a altas temperaturas, rondando los 1600 °C, poseen una elevada resistencia mecánica, estabilidad química como volumétrica y una baja conductividad eléctrica (INS Marianao, 2017).

Debido a su variedad y los múltiples factores por los que son seleccionados para determinada tarea, los materiales refractarios pueden clasificarse en base a distintos criterios (Reyma reotix, 2018):

Por su carácter químico:

Indica el carácter reactivo del material (ácido, neutro o básico), su comportamiento a altas temperaturas y con qué otros materiales presentarían reacciones químicas.

Por su composición química:

Dependiendo de los porcentajes de constituyentes y aditivos presentes en el material se establecen grupos y subgrupos de clasificación: sistemas de sílice, sílice-alúmina, materiales aluminosos, en base magnesia, con adiciones de carbón, circonia, carburo de silicio, e incluso combinaciones entre ellos y formulaciones especiales.

Por su presentación:

Esta clasificación es más intuitiva y evidente para el usuario, y se emplea en el desarrollo del revestimiento refractario de cualquier unidad. Divide los materiales en conformados (ladrillos y piezas prefabricadas) y no conformados (hormigones y materiales varios como, por ejemplo, fibras cerámicas aislantes).

Por su finalidad:

Clasifica los materiales entre densos, expuestos al proceso industrial, y aislantes, cuya misión consiste en mantener el calor dentro de la unidad para reducir el consumo térmico de combustibles y proteger la carcasa metálica de las altas temperaturas.

Función tribológica:

Materiales abrasivos y resistentes al desgaste

Los cerámicos abrasivos se utilizan en distintos procesos mecánicos con el fin de cambiar y modelar la forma, el acabado y la textura de otros productos involucrados en procesos artesanales o industriales, todo ello mediante la fricción entre el material cerámico y la superficie que se desea tratar (Abracom, 2017).

Los abrasivos cerámicos presentan un acabado microcristalino y son muy uniformes en su estructura; además, poseen una elevada densidad. Estos factores combinados producen que se degraden de forma progresiva, dando lugar a una larga vida útil. Otras características de estos materiales varían en base a las funciones específicas para los cuales son elaborados. Entre estas características se encuentra la dureza, resistencia de un material en función de otro; la friabilidad, capacidad de un material a descomponerse en las fibras que lo componen; y la tenacidad, índice de la cantidad de energía que puede absorber un material antes de romperse (Abracom, 2017).

Los cerámicos abrasivos se fabrican a partir de cerámicos naturales que suelen mezclarse con otros abrasivos en polvo como, por ejemplo, el óxido de aluminio, el óxido de cerio, el diamante fabricado, el carburo de boro, el nitruro de boro, el silicato, el carburo de silicio, el circonio, el óxido de estaño, el carburo de tungsteno y otros materiales cristalinos de carácter inorgánico (Abracom, 2017).

Función nuclear:

Elementos combustibles

Un combustible nuclear es todo aquel material que tiene capacidad de fisionarse lo suficiente como para mantener una reacción nuclear en cadena (Congreso Nacional del Medio Ambiente, 2014). Los combustibles para reactores nucleares de agua ligera consisten en pastillas de óxidos de uranio enriquecido entre el 2% a 5% con ²³⁵U, el cual es el elemento fisionable capaz de mantener la reacción en cadena (Serrano, 2001). El centro de las pastillas de combustible, dentro del reactor, alcanzan temperaturas cercanas a los 2000 °C mientras que en la periferia llegan a los 600 °C, esto debido a la acción del refrigerante y a la baja conductividad térmica del combustible. Además, posee un elevado potencial energético de aproximadamente 425.000 kWh por cada kg de UO₂. Por lo que tan solo 5 g de uranio serían equivalentes energéticamente a 1000 kg de carbón, 565 L de petróleo y 480 m³ de gas (Foro Nuclear).

La elaboración del dióxido de uranio (UO₂) se inicia a partir del uranio natural (U₃O₈), el cual se encuentra en formas de rocas que son trituradas para facilitar los procesos químicos posteriores. La primera fase de conversión es en la que U₃O₈ pasa a ser hexafluoruro de uranio (UF₆), que se encuentra en fase gaseosa. Seguidamente se realiza el proceso de enriquecimiento de hasta el 5% del isótopo de uranio U-235, por lo general, mediante difusión gaseosa o centrifugado de gas. La segunda fase conversión consiste en el paso de UF₆ a polvo de dióxido de uranio (UO₂), y este es compactado, finalmente, en pastillas cilíndricas que formarán parte de los elementos combustibles del reactor nuclear.

Campos de aplicación de las nuevas cerámicas

 La investigación sobre los materiales obtenidos que se orientó hacia la consecución de otros materiales con mayor ductilidad y resistencia al choque mecánico por modificación de su estructura, ha desembocado en la producción de diferentes materiales que están contribuyendo a la revolución tecnológica actual (Bernal, 1991, p. 38). A partir de los años 80, la evolución del estudio acerca de los cerámicos incluyó materiales como el nitruro de silicio (Si3N4), revolucionario para la metalmecánica y el más utilizado para los mecanizados de fundiciones. Hoy, distintos cerámicos son componentes de reactores nucleares, o pueden convertirse en partes del cuerpo humano en forma de prótesis. De igual manera, algunos encuentran utilidad como herramientas de corte industrial y como elementos de molienda debido a su dureza y resistencia a la abrasión. Así como otros son útiles como componentes de motores, quemadores, intercambiadores de calor, etc. (Junta de Andalucía, 2012). A continuación, se detalla las áreas o industrias en las cuales las aplicaciones de las nuevas cerámicas son más relevantes.

En el área mecánica, cerámicos no óxidos encuentran aplicaciones en partes de motores de explosión interna como los álabes de turbina de los turbocompresores de los vehículos 4×4, cabeza de pistón y cilindros.

Según Colín Leach (1987) las cerámicas refractarias de gran rendimiento, capaces de soportar las duras condiciones del medio, brindan a los proyectistas de motores la posibilidad de aumentar el rendimiento al permitir temperaturas de funcionamiento más elevadas y reducir las pérdidas térmicas, mecánicas e inerciales. (Bernal, 1991, p. 39) El uso de estos materiales representa reducciones del costo con mayor rendimiento frente al combustible. Se logra este propósito al poder utilizar temperaturas elevadas debido al revestimiento refractario de la cámara de combustión y a la menor fricción que ocurre al emplearse superficies de contacto cerámico. De esta manera, las piezas presentan las siguientes ventajas: resistencia al desgaste, termoaislamiento, buenas propiedades eléctricas e inercia química (Bernal, 1991, p. 39).

Además, se utilizan materiales cerámicos de cordierita y vidrio como soportes de catalizadores, fabricados en forma alveolar con una gran superficie específica de adsorción especialmente de gases, utilizados ya en la industria automotriz (Bernal, 1991, p. 44).

En las industrias eléctrica y electrónica, las nuevas cerámicas, por sus propiedades eléctricas, pueden tener aplicación en capacitores, osciladores, memorias, núcleos magnéticos, varistores y resistencias eléctricas, entre otros. Así como ser útiles como piezoeléctricos, termistores, sustratos de circuitos integrados, aisladores, soportes de semiconductores, condensadores de alta tensión, etc. (Junta de Andalucía, 2012)

En el área térmica, cumpliendo funciones de resistencia al calor, de aislamiento o de conducción, distintos cerámicos encuentran aplicación como refractarios, mantas cerámicas y sustratos.

En la industria nuclear, estos cerámicos óxidos y no óxidos encuentran distintas aplicaciones como materiales en reactores nucleares. Por ejemplo, el óxido de uranio (UO2), un cerámico óxido, es ampliamente usado para desarrollar elementos combustibles que permiten el funcionamiento de los reactores nucleares que producen electricidad. (Pinto, 2011)

En la industria bioquímica, muchas de las nuevas cerámicas son biocompatibles y pueden ser utilizadas en el campo de la medicina como implantes óseos: huesos y rótulas artificiales. (Junta de Andalucía, 2012) Así como en la odontología, algunos cerámicos, debido a sus excelentes propiedades ópticas, permiten la adecuada restauración de las estructuras dentarias. De esta manera, es posible reforzar el remanente dentario y devolverle integridad biomecánica y estructural. (Villarroel et al., 2012)

Actualmente, se hace uso de materiales cerámicos con propiedades superparamagnéticas para el tratamiento del cáncer, mediante la administración en forma de microesferas que son implantadas en el torrente sanguíneo y atrapadas en el tumor. Luego, son sometidas a un campo magnético externo y generan calor asegurando la destrucción al tumor cancerígeno sin afectar los tejidos vecinos en un proceso conocido como hipertermia magnética. (Lara, Múzquiz y Rosales, 2016)

En la industrias aeroespacial y aérea, nuevos nanocompuestos cerámicos, resistentes a grandes cambios de temperatura que se registran en el espacio (-150°C – 150°C), prometen una mejor precisión de los datos recopilados por los satélites espaciales. Esta característica de los nanocompuestos cerámicos de permanecer estables ante los cambios de temperatura, son también de gran interés por la industria aeronáutica. Tanto los aviones comerciales y militares con sistemas de contramedida previenen posibles ataques evitando que impacten armas guiadas por sensores. Sin embargo, cabe la posibilidad de que estos sistemas puedan “despistarse”, por ejemplo con el calor de un láser. Esto se evitaría si los materiales de estos dispositivos permanecieran más estables ante los cambios de temperatura. Además, debido a que los espejos y marcos que componen el giroscopio de los  aviones requieren gran estabilidad frente a cambios de temperatura y humedad, los nanocompuestos también se podrán emplear en este sistema de navegación. (Europa press, 2018).

Otras aplicaciones:

• Por sus propiedades ópticas se utilizan como ventanas de infrarrojos, construcción de láseres y de lámparas de sodio de alta presión. (Junta de Andalucía, 2012)

¿Qué tipo de cerámicas tu grupo considera que sería importante desarrollar en el grupo de investigación?

Las nuevas cerámicas son el tipo de cerámicos más importante que puede desarrollar el grupo de investigación. Si bien las cerámicas tradicionales como ladrillos, porcelanas, arcillas, etc. representan gran parte de la producción de materiales cerámicos, es mayor el potencial de las nuevas cerámicas, también denominados “cerámicos avanzadas”. Estos ocupan un lugar prominente en nuestra tecnología actual. Debido a cada una de sus propiedades y a la combinación de todas estas, las cerámicas pueden ser explotadas en variadas aplicaciones. Su investigación puede beneficiar la evolución de diversos campos como la microeléctrica, construcción de vehículos espaciales, nuevos sistemas de producción de energía, las biotecnologías, la medicina, entre otros. Además, por su propia definición, la fabricación de cerámicos avanzados requiere de procesos sumamente precisos, lo cual es compatible con el trabajo característico de un grupo de investigación. Su estudio implica la indagación de los compuestos iniciales del material, su proceso de conformado, el tratamiento térmico ideal y las aplicaciones que pueden llegar a tener en las diferentes industrias. Sin embargo, se debe mencionar que algunos de estos cerámicos aún cuentan con la desventaja de ser frágiles, lo que ocasiona que sean menos dúctiles ya que no se les puede deformar con tanta facilidad. Esto limita la capacidad que tienen para resistir cargas de tensión. Pero debido a las muchas ventajas que puede proporcionar los cerámicos avanzados, es importante que este material sea el foco de investigación dentro del grupo.

Video de complementación 2. Materiales y materias primas.

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