LOS CERÁMICOS

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Autores:

  • Huamán Deledesma, César Iván
  • Peña Huallanca, Adriana Celeste
  • Miñano Imaña, Valeria Maite
  • Pérez Sutti, César Eduardo

Introducción:

Las primeras noticias que se tienen de la aparición de la cerámica son durante el periodo neolítico, alrededor del año 6.400 antes de nuestra era. Es una cerámica muy rudimentaria hecha a mano que imita la cestería. (Todacultura)
Se conoce que 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. (Paralieu 2009)

La cerámica es el arte de fabricar objetos elaborados con arcilla cocida. Este arte es uno de los inventos más importantes de la humanidad. Poder almacenar y transportar productos, especialmente líquidos, fue una gran revolución. Por ser un material perdurable, está íntimamente relacionada con la evolución del ser humano, puede aportar datos sobre un pueblo determinado, grado de civilización, costumbres, religión, economía, contactos comerciales. (Franquihogar)

Entonces la cerámica hasta la actualidad logra ser uno de los mejores descubrimientos del ser humano, además puede ser usado en diversas tecnologías.

Fig. 1. Cerámicos

Definición de cerámicos:

Etimológicamente, la palabra “cerámica” proviene de “keramikos” que significa “cosa quemada”. Los cerámicos son sólidos inorgánicos que se generan mediante la transmisión de calor. Los objetos cerámicos están constituidos principalmente por metales y no metales incluyendo arcillas, cemento y vidrios, y sus átomos están unidos mediante enlaces iónicos o covalentes.

Propiedades

“Debido al tipo de enlace entre los átomos que lo conforman, los cerámicos presentan uniones muy fuertes” (Cedrón, 2011). Por ello, los materiales cerámicos se caracterizan por presentar alta dureza, ser no combustibles, no oxidables, tener baja tenacidad y ductilidad, alto punto de fusión. Además, son aislantes pues tienen poca conductividad eléctrica y térmica.

Técnicas

En su proceso de formación se los expone a altas temperaturas y luego se los deja enfriar, así se puede adquirir dos tipos de cerámicos dependiendo del método de enfriamiento aplicado: cerámicos cristalinos (moléculas ordenadas) y cerámicos amorfos (moléculas desordenadas) (Cedrón 2011).

Según Alarcón, en general, las etapas básicas para la formación de los cerámicos son:

  • Mezclado y molturación de materias primas,
  • Conformación
  • Moldeo
  • Secado Cocción

También, dependiendo del material cerámico específico fabricado se introducirán una o varias etapas adicionales:

  • Montaje en piezas con formas complicadas
  • Esmaltado en cerámicas decorativas o que requieran modificar ciertas propiedades cerámicas
  • Lavado y molienda en materiales cerámicos pulverulentos, como los pigmentos cerámicos

Los cerámicos amorfos son llamados comúnmente “vidrios”. El vidrio se obtiene por la exposición de materias primas a temperaturas muy altas, mayor al punto de fusión, que luego son enfriadas hasta llegar al estado sólido con una forma específica. Los principales materiales para obtener vidrio son arena de sílice (), carbonato de sodio y carbonato de calcio.

Fig. 2. Arena de sílice

Fig. 3. Carbonato de calcio

Para elaborar los cerámicos amorfos existen 4 métodos: el prensado, el soplado, el estirado y la formación de fibras (Ortiz, 2014).

El prensado se utiliza para elaborar piezas como placas y platos que tienen paredes gruesas. Así, se aplica presión mediante un molde que cuenta con la forma final deseada. Generalmente dicho molde es de fundición y recubierto de grafito. Existen dos tipos de prensado: uniaxial e isostático.

Fig. 4. Prensado de cerámicos

El soplado se trata de la obtención de vidrio por medio de la formación de burbujas en el vidrio fundido, las cuales se obtienen inyectando aire dentro de una pieza de material a través de un tubo metálico artesanalmente o mediante una máquina. Usualmente se utiliza esta técnica para la fabricación de botellas y otros tipos de recipientes de vidrio, la misma es considerada como “artesanal” o “rústica” por la manera en que es realizada.

Fig. 5. Proceso de estiramiento

El estirado “se utiliza para conformar piezas largas como láminas, barras, tubos, entre otras, todas con sección constante” (Ortiz 2014).

Las fibras de vidrio continuas son obtenidas mediante un proceso de estirado más complejo. El vidrio fundido está contenido en una cámara calentada con resistencia de platino. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio fundido a través de pequeños orificios en la base de la cámara. La viscosidad del vidrio se controla mediante las temperaturas tanto de la cámara como del orificio.

Fig. 6. Fibras de cerámicos

Los cerámicos cristalinos tienen un procesamiento similar al de los vidrios, sin embargo, estos llevan un enfriamiento mucho más lento que permite que sus átomos se ordenen en cristales regulares. Un ejemplo de este caso son los platos de porcelana.

Fig. 7. Platos de porcelana

Para su fabricación se prepara una pasta de mezcla de minerales (feldespato y cuarzo), la cual se moldea según la forma que se desea obtener. Después, luego de un doble procedimiento de cocción y enfriado, se adquiere el producto solicitado.

Aplicaciones tradicionales

Generalmente al pensar en la palabra “cerámico” nos imaginamos un florero, un jarrón rústico, ladrillos o tejas pero realmente los cerámicos abarcan muchos más objetos que los mencionados.

Por ejemplo:

  • En cuchillos, el filo de los cuchillos hechos con óxido de zirconio (dura mucho más que un cuchillo convencional de acero. “La marca Kyocera los produce” (Cedrón 2011).

Fig. 8. Cuchillo Kyocera

  • En la fabricación de discos de frenos para la industria automotriz.

Fig. 9. Discos de frenos

  • El carburo de boro (B4C), un cerámico extremadamente duro se puede aplicar a la industria de la fabricación de chalecos antibalas.

Fig. 10. Chaleco antibalas

  • En las cocinas como vitrocerámica. “El vidrio, especialmente diseñado, separa la fuente de calor de los recipientes donde se cocina, haciendo más fácil la limpieza del aparato eléctrico. El vidrio está formado por sílice combinado con otros óxidos metálicos, tales como óxido de litio (Li2O), óxido de magnesio (MgO) u óxido de zinc (ZnO)” (Cedrón 2011).

Fig. 11. Cocinas de vitrocerámica

  • En la fibra óptica ya que gracias a sus propiedades pueden aplicarse en semiconductores, superconductores y aislantes.

Fig. 12. Fibra óptica

Vidrio:

Definición de vidrio

El vidrio es más conocido como un material cerámico amorfo de gran dureza pero que, a la vez, resulta ser muy frágil. Logra ser un material inorgánico que no posee, en su totalidad, una estructura cristalina, lo cual permite el paso a la luz. Este dispone de una gama de tonalidades variadas que dependen de la composición química con la que haya sido fundido, por lo que son transparentes a la luz visible y a las radiaciones infrarrojas de onda corta. El vidrio común se forma por el calentamiento de “arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y carbonato de calcio (CaCO3)” (Lenntech 2021).

Fig. 13. Vidrio

Propiedades del vidrio:

  • Propiedades físicas:
  • Alta densidad e impermeables. (Barluenga 2008)
  • (Barluenga 2008)
  • Baja reacción al fuego y resistencia a choque térmico. (Barluenga 2008)
  • Uso de materiales que contienen flúor, tales como fluorita (CaF2) o fosfatos, para componer pequeñas partículas cristalinas en el vidrio que generen una impresión nublada y opaca.
  • Propiedades químicas:
  • Estables e inertes (salvo frente a ácidos fuertes). (Barluenga 2008)
  • Los vidrios resisten a la acción de los reactivos químicos.
  • Propiedades mecánicas:
  • Duro, posee una fuerza ante la compresión muy elevada y a la abrasión. (Barluenga 2008)
  • Fractura frágil (quebradizo) (Barluenga 2008)
  • Material sólido y duro
  • Estructura desordenada y amorfa
  • Transparente para la visibilidad de la luz
  • Material inerte y biológicamente inactivo

Fig. 14. Propiedades del vidrio

Diferencias con los cerámicos

“Ambos materiales son inorgánicos y no metálicos, comparten muchas propiedades físicas como su dureza, rigidez y fragilidad” (ULS 2021). Una de las diferencias entre estos dos tipos de materiales es que el vidrio es procedente de la fusión de materiales inorgánicos y enfriamiento rápido a una condición rígida, mientras que la cerámica es totalmente cristalina.

Para un mejor entendimiento, tenemos el siguiente cuadro comparativo:

  Vidrio Cerámico
Definición Sólido amorfo que no tiene una estructura atómica periódica de largo alcance, y que muestra un comportamiento de transición de flujo.

 

Un material inorgánico no metálico que se endurece a altas temperaturas.

 

Estructura atómica No cristalino Cristalino, semicristalino y no cristalino.
Transición vítrea Presenta un comportamiento de transición vítrea. A excepción del vidrio, las demás cerámicas no tienen un comportamiento de transición vítrea
Apariencia Transparente Normalmente opaco

Fig. 15. Diferencia entre vidrio y cerámico

Las nuevas cerámicas

Son aquellos materiales que mezclan las características y los beneficios de la cerámica tradicional, por ejemplo: inercia química (capacidad a alta temperatura) y dureza (la capacidad de soportar una tensión mecánica significativa). Como toda cerámica, están constituidas principalmente por compuestos inorgánicos y no metálicos; por lo general, son mezclas de distintos componentes y/o materiales de fase múltiple que tienen estructuras cristalinas complejas. Estos materiales se realizan generalmente para ser completamente densos y obtener tolerancias dimensionalmente ajustadas. Además de ser diseñados para soportar niveles sustancialmente más altos de la tensión mecánica y térmica, hay otras características importantes que hacen a estas nuevas cerámicas diferentes 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 ende, la nueva cerámica es más costosa que la cerámica tradicional, ya que requiere más fondo de presupuesto para su óptimo balance de materiales. 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 diboruro 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 nuevas cerámicas o de alta tecnología debido a los métodos de procesado o aplicaciones en el campo.

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. Las nuevas cerámicas poseen una combinación de capacidades a alta temperatura, alta fuerza, tolerancia a la dureza o a defecto, alta dureza, resistencia mecánica a las altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, resistencia a la abrasión, y durabilidad a largo plazo. En la imagen situada a continuación de este texto, se muestra la tensión y las gamas de uso de temperaturas para SiC, Si3N4 y ZrO2. La cerámica de zirconia, que se utiliza bajo condiciones de alta tensión y temperaturas moderadamente altas (hasta 600 ºC), tiene la fuerza más alta a baja temperatura. Aunque la dureza a baja temperatura del nitruro de silicio es menor que para la zirconia, el nitruro de silicio mantiene sus características hasta 1200 ºC. El carburo del silicio es algo más débil que el nitruro de silicio sobre todo el rango de temperaturas, pero mantiene buena dureza y resistencia a la abrasión a las temperaturas más altas (1500 ºC).

Fig. 16. Tensión versus temperatura

Cerámicas estructurales

Los cerámicos estructurales son grupos especiales de materiales cerámicos cuyo estudio va orientado a suplir la fragilidad que presentan los materiales cerámicos convencionales, quebrándose con cargas de impacto relativamente bajas. Lo que busca esta disciplina es obtener materiales de alta resistencia a la fractura, permitiendo así su utilización en la fabricación de elementos que deban trabajar a altas temperaturas. En la actualidad, se amplía el campo en estos materiales. Los nuevos campos de investigación pueden ser la incorporación de células fotosensibles en las tejas, lo que las convertiría en un elemento activo de aprovechamiento en la energía solar, el aislamiento acústico y térmico de los materiales. Las cerámicas estructurales avanzadas se basan en el nitruro de silicio, Si3N4; carburo del silicio, SiC; zirconia, ZrO2; o alúmina, Al2O3, diborato de titanio TiB2; nitruro de aluminio, AlN; oxinitrato de aluminio de silicio, SiAlON, ladrillos, tejas, porcelanas, etc.

Fig. 17. Materiales refractarios

Fig. 18. Porcelana

Clasificación

Las cerámicas estructurales se clasifican según si están diseñadas a base de óxido o no.

  • A base de óxido:

Los dos cerámicos a base de óxido más importantes son la alúmina (Al2O3) y la zirconia (ZrO2). Entre sus características de estas cerámicas destacan una elevada dureza y una resistencia moderada. Se subclasifican en:

  • Cerámicas oxídicas de silicio: Su unidad estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales refractarios.
  • Cerámicas óxidicas sin silicato: Los cerámicos de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO

 

  • Sin uso de óxido:

Las cerámicas sin la aplicación de óxidos, tales como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como material para elementos calefactores de horno, así como material abrasivo.

Propiedades

El enfriamiento rápido de un material introduce en las tensiones superficiales de reacción, contribuyendo a la formación de grietas y su propagación a partir de defectos superficiales y pudiendo producir rotura. La capacidad de un material de soportar esta clase de falla se llama resistencia al choque térmico. Para un cuerpo cerámico que es rápidamente enfriado, la resistencia al choque térmico depende no solo de la magnitud del cambio de la temperatura, sino también de las propiedades mecánicas y térmicas del material

  • Propiedades mecánicas: Considerando a los cerámicos como una clase de material, podemos decir que estos son relativamente frágiles, en estos la resistencia a la tracción (o tensión) que soportan los materiales cerámicos varía enormemente, pero en ningún caso soporta los 172 Mpa, mientras que la resistencia a la compresión es de 5 a 10 veces superior. Por lo general los materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones iónico – covalentes.
  • Propiedades térmicas: En general la mayoría de los materiales cerámicos tienen baja conductividad térmica debido a sus fuertes enlaces iónicos covalentes y son buenos aislantes térmicos. En la imagen inferior, se muestra una comparación de conductividades térmicas de distintos materiales cerámicos en función de la temperatura. Debido a la resistencia al calentamiento son usados como refractarios.

Fig. 19. Conductividad térmica

Cerámicas funcionales

Las cerámicas funcionales se definen como cerámicas que, además de ofrecer un comportamiento estructural adecuado, están diseñadas para aplicaciones especiales en las que se requieren propiedades adicionales tales como conductividad eléctrica, térmica o propiedades magnéticas u ópticas.

Clasificación

  • Electrocerámicas: En esta división se han desarrollado materiales que cumplen funciones de aislantes o dieléctricos (no conducen electricidad), ferroeléctricos (sufren una inversión en la dirección de polarización), piezoeléctricos (sufren deformación mecánica al ser sometidos a campos eléctricos), conductores y superconductores
  • Biocerámicas: Normalmente, se las conoce por adquirir propiedades biológicas en el proceso de fabricación. En la actualidad se desarrollan materiales con base en alúmina y apatitas para construcción de prótesis y huesos artificiales con el fin de incrementar estas biocerámicas
  • Cerámicas con propiedades químicas: Reaccionan con factores externos, ya sean climáticos y/o naturales. Algunas de ellas poseen capacidades de adsorción, y por ello, son utilizadas como adsorbentes o soportes de catalizadores.

Preparación

El proceso cerámico consta de cinco etapas: 1) la selección y preparación de las materias primas, 2) la preparación del cuerpo cerámico, que consiste en la elaboración de la mezcla, homogeneización y amasado, 3) el modelado, que puede realizarse mediante distintos métodos, 4) el secado, y por último, 5) la cocción. Como resultado de todo lo anterior, se consigue el producto cerámico final, que deberá superar ciertos controles de calidad.

Campos de aplicación de las nuevas cerámicas:

Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. Se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y electrónica, debido a que tienen una resistencia eléctrica elevada, una resistencia dieléctrica alta (voltaje requerido para la ruptura eléctrica por unidad espesor), y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para bocinas. Un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y sanitarios.
La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su resistencia al desgaste elevada los hace adecuados para ocasiones como camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posibles, gracias al uso de componentes cerámicos, significan una combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones de los automóviles (Sapiensman). A continuación, se explicará mejor algunas de las aplicaciones que poseen:

  • Aplicación en industrias eléctricas

Una aplicación es el recubrimiento de metal con cerámico; se puede hacer con la finalidad de reducir el desgaste, impedir la corrosión o proporcionar una barrera térmica. Los cerámicos que se están utilizando con éxito, especialmente en componentes de motor automotriz de turbina de gas (como los rotores), son de nitruro de silicio, carburo de silicio o de zirconia parcialmente estabilizada. (Sapiensman).

Fig. 20. Aplicación industrial

  • Aplicaciones Aeroespaciales

Para discos de turbinas y materiales para aletas donde los requerimientos son más exigentes se están investigando cerámicas de titanio, de Carbón y otros elementos químicos. La investigación en cerámica estructural y compuestos también está dirigida a obtener materiales menos frágiles, más livianos, más económicos que puedan reemplazar con éxito los metales y los plásticos. (Bernal, 1991, p.40-41).

Fig. 21. Aplicación aeroespacial

  • Aplicación en mecánica

Según Colin Leach (1987), las cerámicas refractarias de gran rendimiento 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). Muchos tipos de cerámicos se utilizan como aislantes eléctricos para corrientes eléctricas de alto y bajo voltaje. Los cerámicos tienen propiedades semiconductoras que son importantes para el funcionamiento de algunos dispositivos eléctricos, uno de estos dispositivos es el termistor.

Fig. 21. Aplicación en mecánica

  • En el área térmica

La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico-covalentes; y son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como materiales refractarios que se utilizan en las industrias metalúrgicas, químicas, cerámicas y del vidrio. Muchos compuestos cerámicos puros con altos puntos de fusión como el óxido de aluminio y el óxido de magnesio podrían tener aplicación como refractarios industriales; la mayoría de los refractarios industriales se hacen con mezclas de compuestos cerámicos.

Fig. 22. Aplicación térmica

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

En conclusión, el grupo sostiene que en el grupo de investigación se debería desarrollar primordialmente a las cerámicas estructurales. Son una gran alternativa, tomando en consideración que desean un tipo de cerámica que no utilice la arcilla como materia prima. Además, la aplicación de las cerámicas estructurales traería muchos beneficios para la ciencia ya que tienen variaciones en algunas propiedades de las cerámicas tradicionales. Así, se amplían los campos de aplicación de este material.

Referencias

ALARCÓN, Javier

s/f        “Introducción a la Química de los materiales cerámicos”. Notas del Tema 1, Química de Materiales Cerámicos.

https://www.uv.es/~uimcv/Castellano/ModuloMatCeramicos/Unidad%201.pdf

BARLUENGA, Gonzalo
2008                Tema 7: Materiales cerámicos y vidrios. [diapositiva]. Consulta: 7 de noviembre de 2021.
https://portal.uah.es/portal/page/portal/GP_EPD/PG-MA-ASIG/PG-ASIG-32912/TAB42351/Tema%207%20(Vidrio)%20Materiales%20ETSA%20(II).pdf

Bernal, I. (1991). ¿Cuáles son los campos de aplicación de las nuevas cerámicas?. En S. C. Prieto (Eds.), Industria cerámica moderna (pp. 38-41). Colombia: SENA

https://repositorio.sena.edu.co/bitstream/handle/11404/4010/no_02_industria_ceramica_moderma.pdf;jsessionid=A61A47C0A5219EE8A45DA58716B344AB?sequence=1

CEDRÓN, Juan Carlos, Victoria LANDA y Juana Robles

2011               Química General. Material de enseñanza. Lima: Pontificia Universidad Católica del Perú. Consulta: 20 de octubre de 2021.

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

FRANQUIHOGAR

La Cerámica. Consulta:7 de noviembre de 2021.

https://franquihogaronline.com/la-ceramica/

LENNTECH
“¿Qué es el vidrio y cómo se produce?”. Consulta:7 de noviembre de 2021.
https://www.lenntech.es/library/glass.htm

ORTIZ, Abdón

2014                Materiales Cerámicos. [diapositiva]. Consulta: 17 de octubre de 2021.

https://slideplayer.es/slide/1036560/

PARALIEU, Gaston

Materiales Cerámicos. Consulta:7 de noviembre de 2021.

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

SAPIENSMAN

Documentos técnicos: Compuestos cerámicos. Estructura. Propiedades. Aplicaciones.  Consulta:7 de noviembre de 2021.
http://www.sapiensman.com/tecnoficio/docs/doc29.php

TODACULTURA

Breve visión histórica de la cerámica. Consulta:7 de noviembre de 2021.
http://www.todacultura.com/ceramica/historia.htm

UNIVERSAL LASER SYSTEMS
“Vidrio y cerámica”. Consulta: 7 de noviembre de 2021.
https://www.ulsinc.com/es/material/vidrio-cer%C3%A1mica-descripci%C3%B3n-general

TEXTOSCIENTIFICOS

Cerámicas avanzadas. Consulta: 7 de noviembre de 2021

http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas

CERAMICAFANDOM

Cerámicas estructurales, Consulta: 7 de noviembre de 2021

https://ceramica.fandom.com/wiki/Cer%C3%A1micos_estructurales

MONOGRAFÍAS

Cerámicas estructurales – Propiedades y clasificación. Consulta: 7 de noviembre de 2021

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

INDUSTRIA CERÁMICA MODERNA

Cerámicas funcionales. Consulta: 7 de noviembre de 2021

https://repositorio.sena.edu.co/bitstream/handle/11404/4010/no_02_industria_ceramica_moderma.pdf;jsessionid=A61A47C0A5219EE8A45DA58716B344AB?sequence=1

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