CERÁMICOS

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Autores:

Jazmín M. Benites Matorela
Diego Alonso Ballena Pisfil

Fig. 1: Cerámicas tradicionales y de ingeniería. Recuperado de https://sites.google.com/site/materialesceramicoseq6/Home/115-cermicas-tradicionales-y-de-ingeniera

INTRODUCCIÓN

Cuando se piensa en cerámicos, lo primero que se nos viene a la mente es algún jarrón antiguo que se exhibe sólo por su valor histórico. Al inicio de este blog se pensó lo mismo; sin embargo, al momento de investigar nos dimos cuenta del poco conocimiento que se tiene del tema.

Como se expondrá en el presente artículo, los materiales cerámicos son muy importante para toda industria actual, no solo se usa de forma decorativa o en construcciones si no, gracias a los avances tecnológicos, los materiales cerámicos también se usan en diversos campos y aplicaciones como la aeronáutica, medicina, industria automotriz, etc.

Definición

Un material cerámico es aquel constituido por sólidos inorgánicos metálicos o no metálicos, también pueden ser cristalinos, no cristalinos, o mezcla de ambos. Lo más resaltante de los materiales cerámicos son sus enlaces iónicos y/o covalentes que determinan las propiedades tan valoradas en las industrias. Estos materiales se deben someter a tratamiento térmico a temperaturas altas para que de esta manera consiga su forma pétrea. Adicionalmente, una característica de los ceramios es que la materia prima para realizarlos se encuentra en gran abundancia en la superficie terrestre.

Propiedades

Gracias a sus enlaces iónicos y/o covalentes los cerámicos poseen propiedades y ventajas que son muy útiles y valorados en el ámbito industrial, por ejemplo:

Propiedades físicas:

Propiedad mecánica: alta dureza y rigidez,
Alta resistencia a la compresión, usados en cerámicas como arcilla, cemento y productos de vidrio
Baja densidad, lo cual lo hace excelentes aviones, motores, etc.
Alta resistencia al desgaste
Poca fricción

Propiedades químicas:

Las propiedades térmicas: Aislantes térmicos, usados para mejorar la eficiencia energética, evitar algún incidente con material inflamable, etc.
Propiedades eléctricas: Aislantes eléctricos ya que poseen una alta resistencia dieléctrica y baja constante dieléctrica, usados en los cables de alta tensión, tendido eléctrico y similares, entre los productos están los de soporte tipo bus, tipo bastón, línea tipo poste, etc.

Adicionalmente, el mantenimiento de estos materiales es mínimo por lo que fueron y son preferidos para el uso doméstico del hogar.

Técnicas

El proceso de realizar las cerámicas tradicionales y nuevas es similar ya que requieren un sometimiento a altas temperaturas; sin embargo, la materia prima y las etapas determinan la diferencia en el producto final. Para los cerámicos tradicionales su materia prima se encuentra en la naturaleza como lo son arcilla, sílice y feldespato y por otro lado, la materia prima de los cerámicos avanzados son polvos ultrafinos.

Adicionalmente, la industria de la cerámica también realiza procesos intermedios para otras industrias, esto quiere decir que un proceso sin terminar se les entrega a otras industrias para su uso.

Esto son algunas técnicas para definir las propiedades del producto final:

Prensado en seco: Usado para conseguir piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.
Compactación isostática: Esta técnica se le aplica presión junto a un molde para obtener la forma requerida, después se deja enfriar y se le pasa al fuego para obtener propiedades microestructurales requeridas. Por ejemplo: refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes.
Compresión en caliente: Ayuda a conseguir piezas de alta densidad.
Extrusión: Se puede realizar de forma fría, caliente, directa, etc. Cada uno posee diferentes propiedades y será cuestión de la necesidad del productor.

Aplicaciones tradicionales

Los materiales cerámicos estuvieron presentes desde hace 9 mil años y esto se puede apreciar en los distintos objetos encontrados a través de los años. Se puede observar que tuvieron un uso doméstico, religioso y artístico. Y a pesar del paso del tiempo siguen siendo parte esencial de la sociedad actual.

Doméstico: Usados desde civilizaciones antiguas como forma de almacenar alimentos ya sean bebidas o montones de cosecha. Actualmente, se sigue usando de forma doméstica pero más decorativamente ya que no es necesario el almacenamiento de alimentos en estos recipientes.

Fig. 2: Tipología y seriación de la cerámica proveniente del cementerio chimú de huaca de la luna, Perú. Recuperado de https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-68942018000300027

Religiosos: Representación de deidades en cada cultura.

Fig. 3. Recuperado de https://co.pinterest.com/durleycastao/ceramicas-cat%C3%B3licas/

Artísticos: Representación de cada civilización.

Fig. 4. LAS MANIFESTACIONES ARTÍSTICAS EN LA ÉPOCA PRECOLOMBINA. Recuperado de https://www.revistacredencial.com/historia/temas/las-manifestaciones-artisticas-en-la-epoca-precolombina

Edificador: Esta aplicación tradicional aún se usa de forma activa en la industria de la construcción para casas, edificios, etc.

Vidrios

Dentro de la clasificación de los cerámicos, se encuentran los vidrios. Los cuales son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos y, similar a los materiales cerámicos, son sólidos inorgánicos no metálicos que se forman con la fundición a altas temperaturas. Conformados por sustancias minerales, ya sean carbonatos o arena (silicatos, SiO₂) que después de someterlos a altas temperaturas, son enfriadas mientras le dan la forma deseada.

Fig. 5. Vidrio. Recuperado de https://www.caracteristicas.co/vidrio/

Propiedades:

Transparencia óptica: Capaz de permitir el paso el espectro visible a través del este
Son reciclable, lo cual actualmente el muy importante
Cualidad térmica: Capaz de conducir tanto el calor como el frío (no posee punto definido de ablandamiento)
No solidifican de la misma manera que los materiales cristalinos
impermeable

Una notable diferencia entre estos dos materiales es su estructura. El material cerámico es cristalino y, por otro lado, el vidrio es amorfo.

Las nuevas cerámicas

Debido a la constante evolución de la sociedad se han originado necesidades nuevas que nos incitan a crear nuevos inventos para saciarlas. Pero para generar estos nuevos inventos se necesitan materiales que, en el pasado, solo se centran en materiales para la construcción de viviendas o para el arte. En estos días, gracias al inmenso avance tecnológico que hemos desarrollado, se busca materiales que no solo sirvan para la construcción los nuevos inventos, también para la mejoría y optimización del funcionamiento de estos mecanismos.

Las cerámicas tradicionales son aquellas que están elaboradas a base de silicatos, especialmente de materiales arcillosos, vidrios de silicatos y materias arcillosos. Las propiedades de estos materiales son su alta dureza y rigidez, buenas propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, buena estabilidad química y térmica, altas temperaturas de fusión, fragilidad mecánica, baja ductilidad, baja tenacidad y elevada resistencia a la compresión. Gracias a estas características este material puede ser buen candidato para su aplicación en las nuevas tecnologías, pero para poder emplearlas se necesitaba mejorar y disminuir algunas de sus características. Por este motivo, se dio origen a las nuevas cerámicas.

Características de las nuevas cerámicas

Se entiende por nuevas cerámicas como los materiales cerámicos que se han conseguido desarrollar en las últimas décadas. Como se mencionó anteriormente, las propiedades de los materiales cerámicos son muy valoradas en las industrias por lo que era de esperar que se enfoquen en mejorar cada vez más estos procesos e incluso la combinación de propiedades únicas de los cerámicos. Esto se puede apreciar ya que su uso se extiende a diferentes ámbitos importantes para la sociedad: Pueden ser usados en motores de combustión interna y en turbinas ya que sus propiedades térmicas ayudan a evitar pérdidas energéticas y así ayudar al eficiente consumo de combustible. También, como herramientas de corte, como el caso de Carburo de titanio usado para evitar el desgaste en las herramientas de corte como un componente de resistencia ácido aceros inoxidables y metales duros. Adicionalmente, está la alúmina sintética a partir de la bauxita usada para reemplazar huesos artificialmente. Entre muchas otras más aplicaciones importantes para la actualidad.

Preparación

En la preparación de las nuevas cerámicas se emplea compuestos de alta pureza de elementos químicos: óxidos y sulfuros. Estos poseen propiedades no metálicas y pueden ser obtenidos del desecho de algunos procesos industriales o también pueden ser encontrados en la naturaleza. El primer material de partida es obtenido en forma de polvos ultrafinos que, al ser sometidos a altas presiones, cambian el orden de sus partículas pareciendo estar empaquetadas. A mayor sea la uniformidad y empaquetamiento, menor será la porosidad y mayor será la resistencia.

El tamaño y la distribución de partículas es importante es por eso que existen diversas técnicas para poder lograr esto. Las técnicas más usadas para el procesamiento son la molienda de bolas, la precipitación, el cribado, la utilización de láser, la molienda vibratoria, elutriación, clasificación por aire, plasma, molienda en atricionador u elutiación. En la utilización de cada técnica se emplean algunos aditivos que son clasificados según el rol que cumplen en las distintas etapas de formación. Los tipos de aditivos son los aglutinantes, los lubricantes, aditivos de sinterización y los defloculantes.

Los aglutinantes proveen resistencia, los lubricantes disminuyen la fricción, los aditivos de sintetización activan la densificación y los defloculantes se emplean para obtener propiedades reológicas.

Luego de obtener la calidad de polvo deseada, se realiza el formado para moldear el diseño final del material. Es necesario utilizar una de las técnicas de conformado y consolidación de cerámicos: prensado, vaciado, formado plástico, entre otros.

Después de la realización de este proceso, se realiza el sinterizado. Se basa en la remoción de los poros mediante diferentes procesos según el tipo de sinterizado a través de una energía impulsora.

Finalmente, se realiza el control de calidad donde se describe el paso a paso de la elaboración para poder certificar cada operación.

Cerámicas estructurales

Las cerámicas estructurales son materiales que combinan las características de las cerámicas tradicionales, pero sumándole la capacidad de soportar una tensión mecánica y térmica significativa.

Las cerámicas estructurales avanzadas se diferencian de las tradicionales en los polvos, composiciones, procesado y microestructura que deben ser meticulosamente controlados para funcionar de acuerdo con los niveles requeridos. Por este motivo, las cerámicas estructurales avanzadas son más costosas que las tradicionales que son económicas debido a su poco procesamiento y abundancia en el mercado.

Otra forma de clasificarlos es por si están basados en óxidos o no: cerámica oxídica y no oxídica. Las cerámicas oxídica se dividen en , mullita y . Y, por otro lado, las cerámicas no oxídicas se dividen en carburos, nitruros, boruros, siliciuros, diamante y grafito.

Fig. 6. Pinto Andrés Cerámicos. Materiales y materias primas. Buenos Aires: Ministerio de Educación. Recuperado de http://www.inet.edu.ar/wp-content/uploads/2012/11/ceramicos.pdf

Las cerámicas estructurales poseen dos propiedades que se mencionaron anteriormente: Propiedades mecánicas y térmicas.

Propiedades mecánicas: Este tipo de cerámicas son resistentes al desgaste, a la corrosión y a la abrasión. Además, son duros y poseen una durabilidad a largo plazo a comparación de los tradicionales.

Propiedades térmicas: La mayor diferencia entre las cerámicas tradicionales y las cerámicas estructurales es que, estas últimas, son buenos conductores térmicos debido a que presentan en su composición metales, metaloides o aleaciones metálicas.

Cerámicas funcionales

Las cerámicas funcionales son aquellas que poseen propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, químicas o biológicas y, por ende, se pueden utilizar en distintos campos. Debido a las propiedades que presenta, podemos notar que su creación a sido reciente y que son la innovación de la industria de las cerámicas.

Dentro de este tipo de cerámicas se han desarrollado materiales que cumplen distintas funciones:

Electro cerámicas: Se dividen en aislantes, ferroeléctricos, piezoeléctricos, conductores y superconductores.

Los aislantes no conducen electricidad y se usan en sustratos de circuitos de instalaciones eléctricas y de resistores. Los materiales ferroeléctricos presentan una polarización espontánea dieléctrica cuya dirección puede cambiar de forma reversible por un campo transitario. Se emplean en la fabricación de condensadores que acumulan carga eléctrica. Los piezoeléctricos son aquellos que sufren una deformación mecánica al ser sometidos a un campo eléctrico. Los conductores ofrecen poca resistencia al movimiento, em cambio, los superconductores transportan la energía eléctrica prácticamente sin resistencia. Los superconductores se utilizan mayormente en las computadoras y en los trenes que levitan.

Biocerámicas: Las más antigua y conocida de estas es la porcelana dental. Estas cerámicas son biocompatibles por las propiedades biológicas que presentan. Se suelen utilizar para la construcción de prótesis y huesos artificiales.
Cerámicas con propiedades químicas: Estas cerámicas reaccionan ante la humedad o la presencia de gases, por este motivo, se están empleando para la construcción de sensores de factores atmosféricos.

Campos de aplicación de las nuevas cerámicas

Debido a la investigación sobre este tipo de materiales que se dirigió hacia la obtención de otros materiales con mayor resistencia al choque mecánico y ductilidad por la modificación de su estructura, ha traigo como consecuencia la producción de diferentes materiales que contribuyen en la revolución de distintos campos.

Industria automotriz: Las cerámicas refractarias de gran rendimiento brindan la posibilidad de aumentar el rendimiento al permitir temperaturas elevadas y reducir pérdidas térmicas, mecánicas e inerciales. Además, se puede incrementar la eficacia de la combustión mediante el uso de sensores cerámicos en contacto con los gases de escape.
Industrias aeroespaciales: En misiones aeroespaciales se llega a superar los 1200 °C es por eso que se buscan materiales que sean resistentes a altas temperaturas. Por ejemplo, se está investigando el uso de un compuesto de aluminio y carburo de silicio que funcione como una capa líquida que actúe como una piel protectora sobre el sustrato. Por otro lado, también se está investigando su uso de cerámicas de titanio, de carbón y algunas de Ti-Al y en discos de turbinas y materiales para aletas. No obstante, es difícil seguir las investigaciones en este campo debido a la poca información que se posee.
Industria odontológica: Las biocerámicas son las empleadas en este campo para la fabricación de utensilios y aparatos usados en las prácticas odontológicas. Por ejemplo, se emplea en la reparación ósea, la preparación de resinas y materiales de pulido a partir de silicatos. Este tipo de cerámica posee cualidades estéticas y resistencia al desgaste, es por este motivo que se utiliza la porcelana sintética en la colocación de Brackets.
Industria electrónica: La primera aplicación en este campo en la que podemos pensar es su utilización como aislante en sistemas electrónicos debido a su mala conducción eléctrica y de calor. Por otro lado, tenemos a los condensadores eléctricos que están hecho de cerámica ferroeléctrica. Estos almacenan energía en un campo eléctrico interno. Y, finalmente, tenemos la utilización de las cerámicas para la elaboración de imanes. Estas piezas son clave para la construcción de aceleradores de partículas, altavoces, motores eléctricos y las máquinas que producen las imágenes por resonancia magnética.

Fig. 7. Pinto Andrés Cerámicos. Materiales y materias primas. Buenos Aires: Ministerio de Educación. Recuperado de http://www.inet.edu.ar/wp-content/uploads/2012/11/ceramicos.pdf

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

En conclusión, nuestro grupo considera que las cerámicas funcionales son las más relevantes actualmente debido a su amplia aplicación tecnológica. Como bien sabemos, la tecnología sea convertido en una necesidad para nosotros ya que, nos ayuda a realizar diversas actividades que son indispensables para el correcto funcionamiento de sociedad. Por este motivo, es necesario que se incite y se apoye a las nuevas investigaciones sobre este tipo de materiales para poder seguir mejorando y encontrar nuevas aplicaciones que revolucionarán diversos campos en las industrias. Uno de los campos que creemos más importante es la exploración espacial ya que, actualmente, es un campo poco desarrollado, pero con grandes visiones a futuro que nos permitirá adquirir nuevos conocimientos y hasta crear nuevas tecnologías.