Propiedades de los Materiales Cerámicos: Una Introducción, Apuntes de Química

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INSTITUTO UNIVERSITARIO DEL NORTE.

TEMA.

Propiedades de Materiales Cerámicos.

GRADO.

2 A IIS.

ALUMNO.

Aarón Fabricio Montejano Cortez.

MAESTRA.

Ing. Cinthya Martínez.

Saltillo Coahuila, 09 de Marzo de 2019.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CERAMICOS.

Propiedades Físicas.

Densidad.

La densidad es una mediad de la masa por unidad de volumen y se reporta en unidades de gr/ cm³. Este término densidad usado por si solo se puede interpretar de varias maneras, para asegurar que la interpretación que se le dé, sea la adecuada:

1. Densidad cristalográfica. Es la densidad ideal que podría ser calculada a partir de la composición en una red cristalina libre de defectos.
2. Gravedad especifica. Mismo término que densidad cristalográfica.
3. Densidad teórica. Mismo término que los anteriores, pero tomando en consideración soluciones solidad y fases múltiples.
4. Densidad total. Es la densidad medida en un cuerpo cerámico, incluye los defectos de la red, fases presentes y porosidad por el proceso de fabricación.

Los tres primeros casos tienen la característica de cero porosidad en su fabricación, solo tiene espacios libres entre sus átomos. Los casos donde la porosidad esta presente es por el proceso de fabricación, el término de densidad total es usado.

La densidad está determinada por tamaño, peso de los elementos y empaquetamiento de su estructura. Elementos de bajo número y peso atómico (H, Be, C, Si) cuentan con baja densidad cristalográfica. Elementos en alto número y peso atómico (W, Zr, Th, U) son materiales con alta densidad.

En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de materiales cerámicos, el carburo de wolframio (WC) tiene una densidad de 5 mayor que el carburo de silicio (SiC).

Temperaturas de fusión de materiales cerámicos y metálicos.

Propiedades Térmicas.

Capacidad calorífica.

La capacidad calorífica se define como la energía requerida para elevar la temperatura de un material y se reporta en unidades de cal/molºC. La capacidad calorífica de un material cerámico se incrementa con la temperatura hasta los 1000ºC, después de esta temperatura ocurren incrementos muy pequeños dependiendo del material cerámico.

Conductividad térmica.

La conductividad térmica (k) es la velocidad con que el flujo de calor pasa a través de un material, donde las calorías son la cantidad de calor, los cm² son el tamaño de la sección transversal a través del cual están pasando, ºC es la temperatura del cuerpo cerámico y cm es la distancia que el calor debe recorrer. La siguiente figura muestra la conductividad térmica de materiales cerámicos y metálicos.

La cantidad de calor transferido está controlada por la cantidad de energía térmica presente, la naturaleza del flujo de calor en el material y el calor disipado. La energía calorífica es una función de la capacidad calorífica volumétrica (c). Los medios de conducción son los electrones o los fonones, cuando esto ocurre por medio de los fonones se llegan a tener vibraciones simples en la red cristalina.

Kαc y ∆

La conductividad térmica (k) es directamente proporcional a la capacidad calorífica (c), a la cantidad y velocidad del medio de transporte (v) y al patrón principal (λ), conocido como coeficiente de conductividad térmica y es una propiedad de cada material.

Conductividad térmica de materiales cerámicos y metálicos.

En los cerámicos el medio principal de transporte de calor son los fonones o radiación, la conductividades más alta se alcanzan en estructuras desordenadas, como por ejemplo, estructuras simples, estructuras con elementos de pesos atómicos similares y estructuras que no contengan átomos extraños en solución sólida.

El diamante y el grafito son buenos ejemplos de estructuras cerámicas simples que tienen altas conductividades térmicas. El diamante su conductividad a temperatura ambiente de 9W/cm ºK por su estructura anisótropa.

El BeO, SiC y B4C son ejemplos de materiales cerámicos con elementos de peso atómico y tamaño similar y tiene alta conductividad térmica, debido a que la dispersión de red es pequeña en su estructura. En materiales como el UO2 y ThO2 tiene gran diferencia de peso atómico y tamaño los aniones y cationes ocurren desviaciones de red y por tanto tienen conductividades térmicas pequeñas.

En algunos materiales cerámicos, especialmente en los óxidos y en los haluros, los iones pueden ser medios de conducción eléctrica. El grado de conductividad depende fuertemente de la barrera de energía que el ion debe superar para moverse de una posición en la red a otra. A baja temperatura de la conductividad es mínima, sin embargo, cuando la temperatura es lo suficientemente alta pasa superar esa barrera de energía se tendrá difusión en la red y por tanto la conductividad se incrementara. La adición controlada de ciertas impurezas ayuda a incrementar la concentración de defectos también a mejorar la conductividad eléctrica.

Resistividad eléctrica de materiales cerámicos y metales.

Semiconductores.

Otros óxidos, tales como CoO, NiO, Cu2O y Fe2O3 tienen un intervalo de energía entre bandas de electrones llenas y vacías de manera que la conducción solo ocurrirá cuando una fuente de energía es aplicada para cerrar ese intervalo abierto.

Las propiedades de semi conductividad se pueden conseguir en muchos cerámicos por medio de dopantes o formando sitios a través de su estequiometria. Ejemplos de cerámicos de este tipo incluyen TiO2, ZnO, CdS, BaTi3, Cr2O3, Al²O3 Y SiC.

Los cerámicos con propiedades semiconductoras tienen muchas aplicaciones importantes, el CuO2 es usado como rectificador, que es un dispositivo que permite que el voltaje fluya en una dirección y convertir la corriente alterna en directa. Las espinelas semiconductoras como

el Fe3O4 diluidas pueden formar una solución solida con espinelas no conductoras tales como MgAl2O4, MgCr2O4 y Zn2TiO4, pueden ser usadas como termistores, dispositivos que controlan la temperatura en función de la temperatura.

Aislantes eléctricos.

La mayoría de los óxidos puros y los silicatos cerámicos son muy resistentes al paso de la electricidad, son buenos aislantes. Esta alta resistividad eléctrica, combinadas con propiedades como la estabilidad química y térmica a altas temperaturas, permite su uso en muchas aplicaciones.

Diferentes aplicaciones requieren diferentes características; por ejemplo, los substratos deben tener alta resistencia mecánica y estabilidad química pero también alta conductividad eléctrica y superficie de acabado tersa. La alta conductividad térmica es requerida para disipar el calor provocado por los resistores, y bajo ciertas condiciones de uso no se emplean a temperaturas tan altas como 250ºC.

Propiedades dieléctricas.

Los materiales cerámicos aislantes son usados debido a sus propiedades dieléctricas. Este término se refiere a la polarización que ocurre cuando el material es colocado dentro de un campo eléctrico. La carga negativa cambia en medida se acerca al electrodo positivo y la carga positiva al acercarse al electrodo negativo. La polarización resultante de una combinación de efectos electrónicos, iónicos y la orientación de los dipolos es conocida como constante dieléctrica (k). Esta constante dieléctrica para algunos materiales cerámicos es dada en la siguiente tabla. Otra propiedad es la resistencia dieléctrica, definida como la capacidad de los materiales de resistir un campo eléctrico sin que se fracturen. Los valores precisos de esta propiedad son difíciles de obtener experimentalmente.

En general, los cerámicos cristalinos simples tienen mayores valores de la resistencia dieléctrica que la de los cerámicos policristalinos.

La tecnología de los cerámicos magnéticos está muy bien desarrollada en la actualidad, de manera que las propiedades magnéticas de un material pueden ser controladas sobre un amplio intervalo de su composición en el proceso de fabricación.

Propiedades ópticas.

Absorción y transparencia.

Estas son dos propiedades ópticas estrechamente relacionadas; si la radiación electromagnética incidente estimula los electrones para moverlos de su estado basal de energía a un nivel más alto de energía, la radiación es absorbida y el material es opaco para esta longitud de onda partículas de radiación.

Los cerámicos iónicos tienen lleno su ultimo nivel d energía de manera tal que este puede ser comparado con la configuración electrónica de los gases inertes, por lo que presenta niveles de energía disponibles para el movimiento de los electrones. La mayoría de los cristales cerámicos iónicos son transparentes a la mayoría de las longitudes de onda electromagnéticas. Los cerámicos covalentes varían en su nivel de transmisión óptica.

La absorción óptica puede ocurrir debido a la resonancia, esto cuando la frecuencia de la radiación electromagnética es similar a la frecuencia natural del material. Las oscilaciones resultantes en el material absorben la radiación y entonces el material es óptimamente opaco.

La transparencia óptica es importante en muchas aplicaciones. El vidrio y una gran variedad de cerámicos iónicos son transparentes en el intervalo visible del espectro. Esto es el intervalo entre las longitudes de onda de 0.4 a 0.7um.

Color.

El color es otra propiedad óptica que permite muchas aplicaciones de los cerámicos. El color resulta de la absorción de una relativa longitud de onda de radiación dentro del intervalo visible del espectro. Esto ocurre en donde hay elementos de transición presentes que tienen un nivel d incompleto (Mn, Fe, Co, Ni, Cu) o nivel f incompleto (lantánidos).

Los colorantes cerámicos son ampliamente usados como pigmentos de otros materiales para usarse a altas temperaturas. Estos materiales son importantes cuando otro tipo de pigmentos se destruyen a altas temperaturas. Por ejemplo, en los esmaltes de la porcelana que tiene que ser calentados a temperaturas de 750 a 850ºC. Los cerámicos que tienen la estructura de la espinela AB2O4 son usados en este intervalo de temperaturas.

Fosforescencia.

La fosforescencia es otra propiedad óptica importante que presentan algunos materiales cerámicos. Es la emisión de la luz que resulta de la excitación del material por una fuente de energía apropiada. Los cerámicos fosforescentes son usados para la creación de luces fosforescentes, en las pantallas de los osciloscopios, de televisiones, lámparas de fotocopiadoras.

Las lámparas de las fotocopiadoras también usan materiales cerámicos fosforescentes. El MgGa2O4 dopado con Mn es el más usado, resultando una amplia banda de emisión de luz en el intervalo de longitud de onda de color verde.

Propiedades Mecánicas.

Las propiedades mecánicas de un material determinan sus limitaciones en las aplicaciones estructurales, en donde el material es requerido para soportar cargas.

Elasticidad.

Cuando una carga es aplicada a un material, ocurre una deformación en el mismo debido a un cambio pequeño en sus espacios atómicos. La carga es definida en términos de esfuerzo.

La cantidad y el tipo de deformación dependen de la resistencia del enlace atómico del material, el esfuerzo y la temperatura. Hasta cierto límite de esfuerzo aplicado a un material la deformación puede ser reversible, es decir que cuando el esfuerzo es removido, el espaciamiento interatómico regresa a su estado original y así la deformación desaparece.

A temperaturas ambiente intermedias y para cargas aplicadas por periodos de tiempo cortos, la mayoría de los cerámicos se comportan elásticamente sin ninguna deformación plástica hasta la fractura. A esto se le conoce como fractura frágil y es una de las características de un cerámico que debe ser considerada en su diseño de aplicaciones estructurales.

La mayoría de los cerámicos tienen cierta plasticidad a elevadas temperaturas, incluso a temperatura ambiente los cerámicos tales como el LiF, NaCl y MgO tienen cierta deformación plástica, especialmente bajo cargas constantes; todos estos cerámicos tienen una estructura de roca de sal que es simetría cubica y tiene sistemas de deslizamiento para que ocurra la deformación plástica por medio del movimiento.

(a) (b) (c)

• Forma del poro. Puede tener un efecto menor en la concentración de esfuerzos que una grieta con punta aguda. Sin embargo los poros en los cerámicos no son esféricos, son irregulares.
• Combinación poros y grietas. La más simple y común combinación entre poro y grieta implica una intersección del poro con los límites de grano del material. Si el poro es mayor que el grano de material, los extremos del poro son una buena aproximación del tamaño de defecto crítico para que ocurra la falla.
• Poros internos. El efecto en la resistencia de un poro interno depende de la forma del poro y de su posición con respecto a la superficie, el puente que separa al poro de la superficie puede romperse en un momento dado si este es pequeño y entonces aparecerá una grieta crítica que tenga el tamaño del poro más el puente.
• Agrupamiento de poros. Si se localizan muchos poros unos de otros, el material entre ellos se puede agrietar de manera que puede unir a los poros y así tengan defectos de gran tamaño que se tendrá una menor resistencia del material.
• Inclusiones. Se dan en materiales cerámicos debido a su contaminación durante el procesamiento. El grado de reducción de la resistencia que provoca una inclusión depende de las propiedades térmicas y elásticas con las de la matriz. Las diferencias de expansión térmica pueden resultar en grietas que se forman de manera adyacente a la inclusión mediante el enfriamiento después de la temperatura de fabricación. El peor decremento en la resistencia ocurre cuando se tienen bajos coeficientes de expansión térmica y bajos módulos de elasticidad en la inclusión comparados con los del material de la matriz, en este caso, el tamaño efectivo de la grieta es mayor que la inclusión visible. Y es equivalente al tamaño de la inclusión más la longitud de grietas adyacentes.

Mediciones de la Resistencia.

• Resistencia tensil. A los cerámicos normalmente no se les caracteriza por medio del ensayo tensil, debido al alto costo de fabricación de la muestra y el requerimiento de una extremada buena alineación. Cualquier desalineamiento provoca pandeamientos y una concentración de esfuerzos en las grietas de la superficie, que resulta en una incertidumbre de la resistencia tensil medida. La resistencia a la tensión es adecuada en los cerámicos, se utilizan galgas de deformación mismas que determinan la cantidad de pandeamiento y de esta forma se puede llevar a cabo el análisis para conocer la distribución de los esfuerzos.

Otro método para medir la resistencia tensil de un cerámico es conocido como el ensayo de tetha, aplica una carga de compresión a los dos arcos produce un esfuerzo uniaxial tensil en la barra central. Muy pocos ensayos se llevan a cabo a través de este método debido a la dificultad para maquinar la muestra.

• Resistencia a la compresión. Es la resistencia al aplastamiento de un material, se usa muy poco en metales pero común en los cerámicos, pero especialmente en los que soportan cargas estructurales, ‘como ladrillos refractarios o de construcción. La resistencia a la compresión de un cerámico es mucho mayor que su resistencia tensil y es benéfico diseñar un cerámico que soporte cargas pesadas en comprensión. Aquí los esfuerzos residuales generados durante la compresión deben ser superador primero por los esfuerzos de tensión antes que uno adicional de tensión pueda fracturar al cerámico.

Datos de Resistencia para Materiales Cerámicos.

Estos datos son adecuados para diferentes tipos de materiales cerámicos para hacer una selección inicial del material para cierta aplicación, pero no son suficientes y hay que hacer mayores consideraciones cuando se requiera escoger un material cerámico para una aplicación específica. Para entender los datos, se debe conocer la cantidad de porosidad en el material, tamaño de la muestra. Para varias aplicaciones la resistencia a alta temperatura es más importante que la resistencia a temperatura ambiente.

Debería esperarse que la resistencia de un material disminuya con la temperatura en proporción al decremento en su módulo elástico. Pero a altas temperaturas, la velocidad del decremento en la resistencia es mayor, generalmente debido a efectos no elásticos. Por ejemplo, la mayoría de los cerámicos tiene composiciones químicas secundarias que se concentran en los límites de grano, y que se reblandecen a alta temperatura lo que hace que disminuya la resistencia del material.