Cerámicos - ciencias de los materiales
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CERÁMICOS
Cerámicos
• Clasificación
• Propiedades mecánicas
• Aplicaciones
• Métodos de fabricación
Clasificación de los cerámicos
Propiedades: - alta Tf, baja tenacidad, baja ductilidad, alto E Aplicaciones: altas T, alta resistencia a la abrasión Fabricación - fundidos, sinterizados
Vidrio Arcilla Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicos avanzados
- óptico - fibras de
vidrio - contenedores - artículos
domésticos
- ladrillos - artículos
domésticos
- ladrillos para hornos
- lija - esmeril - pulidoras
- compuestos estructurales
- turbinas - válvulas - rodamientos
Diagramas de fase de cerámicos MgO-Al2O3
Propiedades mecánicas
Los materiales cerámicos son mas frágiles que los metales ¿Por qué? • Solidos altamente iónicos, es difícil el movimiento de dislocaciones • Pocos sistemas de deslizamiento • Resistencia de movimiento de iones como cargas
Ensayo de flexión – módulo de elasticidad
• Comportamiento a temperatura ambiente: frágil • se utiliza el ensayo de flexión de 3 puntos • el ensayo de tracción no es común
F L/2 L/2
d = deflexión
sección
R
b
d
rect. circ.
• El módulo de elasticidad se determina de la siguiente manera:
F x
elástico lineal d
F
d slope =
3
3
4bd
LFE
d
4
3
12 R
LFE
d
Ensayo de flexión - resistencia a la flexión • Ensayo de flexión de 3 puntos para medir la resistencia a la flexión
F L/2 L/2
d = midpoint deflection
cross section
R
b
d
rect. circ.
máxima tensión
• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:
Si nitride Si carbide Al oxide glass (soda-lime)
250-1000 100-820 275-700
69
304 345 393 69
Material s fs (MPa) E(GPa)
22
3
bd
LFffs s
3R
LFffs
s
Aplicaciones
Refractarios : para uso a altas temperaturas Silica(SiO2) – Alumina (Al2O3)
Composition (wt% alumina)
T(°C)
1400
1600
1800
2000
2200
20 40 60 80 1000
alumina
+
mullite
mullite
+ L
mulliteLiquid
(L)
mullite
+ crystobalite
crystobalite
+ L
alumina + L
3Al2O3-2SiO2
Matrices: alta resistencia a la abrasión carburo de tungsteno sinterizado
fuerza A o
A d matriz
matriz
Aplicaciones
Herramientas de corte: • Carburo de tungsteno • Diamantes para perforación
Sensores: ZrO2 , difusión de gases. Se añade Ca para incrementar vacancias y difusión de O2-
reference gas at fixed oxygen content
O2-
diffus
ion
gas with an unknown, higher oxygen content
-+voltage difference produced!
sensor
Métodos de fabricación
7
• Presión (moldeado):
• Soplado
• fibras
cementado
suspended Parison
Molde
aire compirimido enrollado
material
molde
presión
formado del vidrio
formado x partículas
Vidrio de sílice
Cuarzo es cristalino SiO2:
El vidrio no tiene estructura cristalina (amorfo) • A la sílica fundida (SiO2 ) se le añaden impurezas • Otros vidrios comunes contienen impurezas como iones de
Na+, Ca2+, Al3+, and B3+
vidrio común
Si 4+
Na +
O 2 -
Propiedades del vidrio
• Volúmen específico (1/rho) vs.
Temperatura
• Materiales cristalinos:
1. Cristaliza en Tm
2. Cambio abrupto en volúmen
especifico
• Vidrio:
1. No cristaliza
2. Volúmen especifico varía
lentamente
3. Temperatura de transición Tg,
cambia de pendiente
Viscosidad del vidrio
• Punto de fusión: vidrio aún
líquido
• Punto de trabajo: facil
deformación
• Punto de ablandamiento:
máximo punto al cual se puede
manejar el vidrio sin causar
alteraciones dimensionales
• Punto de recocido: Difusión
considerable, esfuerzos
residuales son eliminados
• Punto de carga: sin deformación
plástica, fractura frágil
Métodos de fabricación
• se obtiene el tamaño de partículas deseado • se mezcla el material con agua • se forma un componente crudo • el componente se seca/hornea
componente hueco
• molde
componente sólido
formado del vidrio
formado x partículas cementado
moldeado agua
crudo
• formado
moldeado drenaje crudo
Métodos de fabricación
Sinterizado : útil para materiales de componentes arcillosos y no arcillosos Procedimiento : inyección a molde y cocinado bajo presión para reducir los poros Ejm: óxido de aluminio sinterizado a 1700°C
15
formado del vidrio
formado x partículas cementado
Métodos de fabricación
• Producido en grandes cantidades • Cemento: mezcla y horneado a 1400°C
• constituido basicamente por silicato de tricálcico y silicato de dicálcico
• se añade agua para facilitar el moldeado • endurecimiento por reacciones químicas con el agua
16
formado del vidrio
formado x partículas cemento
Cerámicos avanzados
• Vidrios metálicos: “liquid metal” • Rápida solidificación (1500°C en 5 seg) • Átomos presentan una estructura amorfa (similar al
vidrio) pero están compuestos de átomos metálicos
Resumen
• Enlaces iónicos o covalentes para cerámicos
• Estructuras en cerámicos se forman en base a : 1. carga neutral 2. radios atómicos
• Imperfecciones en cerámicos
1. Puntuales: vacancias, intersticiales, Frenkel, Schottky 2. Impurezas: sustitucionales, intersticiales 3. Se debe mantener la neutralidad de la carga
• Propiedades mecánicas a temperatura ambiente – ensayos de flexión
1. linear elástico: E, sfs
2. fractura frágil
Resumen
• Clasificación de los cerámicos: • Vidrio • Arcilla • Refractarios • Cementos • Cerámicos avanzados
• Técnicas de fabricación: • formado del vidrio • por partículas • Cementos • Enfriamiento rápido
• Tratamientos térmicos: • Alivia esfuerzos residuales • Vidrio templado