2. ¿Qué son
los materiales cerámicos?
MaterDerivado de la palabra griega “Keramos”: Material
Quemado
Materiales inorgánicos y no metálicos
– Óxidos, nitruros, boratos, carburos, silicatos, y sulfuros.
– Compuestos intermetallics (i.e. aluminatos)
– Fosfatos, antimoniuros, y arseniuros
Propiedades presentes después de tratamientos térmicos
(horneado) a altas temperaturas (> 1000oC)
3. Tipos
de materiales cerámicos
En general, los materiales cerámicos usados para
aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos
grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales
cerámicos de uso especifico en ingeniería.
5. Cerámica
tradicional
Normalmente los materiales cerámicos tradicionales
están constituidos por tres componentes básicos: arcilla,
sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos
tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las
industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas
de uso en la industria eléctrica.
6. Cerámicas
avanzadas o de ingeniería
Están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros
tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro
de silicio(Si3N4).
Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología
punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la
turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte
para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción
térmica.
7. PROCESAMIENTO
DE CERÁMICAS
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 si.
Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de
partículas son: (1) preparación de material; (2) moldeado o fundido;
(3) tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de
la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para
mantener las partículas enlazadas.
8. Propiedades
mecánicas
En general, son frágiles, su resistencia a la tracción va desde
100 psi(0.69 MPa), hasta 106psi(7 x 103MPa). Pero en general
pocos cerámicos alcanzan los 25ksi.
La resistencia a la compresión es en general de 5 a 10 veces
mayor que la resistencia a la tracción. Su dureza depende del
tipo de cerámico, siendo poca para cerámicos tradicionales y
muy alta para cerámicos de ingeniería (herramientas de
corte) y su resistencia al impacto es en general muy baja.
Superficie dura.
Resistentes a esfuerzos de compresión e impacto.
9. Propiedades
eléctricas
Enlace químico determina las propiedades eléctricas.
Electrones libres en los materiales (Ej. en los metales), permiten
conductividad eléctrica a través del material.
Aislamiento eléctrico se obtiene cuando no hay electrones libres (Ej. en el
diamante y la mayoría de las cerámicas).
Conducción eléctrica en cerámicas puede ocurrir a altas temperaturas -
iones excitados y desprendimiento de las estructuras primarias,
permitiendo “conductividad iónica”.
Optimizando y combinando la materia prima se logra mejorar las
propiedades eléctricas de los aisladores.
10. Propiedades
térmicas
Punto de Fusión
– Punto de fusión de cada cerámica es influenciada por el tipo de enlace: iónico,
covalentemente/iónico o covalente.
– Mientras mas fuerte sea el enlaces, mayor es el punto de fusión.
Resistencia al impacto térmico
– Coeficiente de expansión térmica depende de la estructura cristalina y de la
Fuerza del enlace
– Mientras mas fuerte sea el enlace en la estructura, menor será el coeficiente de expansión
térmica
– Porosidad y micro grietas ayudan a disipar el calor y evitar fallas por impacto térmico.
Aislamiento térmico
– Parcialmente dependiente a la estructura de los cristales, (punto de fusión).
12. Técnicas
de conformado
Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas
pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones
secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son
predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado
en caliente también se usan con frecuencia. Prensado en seco, por
inyección y extrusión son los métodos de modelado de cerámica que se
utilizan mas comúnmente.
13. Prensado
en seco
Este método se usa frecuentemente para productos refractarios
(materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos
electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación
uniaxial simultanea y la conformación de los polvos granulados con
pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel.
El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran
variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.
14. Inyección
Similar a la inyección de plástico mezclado y compactado por
cilindro atornillado, con 30%-40% de plásticos/aditivos
Componente se remueve al enfriarse, y los plásticos por disolución o
evaporación
Usado para componentes pequeños y complejos
Ciclo de inyección 10 segundos
15. Extrucción
Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los
materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de
embutir. Este proceso es de aplicación común en la producción.
Dos métodos de extrusión:“Ram o Pistón” e Indirecta.
Posible cortar a longitudes requeridas.