CERÁMICOS

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

QUÍMICA BÁSICA

CERÁMICOS

PROFRA. ROSA MARÍA VALDÉS ALEMÁN

INTEGRANTES:

MANUEL ANTONIO BARRETO OCHOA
JOSE ROBERTO VILLALOBOS JIMENEZ

GRUPO: 1CM8






ÍNDICE
Introducción……………………………………………………………………..3

Cerámicos……………………………………………………………....……….4

Estructura Química…………………………………………………….......…..4

Clasificación………………………………………………........……………...10

Propiedades Física y Químicas….…………………………...........………..10

Propiedades Eléctricas: Constante y Rigidez Dieléctrica…………………11
Materiales Aislantes……………………........…………………….................14
Materiales Semiconductores……………………………………........………15
Propiedades Térmicas………………………………………………………..17
Aplicación en Ingeniería………………………………………………………17
Conclusión……………………………………………………………………..18





















INTRODUCCIÓN

Los materiales cerámicos desempeñan un destacado papel en una amplia diversidad de tecnologías relacionadas con la electrónica, el magnetismo, la óptica y la energía. Muchos materiales cerámicos avanzados realizan una función muy importante al aportar aislamiento térmico y propiedades en altas temperaturas. Las aplicaciones de los materiales cerámicos comprenden desde tarjetas de crédito, carcazas para chips de silicio, losas para transbordadores espaciales, imagen médica, fibras ópticas que habilitan la comunicación y vidrios seguros y eficientes en energía. Los materiales cerámicos tradicionales desempeñan una función importante como refractarios para procesamiento de metales y para aplicaciones de consumo.
La mayoría de los materiales cerámicos presentan una buena resistencia a la compresión: sin embargo, no exhiben virtualmente nada de ductilidad a la tensión. La familia de los materiales cerámicos incluye materiales inorgánicos policristalínos y de un solo cristal, vidrios inorgánicos amorfos y vitrocerámicos.
En esta unidad didáctica, repasaremos la estructura de los materiales cerámicos, ya estudiada en la unidad 3, tanto cristalinos como vítreos, resumiendo sus principales propiedades y aplicaciones. Se describirán algunos procesos productivos que completarán la visión general que sobre el procesado de materiales cerámicos debe darse.



CERÁMICOS
Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.
Las propiedades físicas de los materiales cerámicos pueden ser medidas y cuantificadas a través de ensayos y pruebas de laboratorio. Es más, muchas de estas pruebas se hallan normalizadas y cuentan con protocolos exactos que describen la forma de desarrollarlas y llevarlas a cabo.

ESTRUCTURA QUÍMICA
Puede decirse que los materiales cerámicos resultan de la combinación de elementos metálicos y no metálicos, o bien, exclusivamente de no metálicos, en los que predomina el enlace iónico o covalente entre sus átomos.
Enlace iónico

Enlace Covalente


1.-Un átomo donador y otro
receptor


1.-Compartición de electrones


2.-Electronegatividades de los
átomos muy diferentes


2.-Electronegatividades
similares


3.-Estructuras compactas


3.-Estructuras no compactas

4.-Enlace no direccional


4.-Enlace direccional


5.-La resistencia del enlace
aumenta con la carga

5.-Compuestos con resistencia
y temperaturas de fusión
altas


6.-Conductividad eléctrica
baja


6.-A menudo poseen expansión térmica baja

Además, los iones eligen la configuración más estable (disposición de aniones y cationes que maximiza la atracción y minimiza la repulsión electrostática). Mayor estabilidad mientras mayor sea el número de coordinación. Para alcanzar la mayor estabilidad, debe existir «contacto real» entre los iones de distinto signo (la gran proximidad de iones del mismo signo genera fuerte repulsión).


La relación de radios iónicos determinará la configuración más estable.
Al igual que los metales, los cerámicos pueden ser cristalinos o amorfos, aunque la tendencia hacia la vitrificación es mucho mayor que en los metales.
Entre los cerámicos pueden existir materiales con enlace…
- Puramente covalente, como el diamante.
- Marcadamente iónico, como la sal común (67% de ionicidad).
- Con una gradación entre iónico y covalente, como es el caso del arseniuro de galio.
- Con ambos a la vez (enlace mixto), como es el caso de muchos silicatos.
Los materiales cerámicos muestran a menudo estructuras complicadas, incluyendo la estructura de la perovsquita, CaTiO3, en la que los iones Ca2+ ocupan los vértices de un cubo, los iones O2-ocupan los centros de las caras de este cubo y el ión Ti4+ ocupa el centro del mismo, tal como aparece en la figura. En la estructura del corindón, Al2O3, figura 14.2b, los iones oxígeno están en las posiciones reticulares de la celda unidad, de tipo hexagonal compacta, mientras que el aluminio ocupa los lugares octaédricos. No obstante y debido a la desigual valencia de los dos iones que obliga a mantener la neutralidad eléctrica con dos iones Al3+ por cada tres O2-, hace que los iones aluminio puedan ocupar sólo dos tercios de las posiciones octaédricas lo cual lleva a una distorsión de la estructura.
El grafito, forma polimórfica del carbono, considerado generalmente como una cerámica tiene una estructura en capas, en la cual los átomos de carbono en las capas se encuentran unidos por enlaces covalentes fuertes en disposiciones hexagonales, como muestra la figura 14.2c. Las capas están enlazadas entre sí mediante enlaces secundarios débiles, de manera que permite el deslizamiento de unas capas sobre otras lo que confiere sus buenas propiedades como lubricante.

Estructuras complicadas de materiales cerámicos: a) Perovskita, b) Corindón y c) Grafito.
Estructura de espinel
La estructura del espinel típica del MgAl2O4, tiene una celda unitaria que se puede visualizar como una formación de ocho cubos más pequeños. En cada uno de estos cubos menores se localizan iones de oxígeno en las posiciones normales de una red cúbica centrada en las caras. Dentro de los cubos pequeños hay cuatro sitios intersticiales octaédricos y ocho sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan tres. En espinel normal los iones bivalentes (como el ma2+) ocupan sitios tetraédricos y los triviales (como el Al3+), los octaédricos. En los espineles inversos, el ion bivalente y la mitad de los iones triviales se localizan en los sitios octaédricos. Esta estructura la tiene muchos cerámicos eléctricos y magnéticos importantes, incluyendo el Fe3O4.



Silicatos cristalinos
Algunos materiales cerámicos contienen enlaces covalentes como lo es la cristobalita del SiO2 o sílice, aquí la disposición de los átomos en la celda unitaria proporciona la coordinación adecuada, equilibra la carga y asegura que no se viole la direccionalidad de los enlaces covalentes.


En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan cuatro vecinos cercanos (cuatro átomos de O), creando así una estructura tetraédrica, los tetraedros del silicio-oxigeno son las unidades fundamentales del sílice, de las arcillas y de los silicatos vítreos. Los tetraedros del sílice SiO44+, se comportan como grupos iónicos; los iones de O de los tetraedros de las esquinas son atraídos por otros iones, o también uno o dos iones de O, pueden ser compartidos por dos grupos tetraédricos para que se dé el equilibrio de cargas.
Silicatos.
Cuando dos iones de Mg2+ están disponibles para combinarse con un tetraedro, se produce un compuesto MgSiO4, o forsterita. Los dos iones de Mg2+ satisfacen los requisitos de carga y equilibran a los iones SiO44. Los grupos MgSiO4, producen una estructura cristalina tridimensional similar a los iones Fe2+ donde pueden combinarse con tetraedros del sílice para formar por ejemplo Fe2SiO4 llamados compuestos olivinas u ortosilicatos.


Dos tetraedros de silicatos pueden combinarse compartiendo un vértice para producir un tetraedro doble, es decir, un ion SiO32. Esta grupo puede a su vez combinarse con otros iones para producir pirosilicatos, es decir, compuestos de tetraedros dobles.
Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas.
Defectos puntuales: en los cerámicos se forman soluciones sólidas sustituciones e intersticiales, es difícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones de solución sólida, pero a los cerámicos se puede acomodar de muchas maneras las deficiencias o los excesos en las cargas. El tipo y número de iones absorbidos afectan la química superficial de las plaquetas, pero esto a su vez afecta la conformabilidad y resistencia de los productos cerámicos basados en arcillas.
Dislocaciones: no se mueven con facilidad, como no hay deslizamiento las grietas no se redondean, en consecuencia su propagación es continua.
Defectos superficiales: son los límites de grano y las superficies de las partículas.
Porosidad: es un tipo especial de defecto superficial en los cerámicos, los poros pueden estar interconectados o cerrados.

CLASIFICACIÓN
Los materiales cerámicos se clasifican según su capacidad de absorción de agua en cuatro tipos:
Porcelana
Gres cerámico
Semigres cerámico
Loza porosa.
Dicha característica física se relaciona con tres aspectos fundamentales de su proceso productivo:
Temperatura de Cocción
Presión de Moldeo
Granulometría de la Mezcla Base.
Así, los cuatro tipos cerámicos básicos y su capacidad de absorción de agua se relacionan con la temperatura de cocción según la siguiente tabla:
CLASIFICACIÓN
ABSORCIÓN DE AGUA
TEMPERATURA DE COCCIÓN
Porcelana
0%
1200°C
Gres cerámico
0.50% a 3.00%
1200°C a 1050°C
Semigres cerámico
3.00% a 6.00%
1200°C a 1050°C
Loza porosa
6.0%
1050°C a 890°C
Materiales cerámicos tradicionales:
Arcilla
Sílice
Feldespato
Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería:
Oxido de aluminio
Carburo de silicio
Nitruro de silicio

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
Químicas
Debido a que la cerámica está compuesta por óxidos, no es propensa a la oxidación; es resistente a la humedad, al agua de lluvia; así mismo, resiste el ataque de ácidos minerales fuertes como el clorhídrico, sulfúrico y nítrico, solo los ácidos fluorhídrico y fosfórico le afectan, al igual que los álcalis corrosivos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.
Estas propiedades hacen de la cerámica un material indestructible, con una resistencia química extraordinariamente alta.
Físicas
Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables.
Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.
Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos.
Una característica fundamental es que pueden fabricarse en formas con dimensiones determinadas
Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos.
Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad.
Las propiedades físicas de los materiales cerámicos pueden ser medidas y cuantificadas a través de ensayos y pruebas de laboratorio. Es más, muchas de estas pruebas se hallan normalizadas y cuentan con protocolos exactos que describen la forma de desarrollarlas y llevarlas a cabo.
PROPIEDADES ELÉCTRICAS: CONSTANTE Y RIGIDEZ DIELÉCTRICA
CONDUCTIVIDAD EN LOS CERÁMICOS; PROPIEDADES DIELÉCTRICAS:
Antes de poder especificar la conductividad propia de los cerámicos es importante poder especificar la propiedad dieléctrica que tienen estos. La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. Por ejemplo, las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislante como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.
No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas.
Como información adicional, la constante dieléctrica es la propiedad que describe el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico y permite explicar, tanto el aumento de la capacidad de un condensador como el índice de refracción de un material transparente. En tanto la constante se basa en una relación con la permitividad del material y la del vacío, denominándose permitividad relativa:
*En donde la permitividad del espacio es:
*TEORIA DESUPERCONDUCTIVIDAD:
-MATERIALES METÁLICOS Y CERÁMICOS:
Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. En la siguiente figura podemos observar cual sería el comportamiento de la resistencia de un material en función de la temperatura.
En el caso de la curva A, ocurriría si la resistencia eléctrica se debe completamente a la dispersión que los electrones sufrirían por las vibraciones de la red atómica.
La curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesen de magnitud mayor a lo común. La curva C se produciría si los electrones de la banda de conducción, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura.
Sin embargo, el cambio de conducción a superconducción se lleva acabo, únicamente cuando el material alcanza una temperatura crítica Tc, a la cual los electrones tienen una misma energía pero un spin (el ímpetu angular intrínseco de una partícula) opuesto que al combinarse forman pares. De esta manera, cuando la frecuencia de las vibraciones de los átomos dentro de la red y la frecuencia de los pares de electrones logra llegar a un movimiento armónico, ocurre la conductividad.

Constante dieléctrica:
Consideramos un condensador sencillo de placas paralelas, con láminas metálicas de área A separado de una distancia d. si se aplica el voltaje V a través de las láminas, una de ellas adquirirá una carga neta +q y la otra una carga neta –q.
q=CV o bien C=q/v
Donde C es una constante de proporcionalidad llamada capacidad del condensador. El SI para la capacidad es el culombio por voltio (C/V), o faradio (F):
1 faradio= 1 coulomb/voltio
El faradio es una unidad mucho más grande de capacidad que la que se encuentra normalmente en los circuitos eléctricos, las unidades más usadas son el picofaradio (1 pF=10*-12 F) y el microfaradio (1 uF=10*-6F). 

La rigidez dieléctrica. 
Es la cantidad de capacidad de material para albergar energía a altos voltajes. La rigidez dieléctrica viene definida como el voltaje por unidad de longitud (campo eléctrico o gradiente del voltaje). La rigidez dieléctrica se mide más cómodamente en voltios por mil (1 mil =0.001pulg) o kilovoltios/mm. Si el dieléctrico está sujeto al gradiente de un voltaje.


MATERIALES AISLANTES
Aislantes cerámicos:
Los materiales cerámicos presentan una elevada constante dieléctrica con un bajo factor de pérdidas, sin tener una composición química o microestructura especial, aunque eso sí debe controlarse más estrechamente que las correspondientes cerámicas estructurales. En la tabla siguiente se recogen los principales grupos de aislantes cerámicos.

La porcelana eléctrica consta aproximadamente de un 50 % de arcilla (Al2O3·2SiO2·2H2O), un 25% de SiO2 y un 2% de feldespato (K2O·Al2O3·6SiO2). Esta composición hace que el material tenga una buena plasticidad en verde, y un amplio margen de temperaturas de cocción, con un coste relativamente bajo. La mayor desventaja de los materiales aislantes de porcelana es su alto factor de pérdidas en comparación con otros materiales aislantes, debido a la alta movilidad de los iones alcalinos. En la figura 14.27 se observa la microestructura correspondiente a una porcelana eléctrica atacada con una solución al 40% de FH.
La porcelana de esteatita es un buen aislante eléctrico ya que tiene un bajo factor de pérdidas, baja absorción de humedad y una gran resistencia al impacto, por lo que se utilizan con frecuencia en la industria electrotécnica. La composición de la esteatita industrial se basa en aproximadamente un 90% de talco (3MgO·4SiO2·H2O) y un 10% de arcilla. La microestructura de la esteatita cocida en el horno consta de cristales de esteatita (MgSiO3) unidos por una matriz vítrea.
La fosterita, Mg2SiO4, no tiene iones alcalinos en fase vítrea, así que tiene una mayor resistencia y un menor factor de pérdidas, que los aislantes de esteatita, principalmente a frecuencias altas.
Los aislantes de alúmina poseen óxido de aluminio, Al2O3, como fase cristalina enlazada con una matriz vítrea que, normalmente está libre sodio y potasio, es una mezcla de arcilla, talco y fundentes alcalinotérreos. Estas cerámicas tienen una elevada rigidez dieléctrica y bajo factor de pérdidas junto a una elevada resistencia lo que lo hace un material especialmente útil. La alúmina sinterizada (99% de Al2O3) se usa con frecuencia para aplicaciones de aparatos electrónicos debido a sus bajas pérdidas a altas frecuencias.

MATERIALES SEMICONDUCTORES
Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización:
Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material.
Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.
Anteriormente, al enunciar la polarización iónica, se menciona la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes de un material. Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional, tales que cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos. Cuando se encuentran entre capas del material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante dos constantes: constante dieléctrica (relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío) y la resistencia dieléctrica (campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores).
La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede al tomar un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo. Para finalizar, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. En el caso de los materiales metálicos férricos, que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.
Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica. Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante. Esto quiere decir que únicamente los materiales poco conductores e inclusive aislantes, son capaces de polarizarse con facilidad.

PROPIEDADES TÉRMICAS
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este hecho son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
APLICACIÓN EN INGENIERÍA
Fabricación de productos de alfarería, debido a su dureza y resistencia al calor.
Losetas térmicas (trasbordadores espaciales), por su baja conductividad térmica.
Fabricación de materiales de construcción (ladrillos, cemento, azulejos, baldosas, etc.), por su dureza y baja conductividad térmica y eléctrica.
Aislantes en aparatos electrónicos.
Materiales refractarios, por su punto de fusión tan elevado.
Sirven para pulir o afilar otros materiales de menor dureza debido a su gran dureza. Ejemplos: alúmina fundida y carburo de silicio.
Vidrio.






CONCLUSIÓN