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Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
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Tema 6. Compuestos cerámicos
6.1. Introducción a los materiales cerámicos. 6.2. Vidrios. 6.3. Carburos, nitruros y boruros. 6.4.
Compuestos refractarios.
6.1. Introducción a los materiales cerámicos. Los materiales cerámicos son compuestos
químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros, carburos, etc.) que incluyen
mineralesde arcilla, cementos y vidrios. Se trata de materiales/minerales que son aislantes térmicos
y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos, son más resistentes que los metales y los
polímeros. Desde el punto de vista mecánico, son duras y ligeras pero frágiles. Los enlaces
interatómicos pueden ser de carácter iónico, o bien de carácter predominantemente iónico con
carácter parcialcovalente. Las cerámicas se pueden presentar en forma vítrea, monocristalina,
policristalina o combinaciones de algunas de ellas. Estos materiales tienen dos características
importantes, por un lado, su capacidad de resistir al calor y por otro, su resistencia al ataque
químico que son debidas sustancialmente a la fortaleza del enlace entre sus átomos que les confiere
un alto punto de fusión, durezay rigidez.. El término “cerámica” proviene de la palabra griega
“keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que las propiedades
deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta
temperatura que se denomina cocción.
Si bien las cerámicas tradicionales (ladrillos, porcelana, etc.) representan la mayor parte de la
producciónde materiales cerámicos, ocurre que se han desarrollado nuevos materiales cerámicos,
denominados “cerámicas avanzadas”, que han encontrado un lugar prominente en nuestra
tecnología avanzada. En particular, las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas, así como la
combinación de estas propiedades únicas de las cerámicas han sido explotadas en muchas
aplicaciones; pueden ser utilizadas enmotores de combustión interna y en turbinas, como placas
para blindajes, en el empaquetamiento electrónico, como herramientas de corte, así como en la
conversión, almacenamiento y generación de energía. Así por ejemplo, la empresa Nissan de
motores, industria japonesa del sector automovilístico, ha introducido ya un vehículo con un rotor
turbo de nitruro de silicio en su motor. La empresa Cumminsha estado probando un motor diesel
para camiones con cabezas de pistón, cojinetes y camisas de cilindros cerámicos que permiten el
funcionamiento sin un sistema de refrigeración. Varias firmas estadounidense están desarrollando
motores con turbina de gas cerámica para automóviles, y la Rolls Royce está experimentando con
motores similares para helicópteros.
Un concepto importante en elestudio de las cerámicas es el choque térmico. El empleo de las
cerámicas a alta temperatura, unido a su inherente fragilidad, da lugar al problema ingenieril
conocido como choque térmico y que consiste en la aparición de una fractura (parcial o total)
debido a un cambio brusco en la temperatura (calentamiento o enfriamiento). La necesidad de evitar
este problema, ha llevado al diseño y fabricaciónde materiales con baja expansión térmica que
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como cambian mucho menos su volumen no dan (tan fácilmente) este problema. De hecho,
combinando materiales de expansión térmica negativa y materiales poliméricos (expansión térmica
positiva y generalmente grande) se han fabricado materiales compuestos con expansión térmica
cercano a cero. No se dilatanni se contraen al cambiar la temperatura. Estos materiales estructurales
tienen muchas aplicaciones, p. ej. en satélites donde en varias horas (una vuelta al planeta cambia la
temperatura de ≈ 200 oC cuando está cara al sol a ≈ - 200 oC cuando está en la parte oscura. El
coeficiente de expansión térmica (dilatación), αl, se define como: Δl/lo = αlΔT. Se suele dar en
unidades [(ºC)-1 x...