MATERIALES CERÁMICOS
1.¿Qué son los materiales cerámicos?
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. En general, son materiales:
- Duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.
- Se comportan como buenos aislantes eléctricos y térmicos.
- Poseen temperaturas de fusión relativamente altas.
-Estabilidad química alta en medios agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.
Las uniones atómicas de las cerámicas son mucho más fuertes que las de los metales, soportan mayores temperaturas y presentan una mayor resistencia a la corrosión. Debido a que las uniones interatómicas en los materiales cerámicos son muy fuertes y rígidas, no existe la posibilidad de giro, lo que impide que se puedan desplazar algunos de sus átomos sin provocar la ruptura de la unión, dando lugar a que una mínima fisura de apenas el grosor de un pelo pueda dar una rotura del material cerámico. Tradicionalmente, los materiales cerámicos se han utilizado como materiales de construcción, pero el desarrollo tecnológico actual ha determinado la aparición de nuevos materiales cerámicos, tanto puros como mezclados, que tienen aplicaciones en técnicas de ingeniería avanzada.
2.Clasificación de los materiales cerámicos.
De manera muy general, los materiales cerámicos se pueden clasificar en:
- Materiales cerámicos tradicionales: constituidos por tres elementos básicos, como son la arcilla, sílice y feldespato. En este grupo encontramos la porcelana fina, porcelana eléctrica, ladrillos, baldosas y también vidrios y cerámicas refractarias.
- Materiales cerámicos avanzados: están constituidas típicamente por compuestos puros o casi puros tales como óxidos, carburos o nitruros, siendo los más importantes el óxido de aluminio (Al203), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4) y zirconita (Zr02), combinados con algunos óxidos refractarios.
Según su aplicación, pueden clasificarse en uno de los grupos siguientes: vidrios, productos estructurales de arcilla, porcelanas, refractarios, abrasivos, cementos y cerámicas avanzadas de reciente desarrollo.
Según su microestructura, podemos clasificarlos en:
- Cerámicos cristalinos: se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.
- Cerámicos no cristalinos o vidrios: se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El vidrio sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecido.
- Vitrocerámicos: se elaboran a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido, siendo químicamente similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.
Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas finas:
· Materiales cerámicos porosos o gruesos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:
o Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.
o Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabrijar vajillas baratas, adornos, tiestos....
o Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajillay objetos de decoración.La cocción se realiza en dos fases:
2ºSe introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura
o Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos y tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación....
· Materiales cerámicos impermeables o finos: en los que se someten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son:
o Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y paredes.
o Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea para vajillas, azulejos... .
o Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín,mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).
3.Procesado de los materiales cerámicos.
Las etapas básicas en la fabricación de productos cerámicos son :
Extracción: obtención de la arcilla, en las canteras, llamadas barrenos, que además de ser a cielo abierto, suelen situarse en las inmediaciones de la fábrica de arcilla.
Preparación: Consiste en la molienda primero y la mezcla de las diferentes materias primas que componen el material. La composición variará en función de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una practica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos.
Conformación: los métodos de modelado de cerámica que se utilizan mas comúnmente:
Prensado: La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados 8Ver vídeo como se fabrican los azulejos más abajo).
·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. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.
·Extrusión. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. (Ver vídeo como se fabrican los ladrillos más abajo).
·Secado: Las piezas recién moldeadas se romperían si se sometieran inmediatamente al proceso de cocción, por lo que es necesario someterlas a una etapa de secado con el propósito es eliminar el agua antes de ser sometida a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24h. para un trozo de cerámica grande.
Cocción: al cocer las arcillas a alta temperatura se producen una serie de reacciones que desembocan en una consistencia pétrea y una durabilidad adecuada para el fin para el que se destinan. Como se ha dicho antes la temperatura dependerá del tipo de material.
Os dejo, como ejemplo, los siguientes cortos de la serie Así se hace, donde podéis ver el proceso de fabricación de ladrillos y azulejos.
4.Usos de las cerámicas en el laboratorio.
La resistencia mecánica y química tanto a los ácidos como a los álcalis es excelente, así como a los cambios de temperatura, que los soporta sin roturas, explosiones ni deformaciones. En condiciones normales de trabajo las piezas de porcelana esmaltada soportan temperaturas de 1.050 ºC, y sin esmaltar soportan hasta 1.350 ºC. También son aislantes eléctricos.
Materiales cerámicos
-Cápsulas.
-Crisoles.
-Cucharas y Espátulas.
-Embudos Buchner.
-Triangulos.
-Morteros.
-Navecillas.
-Placas para tinción.
-Placas para Desecadores.
-Pistilos.
