Cerámica técnica
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido más estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término hace más amplio el significado, incluyendo a todos los materiales inorgánicos no metálicos. Desde la década del '50 en adelante, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y cosas semejantes, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en el artículo sobre alfarería.
Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas, y acentuar las potencialidades del material, así como también ofrecer usos no tradicionales para estos materiales.
Ejemplos de materiales cerámicos
- Nituro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.
- Carburo de boro (B4C), el cual es usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.
- Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, abrasivo y como material refractario.
- Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.
- Oxido de zinc (ZnO), es un semiconductor.
- Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas.
- Esteatita, utilizada como cun aislante eléctrico.
- Ladrillos, utilizados para la construcción
- Oxido de uranio (UO2), empleado como combsutible en reactores nucleares
- Oxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.
Propiedades de la cerámica
Propiedades mecánicas
Los materiales cerámicos son generalmente iónicos o vidriosos. Ambos casi siempre se fracturan ante cualquier deformación plástica, lo que da como resultado poca flexibilidad en estos materiales. Unido de esto, como tienden a ser materiales porosos, los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como tensores, reduciendo también la flexibilidad y la resistencia mecánica. Esta combinación genera fallas catastróficas, contraponiéndose a las fallas normales de los metales.
Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos, hay unos pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento, así la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aún así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.
Estos materiales tienen una fuerte resistencia a la compresión, y son capaces de operar en elevadas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo, y como puntas cortantes de herramientas.
Comportamiento refractario
Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas, sin perder su solidez. Ellos son denominados materiales refractarios. Generalmente tienen baja conductividad de temperatura, por lo que son empleados como aislantes térmicos. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la reentrada a la atmósfera.
Los requisitos más importantes para considerar a un material refractario como bueno, son que no se ablanden o derritan, y que se mantengan sin reacciones bajo las temperaturas deseadas. El último requisito se relaciona con los mencionados anteriormente: la auto descomposición y reacción a otros componentes que podrían presentarse, incluso aquellos que podrían ser perjudiciales.
La porosidad toma una importancia adicional en la cerámica refractaria. Mientras la porosidad se reduce, la resistencia, la capacidad de carga y la resistencia ambiental se incrementa a medida que la densidad del material aumenta. Sin embargo, mientras la densidad incrementa la resistencia al shock térmico (quebraduras como resultado del rápido cambio de temperatura), las características de aislamiento se reducen. Muchos materiales son usados en estados muy porosos, y no es poco común encontrar dos materiales utilizados: una capa porosa con muy buenas propiedades de aislamiento, con una delgada chaqueta del material más denso para proveer resistencia.
Tal vez sea sorprendente que estos materiales puedan ser usados a temperaturas en donde se licúan parcialmente. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de dióxido de silicio (SiO2), usados para recubrir hornos de fundición de acero son usados a temperaturas superiores a 1650 °C (3000°F), cuando algunos de los ladrillos comienzan a licuarse. Diseñados para esa función, una situación sin sobresaltos requiere un responsable control sobre todos los aspectos de la construcción y uso.
Comportamiento eléctrico
Una de las áreas de mayores progresos con la cerámica es su aplicación a situaciones eléctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades.
Aislamiento eléctrico y comportamiento dieléctrico
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.
Las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.
Una sub-categoría del comportamiento aislante es el dieléctrico. Un buen material dieléctrico mantiene el campo magnético a través de él, sin inducir pérdida de energía. Esto es muy importante en la construcción de condensadores eléctricos.
La cerámica dieléctrica es usada en dos areas principales: la primera, es la pérdida progresiva de dielectricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores; la segunda, son los materiales con alta dielectricidad constante (ferroelectricos). Aunque la cerámica dieléctrica es inferior frente a otras opciones para la mayoría de los propósitos, ella generalmente ocupa estos dos nichos muy bien.
Ferroelecticidad, piezoelectricidad y piroelectricidad
Un material ferroeléctrico es aquel que espontáneamente genera una polarización en ausencia de un campo magnético. Estos materiales exhiben un campo magnético permanente, y esta es la fuente de su dielectricidad constante y extremadamente alta.
Un material piezoelectrico es el que posee un campo magnético que puede ser cambiado o generado mediante la aplicación presión sobre el material. Estos materiales encuentran un rango amplio de aplicaciones, principalmente como sensores, -para convertir un movimiento en una señal eléctrica o viceversa- Estos materiales están presentes en micrófonos, generadores de ultrasonido y medidores de presión.
Un material piroeléctrico desarrolla un campo magnético cuando se calienta. Algunas cerámicas piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar cambios de temperatura causados por el ingreso de una persona a un cuarto (aproximadamente 40 microkelvin) Desafortunadamente tales dispositivos carecen de precisión, por lo que tienden a ser utilizados en pares combinados, y sólo la diferencia marcada entre ambos es considerada válida.
Semiconductividad
Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas. La mayoría de ellas son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como el óxido de zinc.
La cerámica semiconductora es empleada como sensor de gas. Cuando varios gases son pasados a través de una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, se pueden construir sensores de gas sin demasiado costo
Superconductividad
Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas muestran superconductividad. La exacta razón de este fenómeno no es conocida, aunque se diferencian dos conjuntos diferentes de cerámica superconductora.
El compuesto estequimétrico YBa2Cu3O7-x, generalmente abreviado YBCO o 123, es particularmente muy conocido porque es fácil de hacer, su manufactura no requiere ningún material particularmente peligroso, y tiene una transición de temperatura de 90K (lo que es superior a la temperatura del nitrógeno líquido (77K)). La x de la fórmula se refiere al hecho que debe ser ligeramente deficiente en oxígeno, con un x por lo general cercano a 0.3.
El otro conjunto de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio. Sus propiedades no son particularmente destacables, pero son químicamente muy distintos a cualquier otro superconductor en que no es un complejo de óxido de cobre ni un metal. Debido a esta diferencia se espera que el estudio de este material conduzca a la interiorización del fenómeno de la superconductividad.
Procesado de materiales cerámicos
Las cerámicas no cristalinas (vidirosas) suelen ser formadas de fundiciones. El vidrio es formado por cualquiera de los siguientes métodos: soplado, prensado, laminado, estirado, colado o flotado.
Los materiales cerámicos cristalinos no son susceptibles de un variado rango de procesado. Los métodos empleados para su manejo tienden a fallar en una de dos categorías -hacer cerámica en la forma deseada, pro reacción in situ, o por formación de polvos en la forma deseada, y luego sinterizados para formar un cuerpo sólido. Algunos métodos usados son un híbrido de los dos métodos mencionados.
Manufacturación in situ
El uso más común de este método es en la producción de cemento y concreto. Aquí, los abrasivos deshidratados son mezclados con agua. Esto da comienzo a las reacciones de la hidratación, las cuales resultan en cristales grandes, interconectados formándose alrededor de los agregados. Pasado un tiempo, esto resulta en una cerámica sólida.
El mayor problema con este método es que la mayoría de las reacciones son tan rápidas que no es posible hacer una buena mezcla, lo que tiende a impedir la construcción en gran escala. Sin embargo, los sistemas a pequeña escala pueden ser realizados mediante técnicas de depósito, en donde los diferentes materiales son introducidos sobre un substrato, donde se produce la reacción y la cerámica se forma sobre este substrato.
Métodos basados en la sinterización
Los principios de los métodos basados en la sinterización son sencillos: Una vez que la materia prima es acondicionada para su procesamiento (hornada), es introducida en el horno, con lo que el proceso de difusión compacta a la materia prima.
Los poros se achican, resultando un producto más denso y fuerte. El quemado es hecho a una temperatura por debajo del punto de derretimiento de la cerámica. Siempre queda alguna porosidad, pero la real ventaja de este método es que la hornada puede ser producida de cualquier modo imaginable, e incluso puede ser sinterizado. Esto lo hace una ruta muy versátil.
Existen miles de posibles refinamientos de este proceso. Algunos de los más comunes involucran presionar la hornada para darle la densidad, la quema reduce el tiempo de sinterización necesario. A veces, elementos orgánicos son agregados junto a la hornada, que son disueltos durante la quema
Algunas veces, se agregan lubricantes orgánicos durante el proceso para incrementar la densidad. No es raro combinarlos, agregando materia orgánica y lubricantes a una hornada, y luego presionar. (la formulación de estos aditivos químico orgánicos es un arte en sí mismo. Esto es particularmente importante en la manufactura de cerámica de alto rendimiento, tales como las usadas para la electrónica, en condensadores, inductores, sensores, etc.
Puede realizarse una mezcla de componentes en vez de usar un solo polvo, y luego verterlo en el molde deseado, dejándolo secar y luego sinterizarlo. De hecho, en la alfarería tradicional es hecho de esta forma, usando una mezcla plástica que es trabajada con las manos.
Si una mezcla de materiales diferentes componentes es utilizada en una cerámica, algunas veces la temperatura de sinterización es mayor a la temperatura de fundición de alguno de sus componentes (fase líquida de sinterización). Esto genera un período más corto de sinterización comparado con el estado sólido sinterizado.
Otras aplicaciones de la cerámica
Hace un par de décadas atrás, Toyota investigó la producción de una motor cerámico el cual puede funcionar a temperaturas superiores a 3300°C. Los motores cerámicos no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de combustible. La eficiencia en el uso de combustible de una motor es también superior a más alta temperatura. En un motor metálico convencional, mucha de la energía generada desde la combustión debe ser derrochada como calor para prevenir la fundición de las partes metálicas.
A pesar de todas estas propiedades deseables, tales motores no están en producción porque la manufacturación de partes cerámicas es muy dificultosa. Las imperfecciones en la cerámica conducen a quiebras y rompimientos. Dichos motores son factibles en investigaciones de laboratorio, pero las dificultades actuales sobre la manufacturación impiden su producción en masa.