CERÁMICOS EN LA INGENIERÍA
La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes de las de los metales. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales. La palabra cerámica proviene del griego keramos, que significa arcilla de vasijas o trastos hechos de barro* cocido. Los ejemplos importantes de materiales importantes son el sílice, o dióxido de silicio (SiO2 ), ingrediente principal de la mayoría de los productos de vidrio, la alúmina, u óxido de aluminio (Al2 O3 ), que se utilizan en aplicaciones que van de abrasivos a huesos artificiales; y compuestos más complejos tales como el silicato de aluminio hidratado (Al2 Si2 O5 (OH)4 ), conocido como caolinita, ingrediente principal de la mayoría de los productos de arcilla. Los elementos de estos compuestos son los más comunes en la corteza terrestre, véase la tabla 7.1. El grupo incluye muchos compuestos adicionales, algunos de los cuales ocurren de manera natural, en tanto que otros son manufacturados.
La importancia tecnológica y comercial de los materiales cerámicos queda demostrada por la variedad de productos y aplicaciones que se basan en esa clase de materiales. La lista incluye los siguientes:
- Productos de arcilla para la construcción, tales como ladrillos, tubos de arcilla y mosaicos para la construcción.
- Cerámicos refractarios, capaces de utilizarse en aplicaciones de alta temperatura tales como muros de hornos, crisoles y moldes.
- Cemento para concreto, se emplea para la construcción y carreteras (el concreto es un material compuesto, pero sus componentes son materiales cerámicos).
- Productos de línea blanca, incluyen vajillas, cerámica de gres, porcelana china, fina y otros artículos de mesa, con base en mezclas de arcilla y otros minerales.
- Vidrio, se utiliza en botellas, anteojos, lentes, cubiertas para ventanas y focos.
- Fibras de vidrio, para lana aislante térmica, plásticos reforzados (fibra de vidrio) y líneas de comunicación de fibras ópticas.
- Abrasivos, tales como óxido de aluminio y carburo de silicio.
- Herramientas para cortar materiales, que incluyen carburo de tungsteno, óxido de aluminio y nitruro de boro cúbico. Aislantes cerámicos, que se emplean en aplicaciones tales como componentes de transmisión eléctrica, encendedores y sustratos de chips para la microelectrónica.
- Cerámicos magnéticos, por ejemplo, en memorias de computadora.
- Combustibles nucleares, con base en óxido de uranio (UO2 ).
- Biocerámicas, incluyen materiales que se usan para hacer dientes y huesos artificiales
ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS CERÁMICOS
Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos. Éstos son más fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a la dureza y rigidez altas pero ductilidad baja de los materiales cerámicos. Así como la presencia de electrones libres en el enlace metálico explica el porqué los metales son buenos conductores del calor y la electricidad, la presencia de electrones estrechamente empacados en las moléculas de las cerámicas explica el que estos materiales sean malos conductores. El enlace fuerte también da a estos materiales temperaturas de fusión altas, aunque en este caso algunas cerámicas se descomponen, en lugar de fundirse.
La mayoría de los materiales cerámicos adoptan estructura cristalina. Por lo general, sus estructuras son más complejas que las de la mayoría de los metales. Hay varias razones para ello. En primer lugar, las moléculas de los cerámicos consisten en general en átomos que son de tamaño significativamente distinto. En segundo, es frecuente que las cargas de los iones sean muy diferentes, como en muchas de los cerámicos comunes tales como el SiO2 y el Al2 O3 . Estos dos factores tienden a forzar un arreglo físico más complicado de los átomos de la molécula y en la estructura cristalina resultante. Además, muchos materiales cerámicos consisten en más de dos elementos, tales como el (Al2 Si2 O5 (OH)4 ), lo que también lleva a una complejidad mayor de la estructura molecular. Las cerámicas cristalinas son cristales aislados o sustancias policristalinas. En la segunda forma, más común, las propiedades físicas y mecánicas se ven afectadas por el tamaño del grano; los materiales de grano fino alcanzan resistencia y rigidez mayores.
Algunos materiales cerámicos tienden a adoptar una estructura amorfa o fase vítrea, en vez de la forma cristalina. El ejemplo más familiar es, por supuesto, el vidrio. En cuanto a su química, la mayor parte de vidrios consisten en sílice fundido. Si se agregan otros materiales cerámicos vítreos tales como óxidos de aluminio, boro, calcio y magnesio, se obtienen variaciones de sus propiedades y colores. Además de estos vidrios puros, muchos cerámicos que tienen una estructura cristalina aprovechan la fase vítrea como aglutinante para su fase cristalina.
Propiedades mecánicas
se presentaron las propiedades mecánicas básicas de los cerámicos. Los materiales cerámicos son rígidos y frágiles, muestran un comportamiento esfuerzo-deformación caracterizado como perfectamente elástico [véase la figura 3.6a)]. Como se ve en la tabla 7.2, los módulos de dureza y elasticidad de muchos materiales cerámicos nuevos son mayores que los de los metales (véanse las tablas 3.1, 3.6 y 3.7). La rigidez y dureza de los cerámicos y vidrios tradicionales son significativamente menores que las de los nuevos.
En teoría, la resistencia de los materiales cerámicos debiera ser más alta que la de los metales debido a su enlace atómico. Los tipos de enlace covalente e iónico son más fuertes que el metálico. Sin embargo, el enlace metálico tiene la ventaja de que permite el deslizamiento, mecanismo básico por el que los metales se deforman plásticamente cuando se les sujeta a esfuerzos elevados. Los enlaces en los materiales cerámicos son más rígidos y no permiten el deslizamiento ante esfuerzos. Su incapacidad para deslizarse hace mucho más difícil que los cerámicos absorban esfuerzos. Pero los materiales cerámicos contienen las mismas imperfecciones en su estructura cristalina que los metales: vacíos, intersticios, átomos desplazados y grietas microscópicas. Estos defectos internos tienden a concentrar los esfuerzos, en especial cuando se involucra una carga por tensión, flexión o impacto. Como resultado de estos factores, los cerámicos fallan con mucha mayor facilidad que los metales por fractura quebradiza si se les aplica una fuerza. Su resistencia a la tensión y tenacidad es relativamente baja. Asimismo, su desempeño es mucho menos predecible debido a la naturaleza aleatoria de las imperfecciones y la influencia de las variaciones en su procesamiento, en especial en los productos elaborados con cerámicos tradicionales.
Las debilidades que limitan la resistencia a la tensión de los materiales cerámicos casi no se presentan cuando se aplican esfuerzos compresivos. Los materiales cerámicos son sustancialmente más fuertes ante la compresión que ante la tensión. Para aplicaciones de ingeniería y estructurales, los diseñadores han aprendido a usar componentes cerámicos de modo que reciban por compresión en lugar de por tensión o flexión. Se han creado varios métodos para dar resistencia a los materiales cerámicos, casi todos ellos tienen el enfoque fundamental de minimizar la superficie, los defectos internos y sus efectos. Estos métodos incluyen: 1) hacer que los materiales de inicio sean más uniformes; 2) disminuir el tamaño del grano en los productos cerámicos policristalina; 3) minimizar la porosidad; 4) introducir esfuerzos superficiales a la compresión; por ejemplo, a través de aplicar el glaseado (vidriado) con expansiones térmicas bajas, de modo que el cuerpo del producto se contraiga después de arder más que el glaseado, lo que haría que éste actuara a la compresión; 5) utilizar fibras de refuerzo; y 6) tratamientos térmicos, tales como el templado de la alúmina a temperaturas que casi están en la región plástica, para darles resistencia.
Propiedades físicas
En la tabla 7.2 se presentan varias propiedades físicas de los cerámicos. La mayor parte de esos materiales son más ligeros que los metales y más pesados que los polímeros (véase la tabla 4.1). Las temperaturas de fusión son mayores que las de la mayoría de los metales, y algunos materiales cerámicos se descomponen en lugar de fundirse.
Las conductividades térmica y eléctrica de la mayoría de los cerámicos son menores que las de los metales; pero el rango de valores es mayor, lo que permite que ciertos cerámicos se utilicen como aislantes, en tanto que otras son conductores eléctricos. Sus coe ficientes de expansión térmica son algo menores que los de los metales, pero los efectos son más dañinos en los cerámicos debido a su fragilidad. Los materiales cerámicos con conductividades térmicas bajas y expansiones térmicas relativamente altas, son susceptibles en especial a fallas de ese tipo, lo que resulta de gradientes de temperatura y cambios volumétricos significativos en regiones diferentes de la misma pieza. Los términos choque térmico y agrietamiento térmico se emplean en relación con esas fallas. Ciertos vidrios (por ejemplo los que contienen proporciones elevadas de SiO2 ) y cerámicos vítreos son notables debido a su expansión térmica baja y son resistentes en particular a las fallas térmicas (un ejemplo familiar es el vidrio Pirex).
CERÁMICOS TRADICIONALES
Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Los productos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos), cemento y abrasivos na turales tales como la alúmina. Estos productos, y los procesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a miles de años (véase la nota histórica 7.1). El vidrio también es un material cerámico y con frecuencia se le incluye en el grupo de los materiales cerámicos tradicionales. En una sección posterior se estudia al vidrio debido a que su estructura vítrea o amorfa lo diferencia de los materiales cristalinos mencionados (el término vítreo significa vidrioso, o que posee características del vidrio).
Materias primas
Los silicatos minerales, tales como las arcillas de distintas composiciones, y el sílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en la naturaleza, y constituyen las materias primas principales de los materiales cerámicos tradicionales. Estos compuestos sólidos cristalinos se formaron y mezclaron en la corteza terrestre a lo largo de millones de años, por medio de procesos geológicos complejos.
Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua. Las arcillas más comunes se basan en el mineral caolinita (Al2 Si2 O5 (OH)4 ). La composición de otros minerales de arcilla varía tanto en proporciones como en ingredientes básicos y contenido de otros elementos tales como magnesio, sodio y potasio.
Además de la plasticidad que adquiere cuando se mezcla con agua, una segunda característica de la arcilla que la hace muy útil, es que se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. El tratamiento con calor se conoce como cocimiento. Las temperaturas que son adecuadas para el cocimiento dependen de la composición de la arcilla. Así, puede darse forma a la arcilla cuando está húmeda y suave, y luego se cuece para obtener el producto final de cerámica dura.
El sílice (SiO2 ) es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales. Es el componente principal del vidrio e ingrediente principal de otros productos de cerámica que incluyen vajillas, refractarios y abrasivos. El sílice existe en la naturaleza en varias formas, la más importante de ellas es el cuarzo. La fuente principal del cuarzo es la arenisca. La abundancia de arenisca y la facilidad relativa de su procesamiento significan que el costo del sílice es bajo; también es duro y de química estable. A estas características se debe su uso tan extenso en los productos cerámicos. Por lo general se mezcla en proporciones distintas con arcilla y otros minerales a fin de obtener características apropiadas en el producto final. El feldespato es otro de los minerales que se emplea con frecuencia. El feldespato es cualquiera de varios minerales cristalinos que consisten en silicato de aluminio combinado con cualquiera de los elementos potasio, sodio, calcio o bario. Por ejemplo mezclado con potasio tiene la composición KAlSi3 O8 . Las mezclas de arcilla, sílice y feldespato se utilizan para fabricar vasijas, porcelana y otros artículos de comedor.
Otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales es la alúmina. La mayor parte de ésta se procesa a partir del mineral bauxita, que es una mezcla impura de óxido de aluminio hidratado e hidróxido de aluminio más componentes similares de hierro y manganeso. La bauxita también es la mena principal para producir aluminio metálico. Una forma más pura pero menos común del Al2 O3 es el mineral corundo, que contiene alúmina en cantidades masivas. Las gemas llamadas zafiro y rubí son formas ligeramente impuras de cristales de corundo. La cerámica de alúmina se emplea como abrasivo en esmeriles y como ladrillos refractarios para hornos.
El carburo de silicio, otra cerámica que se emplea mucho como abrasivo, no ocurre en forma de mineral. En vez de ello se produce con el calentamiento de mezclas de arena (fuente de silicio) y coque (carbón) a una temperatura de alrededor de 2 200 ºC (3 900 ºF), por lo que la reacción química resultante forma SiC y monóxido de carbono.
Productos cerámicos tradicionales
Los minerales estudiados antes son los ingredientes de una variedad de productos cerámicos. El estudio en este texto está organizado por categorías principales de los productos cerámi cos tradicionales. En la tabla 7.3 se presenta un resumen de ellos y los materiales cerámicos de que están elaborados. El análisis se limita a los materiales que se usan en forma común con productos manufacturados, con lo que se omiten ciertos cerámicos de importancia co mercial, como el cemento.
Vasijas y vajillas Esta categoría es una de las más antiguas, tiene miles de años de antigüedad; aún es una de las más importantes. Incluye productos de vajillas que toda la gente usa: vasijas de barro, cerámica de gres y porcelana. La materia prima de estos productos es la arcilla, por lo general combinada con otros minerales tales como sílice y feldespato. A la mezcla húmeda se le da forma y después se cuece para producir la pieza terminada.
La de barro es la menos refinada del grupo; incluye vasijas y productos similares hechos en tiempos antiguos. La de barro es relativamente porosa y con frecuencia glaseado. El glaseado involucra la aplicación de un recubrimiento superficial, por lo general una mezcla de óxidos tales como sílice y alúmina, para hacer que el producto sea menos permeable a la humedad y más atractivo a la vista. La cerámica de gres tiene menor porosidad que el barro, lo que resulta de un control más estrecho de los ingredientes y temperaturas de cocción más elevadas. La porcelana se hornea a temperaturas aún mayores, lo que da a las piezas terminadas una superficie translúcida característica de su alta calidad. La razón de esto es que gran parte del material cerámico ha sido convertido a la fase vítrea (se ha vitrificado), lo que lo hace transparente en comparación con la forma policristalina. La porcelana moderna casi es la misma que la de China, y se produce por medio de hornear los componentes, sobre todo arcilla, sílice y feldespato, a temperaturas aún más elevadas para obtener un material vítreo, denso y muy duro. La porcelana se utiliza en una variedad de productos que van del aislamiento eléctrico a los recubrimientos de bañeras.
Ladrillos y azulejos Los ladrillos para la construcción, tubería de arcilla, tejas no glasea - das para techos y mosaicos para drenajes, están hechos de distintas arcillas de bajo costo que contienen sílice y materiales arenosos que existen en depósitos naturales distribuidos con amplitud. Estos productos reciben su forma por presión (moldeo) y se cuecen a temperaturas relativamente bajas.
Refractarios Los refractarios cerámicos con frecuencia tienen la forma de ladrillos, son críticos en muchos procesos industriales que requieren de hornos y crisoles para calentar o fundir materiales. Las propiedades útiles de los materiales refractarios son su resistencia a las temperaturas elevadas, aislamiento térmico y resistencia a la reacción química con los materiales que se hornean (por lo general metales fundidos). Como se dijo, no es raro que la alúmina se utilice como cerámica refractaria, junto con el sílice. Otros materiales refractarios incluyen los óxidos de magnesio (MgO) y de calcio (CaO). Es frecuente que la superficie refractaria tenga dos capas, y que la exterior sea más porosa porque eso incrementa las propiedades de aislamiento.
Abrasivos Los cerámicos tradicionales que se emplean para hacer productos abrasivos tales como ruedas de esmeril y papel de lija son la alúmina y el carburo de silicio. Aunque el SiC es más duro que aquélla (la dureza del SiC es 2 600 HV versus 2 200 HV de la alúmina), la mayoría de esmeriles se basan en Al2 O3 debido a que da mejores resultados cuando se rebaja acero, que es el metal más usado. Las partículas abrasivas (granos de cerámica) se distribuyen en la rueda por medio de algún material aglutinante como laca, resinas de polímeros o caucho. El uso de abrasivos en la industria involucra la remoción de material, y la tecnología de los esmeriles y otros métodos de abrasión para retirar material.
NUEVOS MATERIALES CERÁMICOS
El término nuevos cerámicos se refiere a materiales cerámicos creados en forma sintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cerámicos. En general, los nuevos cerámicos se basan en compuestos distintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el que constituye el grueso de los materiales cerámicos tradicionales). Los nuevos cerámicos son por lo general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales; por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros y boruros. La línea divisoria entre los cerámicos tradicionales y los nuevos algunas veces no es muy clara, debido a que los primeros incluyen al óxido de aluminio y al carburo de silicio. En esos casos, la diferencia se basa más en los métodos de procesamiento que en la composición química.
Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química: óxidos, carburos y nitruros, que se estudian en las secciones siguientes
Óxidos cerámicos
El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina. Aunque también se le es tudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina se produce en for ma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. Por medio del control del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en los métodos de refinación y la mezcla de cantidades pequeñas de otros ingredientes cerámicos, se mejora en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de la alúmina, en comparación con su contraparte natural. La alúmina también tiene buena dureza en caliente, baja conductividad térmica y alta resistencia a la corrosión. Ésta es una combinación de propiedades que estimulan una variedad de aplicaciones, inclusive: abrasivos (esmeriles de arena), biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes de aleación del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte (véase la sección 23.2.5), aislante de bujía y componentes de ingeniería (véase la figura 7.1).
Carburos
Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), titanio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr3 C2 ). El carburo de silicio ya se estudió. Aunque es un cerámico hecho por el hombre, los métodos para su producción se desarrollaron hace un siglo, y por ello generalmente se le incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales. Además de su empleo como abrasivo, otras aplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y aditivos para la fabricación de acero. Se valora al WC, TiC y TaC, por su dureza y resistencia al desgaste en herramientas de corte y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. El carburo de tungsteno fue el primero que se creó (véase la nota histórica 7.2) y es el material más importante y de mayor uso de su grupo. El WC se produce en forma común por medio de carburar polvos de tungsteno que han sido reducidos a partir de minerales de tungsteno, tales como la wolframita (FeMnWO4 ) y la scheelita (CaWO4 ). El carburo de titanio se produce con la car buración de los minerales rutilo (TiO2 ) o ilmenita (FeTiO3 ). Y el carburo de tantalio se hace carburando ya sea polvos de tantalio o pentóxido de tantalio (Ta2 O5 ) [10]. El carburo de cromo es más apropiado para aplicaciones en las que son importantes la estabilidad química y la resistencia a la oxidación. El Cr3 C2 se prepara con la carburación del óxido de cromo (Cr2 O3 ) como componente inicial. En todas estas reacciones la fuente usual de carbono es el negro de humo.
Excepto para el SiC, cada carburo de los que se estudian aquí debe combinarse con un aglutinante metálico como el cobalto o níquel, a fin de fabricar un producto sólido útil. En efecto, los polvos de carburo adheridos en una matriz metálica crean lo que se conoce como carburo cementado, que es un material compuesto, se trata en específico de cermet (abreviación de cerámica y metal). Los carburos tienen poco valor para la ingeniería, excepto como constitutivos de un sistema compuesto.
Nitruros
Las nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si3 N4 ), el de boro (BN) y el de titanio (TiN). Como grupo, las cerámicas de nitruros son duras y frágiles, y se funden a temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las de los carburos). Lo normal es que sean aislantes eléctricos el TiN es una excepción.
El nitruro de silicio promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. El Si3 N4 se oxida a alrededor de 1 200 ºC (2 125 ºF) y se descompone en cuanto a su química a los 1 900 ºC (3 400 ºF). Tiene baja expansión térmica, buena resistencia al choque y al agrietamiento térmicos, y resiste la corrosión de los metales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cerámico apto para aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir.
El nitruro de boro existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las formas importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito, y 2) cúbica, como el diamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta última estructura se conoce con los nombres de nitruro de boro cúbico y borazon, que se simboliza como cBN, y se produce por medio de calentar BN hexagonal en condiciones de presión muy elevada. Debido a su dureza extrema, las aplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte (véase la sección 23.2.6) y los esmeriles (véase la sección 25.1.1). Es interesante que no compita con las herramientas de corte y esmeriles hechos de diamante. Éste es apropiado para maquinar y esmerilar lo que no sea acero, en tanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero.
El nitruro de titanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del grupo, excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor. El TiN tiene dureza elevada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción con los metales ferrosos. Esta combinación de propiedades hace que el TiN sea un material ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte. El recubrimiento es de sólo alrededor de 0.006 mm (0.0003 in) de espesor, de modo que las cantidades de material que se utilizan para esta aplicación son bajas.
Un material cerámico nuevo relacionado con el grupo del nitruro, y también con los óxidos, es el cerámico de oxinitruro llamado sialon. Consiste en los elementos silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno; y su nombre se deriva de ellos: Si-Al-O-N. Su composición química es variable, una común es Si4 Al2 O2 N6 . Las propiedades del sialon son similares a las del nitruro de silicio, pero resiste mejor que el Si3 N4 la oxidación a temperaturas elevadas. Su aplicación principal es para herramientas de corte, pero sus propiedades lo hacen apropiado para otras aplicaciones de alta temperatura que se desarrollen en el futuro.
VIDRIO
El término vidrio es algo confuso porque describe tanto un estado de la materia como un tipo de cerámico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no cristalina, de un material sólido. El estado vítreo ocurre en un material al que no se da tiempo suficiente para que al enfriarse a partir de la condición de fundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las tres categorías de los materiales de ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) pueden adoptar el estado vítreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras.Como un tipo de cerámico, el vidrio es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado vítreo. Éste es el material que se estudiará en esta sección, uno que se remonta a 4 500 años de antigüedad (véase la nota histórica 7.3).
Química y propiedades del vidrio
El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es el sílice (SiO2 ), que se encuentra en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas sílicas. El cuarzo está presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuando se funde y luego se enfría, forma sílice vítreo. El vidrio de sílice tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, y por ello es muy resistente al choque térmico. Estas propiedades son ideales para aplicaciones de temperaturas elevadas; en consecuencia, el vidrio Pirex y otros para uso químico que están diseñados para calentarlos, se fabrican con proporciones elevadas de vidrio de sílice.
A fin de reducir el punto de fusión del vidrio para hacer más fácil su procesamiento y controlar sus propiedades, la composición de la mayoría de vidrios comerciales incluye otros óxidos además de sílice. Éste permanece como el componente principal en esa clase de productos, por lo general entre el 50% y el 75% de los productos químicos totales. La razón de que en esos compuestos se utilice tanto el SiO2 es porque es el mejor formador de vidrio. Se transforma de manera natural en estado vítreo cuando se enfría desde el líquido, en tanto que la mayoría de los materiales cerámicos se cristalizan al solidificarse. En la tabla 7.4 se enlistan las composiciones químicas frecuentes de ciertos vidrios comunes. Los ingredientes adicionales están contenidos en una solución sólida con SiO2 , y cada uno tiene una función: 1) actuar como fundente (facilita la fundición) durante el calentamiento; 2) incrementar la fluidez del vidrio fundido para su procesamiento; 3) retardar la desvitrificación, es decir, la tendencia a cristalizar desde el estado vítreo; 4) reducir la expansión térmica del producto final; 5) mejorar la resistencia química contra el ataque de ácidos, sustancias básicas o agua; 6) agregar color al vidrio, y 7) alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas (por ejemplo, lentes).
Productos de vidrio
A continuación se da una lista de las categorías principales de productos de vidrio. Al estudiarlos, se analiza el papel que juegan los distintos ingredientes mencionados en la tabla 7.4.
Vidrio para ventanas En la tabla 7.4, este vidrio está representado por dos composiciones químicas: 1) vidrio de cal y sosa cáustica y 2) vidrio para ventanas. La fórmula de cal y sosa cáustica se remonta a la industria del soplado de vidrio del siglo XIX, y aun antes. Se fabricaba (incluso hoy) mezclando sosa (Na2 O) y cal (CaO) con sílice (SiO2 ) como el ingrediente principal. La combinación de ingredientes que se agregan ha tenido una evolu ción empírica hasta lograr un balance entre evitar la cristalización durante el enfria miento y lograr la estabilidad química del producto final. Durante esta evolución, el vidrio moderno para ventanas y las técnicas para fabricarlo han requerido pocos ajustes en cuanto a su composición y control más estrecho. Se agrega magnesio (MgO) para que ayude a reducir la desvitrificación.
Vidrio para focos El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidrio delgado (por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa y bajo de cal; también contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina. La química está dictada en mucho por la economía de los volúmenes grandes que implica la manufactura de focos. Las materias primas no son caras en lo absoluto y sí apropiadas para los hornos de fundición continua que se utilizan en el presente.
Vidrio de laboratorio Estos productos incluyen contenedores para productos químicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Este vidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado el vidrio con alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica. Para esta clase de vidrio se utiliza el nombre comercial de “Vycor”. Este producto es muy insoluble en agua y ácidos. Al agregarle óxido bórico también produce un vidrio con coeficiente de expansión térmica bajo, por lo que algunos vidrios para laboratorio contienen alrededor de 13% de B2 O3 . Para el vidrio de borosilicato creado por Corning Glass Works, se emplea el nombre comercial “Pyrex”. Tanto Vycor como Pyrex están incluidos en la lista de ejemplos de esta categoría de productos.
Fibras de vidrio Éstas se manufacturan para numerosas aplicaciones importantes, inclusive plásticos de fibra de vidrio reforzada, lana aislante y fibra óptica. Las composiciones varían de acuerdo con la función. Las fibras de vidrio que se usan más para reforzar plásticos son las de vidrio E. Tiene un contenido alto de CaO y Al2 O3 , es económico y en forma de fibra posee buena resistencia a la tensión. Otro material de fibra de vidrio es el vidrio S, que tiene resistencia mayor pero no es tan económico como el vidrio E. En la tabla 7.4 se indican las composiciones.
La lana aislante de fibra de vidrio se manufactura a partir de vidrios regulares de sosacal-sílice. El producto de vidrio para fibra óptica consiste en un núcleo largo y continuo de vidrio con índice de refracción elevado rodeado por una envoltura de vidrio de refracción baja. El vidrio interno debe tener una transmitancia muy alta para la luz a fin de rea lizar comunicaciones a larga distancia.
Vidrios ópticos Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojos e instrumentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Para llevar a cabo su función, los vidrios deben tener índices de refracción distintos, pero cada uno de ellos debe ser de composición homogénea. Los vidrios ópticos por lo general se dividen en vidrios al boro y al plomo. El vidrio al boro tiene un índice de refracción bajo, en tanto que el vidrio al plomo contiene óxido de plomo (PbO) que le da un índice de refracción alto.
En la tabla 7.5 se listan varios ejemplos de sistemas de vidrios-cerámicos y sus composiciones típicas. El de mayor importancia comercial es el sistema Li2
O-Al2
O3
-SiO2
; incluye el Corning Ware (Pyroceram), producto de Corning Glass Works que resulta familiar.
Las ventajas notables de los vidrio-cerámicos incluyen 1) la eficiencia de procesamiento en el estado vítreo, 2) control dimensional estrecho de la forma del producto final, y
3) buenas propiedades físicas y mecánicas. Éstas incluyen alta resistencia (mayor que la del
vidrio), ausencia de porosidad, bajo coeficiente de expansión térmica y elevada resistencia
al choque térmico. Estas propiedades dan como resultado aplicaciones para utensilios de
cocina, intercambiadores de calor y misiles. Ciertos sistemas (por ejemplo, el de MgOAl2
O3
-SiO2
) también se caracterizan por su resistencia eléctrica elevada, apropiada para
aplicaciones eléctricas y electrónicas.
ALGUNOS ELEMENTOS IMPORTANTES RELACIONADOS CON LOS CERÁMICOS
En esta sección, se estudian varios elementos importantes para la ingeniería: carbono, silicio y boro. Estos materiales aparecerán algunas veces en capítulos posteriores. Aunque de acuerdo con la definición planteada aquí, no son materiales cerámicos, en ocasiones compiten en las aplicaciones con los materiales cerámicos. Y por sí mismos tienen aplicaciones importantes. En la tabla 7.6 aparecen los datos básicos de estos elementos.
Carbono
El carbono ocurre en dos formas alternativas de importancia en el comercio y la ingeniería: grafito y diamante. Compiten con los materiales cerámicos en varias aplicaciones: el grafito, en situaciones en las que son importantes las propiedades refractarias, y el diamante en aplicaciones industriales en las que la dureza es un factor crítico (como en las herramientas para cortar y esmerilar).
A altas temperaturas, el grafito presenta ciertas propiedades que son tanto útiles como inusuales. Es resistente al choque térmico, y su resistencia en realidad se incrementa con la temperatura. Su resistencia a la tensión a temperatura ambiente es cerca de 100 MPa (15 000 lb/in2 ), pero a 2 500 ºC (4 530 ºF) se incrementa al doble [4]. La densidad teórica del carbono es de 2.22 gm/cm3 , pero la densidad aparente del grafito en bloque es menor debido a la porosidad (alrededor de 1.7 gm/cm3 ). Ésta aumenta con la compactación y el calor. Tiene conductividad eléctrica, pero no tan alta como la de la mayoría de metales. Una desventaja del grafito es que se oxida en el aire por arriba de los 500 ºC (900 ºF). En una atmósfera reductora eso puede llegar a ocurrir a 3 000 ºC (5 400 ºF), no demasiado debajo de su punto de sublimación, que está a 3 727 ºC (6 740 ºF).
La forma tradicional del grafito es la policristalina con cierta cantidad de carbono amorfo mezclado. Es frecuente que los cristales de grafito se orienten (hasta cierto grado) a procesos de producción comercial que aprovechan sus propiedades en la dirección preferente para la aplicación. Asimismo, la resistencia se mejora por medio de reducir el tamaño del grano (en forma similar a la cerámica). En esta forma, el grafito se emplea para crisoles y otras aplicaciones refractarias, electrodos, elementos de calentamiento por resistencia, materiales antifricción, y fibras de materiales compuestos. Así, el grafito es un material muy versátil. Como polvo es lubricante. En su forma sólida tradicional es refractario. Y cuando se le da forma de fibras, es un material estructural de resistencia elevada.
Diamante El diamante es carbono que posee estructura cristalina cúbica con enlace covalente entre sus átomos, como se ilustra en la figura 2.5b). Esta estructura es tridimensional, en lugar de tener capas como el carbono en forma de grafito, y esto se relaciona con la dureza muy alta del diamante. Los diamantes naturales de un solo cristal (provenientes de minas en Sudáfrica) tienen una dureza de 10 000 HV, mientras que la de los diamantes industriales (estructura policristalina) es de alrededor de 7 000 HV. La gran dureza se aprovecha en la mayoría de las aplicaciones de los diamantes industriales.
Los diamantes industriales o sintéticos datan de la década de 1950, y se fabrican calentando grafito alrededor de 3 000 ºC (5 400 ºF) a presiones muy altas (véase la figura 7.2). Este proceso se parece a las condiciones geológicas en que se formaron los diamantes naturales hace millones de años.
Silicio
El silicio es un elemento semimetálico del mismo grupo del carbono en la tabla periódica (véase la figura 2.1). El silicio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, de la que comprende aproximadamente el 26% de su peso (véase la tabla 7.1). Se presenta en forma natural sólo como compuesto químico en rocas, arena, arcilla y suelos, ya sea como dióxido de silicio o compuestos más complejos de silicato. Como elemento tiene la misma estructura cristalina que el diamante, pero su dureza es menor. Es duro pero frágil, ligero, de química inactiva a temperatura ambiente y se clasifica como semiconductor.
Las cantidades mayores de silicio para la manufactura ocurren en compuestos de cerámica (SiO2 en vidrios y silicatos de arcillas) y elementos de aleaciones de acero, aluminio y cobre. También se emplea como agente reductor en ciertos procesos metalúrgicos. El silicio puro tiene importancia tecnológica como material base para la manufactura de semiconductores para la electrónica. La gran mayoría de circuitos integrados que se producen hoy día están elaborados de silicio (véase el capítulo 35).
Boro
El boro es un elemento semimetálico del mismo grupo de la tabla periódica en el que se encuentra el aluminio. Por peso, sólo constituye el 0.001% de la corteza terrestre, y ocurre por lo común como los minerales bórax (Na2 B4 O7 –10H2 O) y kernita (Na2 B4 O7 –H2 O). El boro es ligero y muy rígido (módulo de elasticidad alto) en forma de fibra. En términos de sus propiedades eléctricas, se clasifica como semiconductor (su conductividad varía con la temperatura; a temperaturas bajas es aislante, pero a elevadas es conductor).
Como material de importancia industrial, el boro se encuentra por lo general en forma de compuesto. Como tal, se emplea como solución en operaciones de galvanoplastia de níquel, como ingrediente (B2 O3 ) en ciertos compuestos de vidrio, catalizador en reacciones de química orgánica y como nitruro (nitruro de boro cúbico) para herramientas de corte. En forma casi pura se utiliza como fibra en materiales compuestos
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