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9.1 INTRODUCCIÓN
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, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja t enacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores. Normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad química relativamente alta en muchos más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) En general los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en la industria de la construcción y las porcelanas de uso en la industria eléctrica. Ejemplos de aplicación de los cerámicos ingenieriles en tecnología de punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura del motor de automoción de turbina de gas experimental AGT-100 y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica. 9.2 ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE CERÁMICOS SENCILLOS.
Para conocer a fondo las estructuras referirse al texto de William Smith, aquí sólo listaremos los cerámicos sin sus estructuras. Compuesto cerámico
Compuesto cerámico
Carburo de hafnio HfC Dióxido de silicio SiO2 Carburote titanio TiC Nitruro de silicio Si3N4 Carburo de wolframio WC Dióxido de titanio TiO2 Óxido de magnesio MgO Carburo de silicio SiC Carburo de boro B4C Óxido de aluminio Al2O3 Otras estructuras cristalinas son: Cloruro de sodio (NaCl), Cloruro de cesio (CsCl), Blenda de zinc (ZnS), Fluorita (CaF2), Antifluorita, Corindón (Al2O3), Perovsquita (CaTiO3), Espinela (MgAl2O4). Grafito: El grafito es una forma polimorfa de carbono; no es un compuesto de un metal y un no metal. Sin embargo, es considerado a veces como un material cerámico. 9.3 ESTRUCTURA DE LOS SILICATO 1
Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígeno (iones) enlazados entre sí en varias distribuciones. Muchos silicatos muestran su utilidad como materiales en ingeniería por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades especiales. Las estructuras de silicatos son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento Portland y ladrillos. Muchos materiales aislantes eléctricos importantes también están fabricados con silicatos. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-
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El análisis completo es muy largo y aquí sólo tratamos de conocer los usos, si se quiere saber más sobre las estructuras ver texto de William Smith.
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9.3.1 REDES DE SILICATOS SÍLICE: Cuando todos los vértices de tetraedro SiO 44- comparten átomos de oxígeno se forma una red de
SiO2, llamada sílice. Existen tres estructuras básicas de sílice: cuarzo, tridimita y cristobalita, y cada una de ellas tiene dos o tres modificaciones.
Las formas más estables de sílice y los rangos de temperatura en los cuales existen a presión atmosférica son: cuarzo interior, por debajo de 573ºC; cuarzo superior, entre 573 y 867ºC; tridimita superior, entre 867 y 1.470ºC, y cristobalita superior, entre 1.470 y 1.710ºC. Por encima de 1.710ºC la sílice es líquida. La sílice es un componente importante de muchos materiales cerámicos tradicionales y muchos tipos diferentes de vidrio. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) FELDESPATOS: Existen muchas formaciones naturales de silicatos que tienen infinitas redes tri-
dimensionales.
9.4 PROCESADO DE LOS CERÁMICOS
La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que se calientan posteriormente a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son : (1) preparación del material; (2) moldeado o colada; (3) tratamiento térmico de secado (que normalmente o se requiere) y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. 1. PREPARACIÓN DE MATERIALES
Las materias primas para estos productos varían dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy “criticas”, tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, es una práctica común mezclar los ingredientes con agua. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos. 2. TÉCNICAS DE CONFORMADO (MOLDEADOS)
Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan más comúnmente ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) .
2.1 PRENSADO: La materia prima cerámica puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo,
dentro de un troquel para formar productos con una forma determinada. Hay dos excepciones importantes: los productos de vidrio y el moldeo de hormigón. 2.2 PRENSADO EN SECO: Este método se usa frecuentemente para productos retractarlos (materiales de
alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de un polvo granulado junto con pequeñas cantidades de agua y/o cimentadores orgánicos en un troquel.
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Después del estampado en frío, las partículas normalmente se calientan (sinterizadas) a fin de que consigan la resistencia y las propiedades microestructurales deseadas. 2.3 MOLDEO EN BARBOTINA: Las etapas fundamentales de este proceso son: ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
a. Preparación de un metal cerámico en polvo y de un líquido
(generalmente arcilla y agua) en una suspensión estable llamada barbotina. b. Vertido de la barbotina en un molde poroso, generalmente
fabricado en yeso, que permita la absorción parcial de la porción líquida de la barbotina por el molde. A medida que se elimina el líquido de la barbotina, se forma una capa de material semiduro contra la superficie del molde.
c. Cuando se ha formado un espesor suficiente, se interrumpe el
proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad (Fig.a). Esto se conoce como escurrido o fundición con drenaje.
Alternativamente, la forma de un sólido puede realizarse permitiendo que continúe la colada hasta que la cavidad del molde se rellene por completo, como se ilustra en la Figura b. Este tipo de moldeo en barbotina se llama fundición compacta. d. Tenemos que dejar secar el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia necesaria para
ser manipulado y retirado posteriormente del molde.
e. Finalmente, hay que realizar el sinterizado para que consiga las propiedades y la microestructura
deseadas.
2.4 EXTRUSIÓN: Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se
pueden producir por extrusión de estos materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la producción de, por ejemplo, ladrillos refractarios, tuberías de alcantarillado, tejas, cerámicas técnicas y aislantes eléctricos. 3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. 3.1 SECADO Y ELIMINACIÓN DEL AGLUTINANTE: El propósito del secado de cerámicos es eliminar agua
del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidas a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100º C y puede tardar alrededor de 24 horas para un trozo de cerámica grande.
3.2 SINTERIZACIÓN: Es el proceso por el que se consigue que pequeñas partículas de un material se
mantengan unidas por difusión en estado sólido.
3.3 VITRIFICACIÓN: proceso por medio del cual la fase cristalina se licua y rellena los poros del material.
Esta fase cristalina líquida puede reaccionar también con alguno de los sólidos restantes del material refractario. Bajo enfriamiento, la fase líquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
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9.5 CERÁMICOS TRADICONALES Y DE INGENIERÍA 9.5.1 CERÁMICOS TRADICIONALES
Los cerámicos tradicionales están constituidos por tres tipos básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados. La sílice también llamada cuarzo, funde a altas temperaturas y es el material refractario de los cerámicos tradicionales. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) El feldespato potásico funde a bajas temperaturas y se transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a alta temperatura y une los componentes refractarios. Se utiliza el término triaxial cuando intervienen tres componentes principales en las composiciones de algunos cerámicos. Los cambios que tienen lugar en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el proceso de horneado no están entendidos por completo debido a su complejidad. Las porcelanas triaxiales son satisfactorias como aislantes para 60 ciclos de utilización, pero a altas frecuencias las pérdidas dieléctricas comienzan a ser cuantiosas. 9.5.2 CERÁMICOS DE INGENIERÍA
Los cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos principalmente por compuestos puros o casi puros: principalmente óxidos, carburos o nitruros. Algunos de los cerámicos de ingeniería más importantes son: alúmina, nitruro de silicio, carburo de silicio, y zirconita combinados con algunos otros óxidos refractarios. ALÚMINIA: La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de
utilización a elevadas temperaturas. Un ejemplo clásico de la utilización de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías.
La alúmina se emplea frecuentemente para aplicaciones eléctricas de buena calidad, donde se precisan bajas pérdidas dieléctricas y alta resistividad. NITRURO DE SILICIO: Los materiales cerámicos con base de nitruro tienen una combinación muy útil de
propiedades mecánicas ingenieriles, como resistencia razonable, resistencia al impacto y propiedades refractarias.
Las aplicaciones para los cerámicos con base de Nitruro de silicio, incluyen herramientas de corte, rodillos antifricción y cojinetes de bolas, así como componentes para motores de explosión o diesel. CARBURO DE SILICIO: tienen propiedades muy importantes, ya que su dureza es alta, son inertes
químicamente, tienen buena resistencia a la abrasión y a la oxidación a altas temperaturas. Sin embargo, el SiC es relativamente quebradizo por su baja resistencia al impacto y es difícil producir piezas cerámicas densas de grano fino. Las aplicaciones en los procesos químicos industriales incluyen sellados y válvulas, toberas, moldes, láminas para secado y troqueles para alambres. Debido a su resistencia al desgaste y a la erosión se usan en cojinetes de impulso, cojinetes de bolas, bombas de impulsión y troqueles de extrusión. Debido a sus características de resistencia a la termofluencia se usa en toberas, tubos de intercambiadores de calor y componentes de hornos de difusión. ZIRCONIA: La zirconia pura es polimorfa y experimenta transformaciones desde una estructura
tetragonal a otra monoclínica sobre los 1.170ºC acompañada de una expansión de volumen y posible ruptura. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
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9.6 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS CERÁMICOS
Los materiales cerámicos se utilizan en gran variedad de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Muchos tipos de cerámicos se utilizan como aislantes eléctricos para comentes eléctricas de alto y bajo voltaje. También encuentran aplicación en varios tipos de condensadores, especialmente cuando se requiere la miniaturización. Otros tipos de cerámicos se llaman piezoeléctricos y pueden convertir débiles señales de presión en señales eléctricas, y viceversa. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) Existen tres propiedades importantes comunes a todos los aislantes o dieléctricos 2: (1) la constante dieléctrica, (2) la rigidez dieléctrica, y (3) el factor de pérdida. RIGIDÉZ ELÉCTRICA: Esta
cantidad es una medida de la capacidad del 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) sin que se produzca un fallo, es decir, el campo eléctrico máximo que el dieléctrico puede mantener sin interrupción eléctrica. FACTOR DE PÉRDIDA : Si
el voltaje que se utiliza para mantener la carga en el condensador es sinusoidal, tal como se genera por una corriente alterna, el voltaje induce la corriente a 90° cuando un dieléctrico libre de pérdidas se encuentra entre las láminas del condensador. 9.6.1 AISLANTES CERÁMICOS
La composición química y la microestructura de los cerámicos de grado eléctrico y electrónico deben ser controladas más estrechamente que las correspondientes a cerámicos estructurales como ladrillos o baldosas. Materiales cerámicos aislantes son: Porcelana eléctrica. Esteatita. Fosterita. Alúmina. 9.7 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS CERÁMICOS
Considerados en su totalidad como una clase de materiales, los cerámicos son relativamente quebradizos. 9.7.1 MECANISMO DE DEFORMACIÓN
La falta de plasticidad de los cerámicos cristalinos es debida a sus enlaces iónicos y covalentes. En los metales, la deformación plástica tiene lugar principalmente por el movimiento de defectos de línea (dislocaciones) en la estructura cristalina sobre planos de deslizamiento cristalino especial En los metales, las dislocaciones se mueven bajo esfuerzos relativamente pequeños a causa de la naturaleza no direccional del enlace metálico, y porque todos los átomos involucrados en el enlace tienen una carga negativa distribuida uniformemente en sus superficies. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) Esto es, no hay iones positivos ni negativos implicados en el proceso del enlace metálico. La deformación de los cerámicos con enlaces predominantemente iónicos es diferente. Los monocristales de sólidos enlazados iónicamente, tales como el óxido de magnesio y el cloruro de sodio, muestran deformación plástica considerable bajo esfuerzos de compresión a temperatura ambiente. Sin embargo, los cerámicos policristalinos enlazados iónicamente son frágiles, formándose las grietas en los bordes de grano. 9.7.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE LOS CERÁMICOS.
El fallo mecánico de los materiales cerámicos tiene lugar principalmente por defectos estructurales.
_______________ 2
para saber sobre cada una ver texto de William Smith.
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Las causas principales de las fracturas en cerámicos policristalinos han de buscarse en las grietas superficiales producidas durante los procesos de acabado superficial, poros (porosidad), inclusiones y granos grandes, producidos durante el procesado. POROS: Los
poros de los materiales cerámicos frágiles son regiones donde se concentran los esfuerzos, y cuando la tensión en un poro alcanza un valor crítico se forma una grieta y se propaga al no haber en estos materiales procesos que absorban mucha energía como los que se dan en los metales dúctiles durante la deformación. Así, una vez que las grietas empiezan a propagarse, continúan creciendo hasta que tiene lugar la fractura. GRIETAS: Las
grietas en las cerámicas procesadas pueden ser, también, críticas a la hora de determinar la resistencia a la fractura de un material cerámico. Una grieta grande puede ser el factor principal que afecte a la resistencia de una cerámica. En los materiales cerámicos totalmente densos en los que no hay poros grandes, el tamaño de las grietas está normalmente relacionado con el tamaño del grano. La resistencia de un material cerámico policristalino está, en consecuencia, determinada por muchos factores, entre los que se incluyen la composición química, la microestructura y las condiciones superficiales como factores principales. La temperatura y el entorno también son importantes, así como el tipo de esfuerzo y cómo se aplica. Sin embargo, el fallo de la mayoría de los materiales cerámicos a temperatura ambiente generalmente se origina en las grietas mayores. 9.7.3 FALLO POR FATIGA.
El fallo por fatiga en los metales se produce tras repetidos esfuerzos cíclicos a causa de la nucleación y crecimiento de grietas dentro de un área muy endurecida de una probeta. ESTUDIANTES ( 5047-5048-51215017 )
Debido al enlace iónico-covalente de los átomos, hay una ausencia de plasticidad en los materiales cerámicos durante los esfuerzos cíclicos. Como resultado, la fractura por fatiga en materiales cerámicos es poco común. Recientemente se han registrado crecimientos de fisura de fatiga estables a temperatura ambiente bajo esfuerzos y compresiones cíclicas en láminas dentadas de alúmina policristalina. Gran parte de la investigación se orienta a hacer más duros los materiales cerámicos que deben soportar presiones cíclicas, para aplicaciones como los rotores de turbina. 9.7.4 MATERIALES ABRASIVOS
La gran dureza de algunos materiales cerámicos les hace susceptibles de ser usados como abrasivos para cortar, afilar y pulir otros materiales de menor dureza. La alúmina fundida (óxido de aluminio) y el carburo de silicio son dos de los productos abrasivos cerámicos más usados industrialmente. Los productos abrasivos, como láminas y ruedas, se hacen por enlace de partículas cerámicas individuales. Entre los materiales de adición se encuentran cerámicas horneadas, resinas orgánicas y cauchos. Las partículas cerámicas deben ser duras y con extremos cortantes afilados. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) Además, el producto abrasivo debe tener cierta porosidad, para proporcionar canales para que el aire o el líquido fluyan a través de la estructura. Los granos de óxido de aluminio son más resistentes que los de carburo de silicio pero no son tan duros, y por eso el carburo de silicio normalmente se usa para materiales más duros. 9.8 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS CERÁMICOS
La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico-covalentes; y son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor, son usados como refractarios, materiales que resisten la acción de ambientes calientes, tanto líquidos como gaseosos. Los refractarios se utilizan en las industrias metalúrgicas, químicas, cerámicas y del vidrio.
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9.8.1 MATERIALES REFRACTARIOS
Las propiedades más importantes de los refractarios cerámicos son su resistencia a bajas y altas temperaturas, su densidad y su porosidad. Muchos compuestos cerámicos puros con altos puntos de fusión, como el óxido de aluminio y el óxido de magnesio, podrían tener aplicación como refractarios industriales: pero son caros y es difícil darles forma. Por tanto, la mayoría de lo refractarios industriales se hacen con mezclas de compuestos cerámicos. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y erosión; y a la penetración por líquidos y gases. Sin embargo, para refractarios aislantes es deseable una alta porosidad. Los refractarios aislantes son utilizados en su mayoría como protección de ladrillos o material refractario de mayor densidad y refractariedad. Los materiales refractarios cerámicos se dividen comúnmente en ácidos y básicos.
REFRACTARIOS ÁCIDOS
Los refractarios de sílice tienen alta refractariedad, alta resistencia mecánica y rigidez a temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Los refractarios de arcillas se basan en una mezcla de arcilla cocida plástica, arcilla de partículas gruesas y arcilla pétrea. Los refractarios de alta alúmina contienen del 50 al 99 % de alúmina y tienen temperaturas de fusión mayores que los ladrillos de barro cocido. Pueden usarse en condiciones de horneado más severas y a mayores temperaturas que los ladrillos de barro cocido, pero son más duros.
REFRACTARIOS BÁSICOS
Los refractarios básicos están compuestos, mayoritariamente, por magnesia (MgO), cal (CaO), mineral de cromo o mezclas de dos o tres de esos materiales. Como grupo, los refractarios básicos tienen altas densidades, altas temperaturas de fusión y buena resistencia al ataque químico por escorias básicas y óxidos, pero son más caros. Estos refractarios contienen un porcentaje alto de magnesia (92 a 95 %) y se usan principalmente en recubrimientos en el proceso de fabricación del acero de oxígeno y medio básico. AISLAMIENTO CERÁMICO DE LOSETAS3 PARA EL VEHÍCULO ORBITAL DE UN TRANSBORDADOR ESPACIAL.
El desarrollo del sistema de protección térmica para el vehículo orbital de un transbordador espacial es un ejemplo excelente de la moderna tecnología de materiales aplicada al diseño en ingeniería.
Dado que el transbordador espacial ha de usarse para al menos cien misiones, fue necesario desarrollar nuevos aislamientos cerámicos en losetas.
___________________ 3 Los revestimientos pueden cumplir funciones muy diversas, aunque las principales son las de aislamiento (térmico y acústico).
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Alrededor del 70 % de la superficie externa del vehículo orbital está protegida del calor aproximadamente por 24.000 losetas individuales de cerámica fabricadas en un compuesto de fibra de sílice. La figura indica el área superficial donde se encuentra revistiendo el cuerpo del vehículo orbital. Este material tiene una densidad sólo de 4 kg/pie 3 (9 Ib/pie3) y es capaz de soportar temperaturas de hasta 1.260ºC (2.300ºF). La efectividad de este material como aislante está indicada por la capacidad de un técnico para mantener en sus manos una loseta de cerámica sólo diez segundos después de que se ha extraído de un homo a 1.260ºC (2.300 ºF). 9.9 VIDRIOS
La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente junto con aceptable resistencia y excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los entornos habituales hacen que los vidrios sean indispensables para muchas aplicaciones de ingeniería tales como construcción y vidriado de vehículos
.
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En la industria electrónica, los tubos electrónicos también requieren el cierre al vacío proporcionado por el vidrio, junto con sus propiedades aislantes para las entradas de conectores. La alta resistencia química del vidrio lo hace muy útil para aparatos de laboratorio y revestimientos resistentes a la corrosión, conducciones y recipientes de reacción en la industria química. 9.9.1 DEFINICIÓN DE VIDRIO
Un vidrio puede definirse como un producto inorgánico de fusión que se ha enfriado a una condición rígida, sin cristalización. Un vidrio es un material cerámico que se fabrica a partir de materiales inorgánicos a altas temperaturas. Sin embargo, se distingue de otros cerámicos en que sus constituyentes se calientan hasta la fusión y después se enfrían hasta un estado rígido sin cristalización. Una de sus características es que tiene una estructura no cristalina o amorfa. 9.9.2 TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA
El comportamiento frente a la solidificación de un vidrio es diferente del de un cristal, como se puede ver en la figura, que es una representación del volumen específico (inverso de la densidad) frente a la temperatura para esos dos tipos de materiales. Un líquido que forma un sólido cristalino bajo solidificación (por ejemplo, un metal puro) normalmente cristalizará en su punto de fusión con una disminución significativa de su volumen específico, como se indica con el camino ABC de la figura. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
Por el contrario, un líquido que forma un vidrio bajo enfriamiento no cristaliza, sino que sigue un camino como AD en la figura. El líquido de este tipo se vuelve más viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y se transforma desde un estado plástico blando y elástico a un estado vidrioso, quebradizo y rígido en un margen muy estrecho de temperaturas, en el que la pendiente de la curva del volumen específico frente a la temperatura es marcadamente decreciente. El punto de intersección de las dos pendientes de la curva define un punto de transformación denominado temperatura de transición vítrea, Tg. En este punto la estructura se resiente, con mayores velocidades de enfriamiento se originan valores más elevados de T g.
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9.9.3 ESTRUCTURA DE LOS VIDRIOS
ÓXIDOS FORMADORES DE VIDRIOS. Muchos vidrios inorgánicos están basados en el óxido de silicio, como formador de vidrio. El óxido de boro, también es un óxido formador de vidrio y por sí mismo forma subunidades que son triángulos planos con el átomo de boro ligeramente fuera del plano de los átomos de oxígeno. El óxido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, como vidrios de borosilicatos y aluminoborosilicatos. ÓXIDOS MODIFICADORES DE VIDRIOS. Los óxidos que rompen la red del vidrio se conocen como modificadores de red. Los iones Na + y K+ del Na2O y K2O no entran en la red pero permanecen como iones metálicos enlazados iónicamente en intersticios de la red. Estos iones promueven la cristalización del vidrio al llenar algunos de los intersticios. ÓXIDOS INTERMEDIARIOS EN VIDRIOS. Algunos óxidos no pueden formar una red de vidrio por sí mismos, pero pueden incorporarse a una red ya existente. Estos óxidos son conocidos como óxidos intermediarios ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 ) .
El óxido de plomo es otro óxido intermediario que se incorpora a algunos vidrios de sílice. Dependiendo de la composición del vidrio, hay óxidos intermedios que deben actuar a veces como modificadores de la red y otras como parte constitutiva de la red del vidrio. 9.9.4 COMPOSICIÓN DE LOS VIDRIOS
El vidrio de sílice fundido, que es el vidrio de un solo componente más importante, presenta una alta transmisión espectral y no está sujeto a daños de radiación que origina coloración en otros vidrios. Es, por tanto, el vidrio ideal para las lunas de los vehículos espaciales y de túneles aerodinámicos y para sistemas ópticos en dispositivos espectrofotométricos. Sin embargo, los vidrios de sílice son caros v difíciles de procesar caros y difíciles de procesar. Una pequeña clasificación en base a su composición es: Vidrios sodo-cálcicos, Vidrios al plomo. Vidrios de borosilicato 4. 9.9.5 DEFORMACIÓN VISCOSA DE VIDRIOS
Un vidrio se comporta como un líquido viscoso (subenfriado) por encima de su temperatura de transición vítrea. Las fuerzas interatómicas resisten la deformación por encima de la temperatura de transición vítrea, pero son incapaces de prevenir el flujo viscoso del vidrio si la tensión aplicada es suficientemente alta. A medida que se incrementa progresivamente la temperatura del vidrio sobre su temperatura de transición vítrea, la viscosidad del vidrio disminuye y se facilita el flujo viscoso. Para la comparación de vidrios, se han usado varios puntos de referencia, Estos son puntos de trabajo, reblandecimiento, recocido y deformación. Sus definiciones son: 1. Punto de trabajo: viscosidad = 104poises (10 3Pa•s). A esta temperatura las operaciones de fabricación
del vidrio pueden llevarse a cabo.
2. Punto de reblandecimiento: viscosidad = 10 8poises (10 7Pa•s). A esta temperatura el vidrio se fundirá
en una proporción apreciable bajo su propio peso.
_____________ 4
Para saber más ver texto de William Smith
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De cualquier modo, este punto no puede ser definido por una viscosidad precisa porque ésta depende de la densidad y de la tensión superficial del vidrio. 3. Punto de recocido: viscosidad = 1013 poises (1012 Pa•s). Las tensiones internas pueden ser aliviadas a
esta temperatura.
4. Punto de deformación: viscosidad = 1014,5 poises (1013,5 Pa•s). Bajo esta temperatura el vidrio está
rígido y la relajación de la tensión se produce sólo de un modo lento. El intervalo entre los puntos de recocido y deformación se considera comúnmente como la escala de recocido de un vidrio. ESTUDIANTES ( 5047-5048-5121-5017 )
Los vidrios se funden usualmente a una temperatura que corresponde a una viscosidad de aproximadamente 102 poises (10 Pa•s). Un vidrio duro tiene un alto punto de reblandecimiento, mientras que un vidrio blando tiene un punto de reblandecimiento bajo. Un vidrio de amplio intervalo tiene una gran diferencia de temperatura entre sus puntos de reblandecimiento y deformación. Es decir, este vidrio solidifica más lentamente que un vidrio de reducido intervalo. 9.9.6
MÉTODOS DE CONFORMADO DEL VIDRIO
Los productos de vidrio se fabrican calentando en primer lugar el vidrio a una temperatura alta para producir un líquido viscoso que seguidamente se moldea, dibuja o lamina en la forma deseada. 1. CONFORMADO DE VIDRIO EN HOJAS Y LÁMINAS.
El proceso de flotado en el cual una tira de vidrio sale del horno de fusión y flota sobre la superficie de un baño de estaño fundido. La lámina de vidrio se enfría mientras se mueve a través del estaño fundido y bajo una atmósfera controlada químicamente. Cuando su superficie está suficientemente dura, la lámina de vidrio se saca del horno sin ser marcada mediante rodillos y se hace pasar a través de un largo horno de recocido llamado lehr . Donde se eliminan las tensiones residuales. 2. SOPLADO, PRENSADO Y MOLDEADO DEL VIDRIO.
Artículos huecos como botellas, jarras y envolturas de tubos luminosos se fabrican soplando aire para forzar al vidrio fundido hacia dentro de los moldes. Artículos planos como lentes ópticas y lentes para faros se fabrican prensando con un émbolo, en el molde que contiene vidrio fundido. Muchos artículos pueden fabricarse moldeando el cristal dentro de un molde abierto. Artículos con forma de embudos como tubos de televisor se fabrican mediante moldeado centrífugo. Los trozos de vidrio fundidos desde el alimentador se arrojan en un molde de hilatura que origina que el vidrio fluya hacia arriba para formar un muro de vidrio de espesor aproximadamente uniforme
.
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3. VIDRIO TEMPLADO.
Este tipo de vidrio es reforzado enfriando rápidamente con aire la superficie del vidrio después de que éste haya sido calentado hasta cerca de su punto de reblandecimiento. La superficie del vidrio se enfría primero y se contrae, mientras que el interior está caliente y se reajusta a los cambios dimensionales con pocas tensiones. Cuando el interior se enfría y contrae, la superficie ya está rígida, con lo que se crean tensiones de tracción en el interior del vidrio y tensiones de compresión en las superficies. Este tratamiento de «templado» aumenta la resistencia del vidrio porque las fuerzas de tensión aplicadas son capaces de sobrepasar las fuerzas de compresión de la superficie antes de que se produzca la fractura.
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El vidrio templado tiene una mayor resistencia al impacto que el vidrio recocido y es alrededor de cuatro veces más fuerte que éste. Las ventanas de los automóviles y el vidrio de seguridad para puertas son artículos que han sido templados térmicamente. 4. VIDRIO REFORZADO QUÍMICAMENTE
La resistencia de un vidrio puede incrementarse mediante tratamientos químicos especiales. Por ejemplo, si un vidrio de aluminio-silicato de sodio se sumerge en un baño de nitrato de potasio a una temperatura de aproximadamente 50ºC por debajo de su punto de tensión (~500 °C) durante 6 a 10 h, los iones más pequeños, de sodio, junto a la superficie del vidrio, son reemplazados por iones potasio más grandes. La introducción de los iones potasio más grandes en la superficie del vidrio produce fuerzas de compresión en la superficie y las correspondientes fuerzas de tracción en su centro. ESTUDIANTES ( 50475048-5121-5017 )
Este proceso de templado químico puede usarse en las secciones transversales más delgadas que puedan templarse térmicamente; ya que la capa compresiva es muy fina. El vidrio químicamente reforzado se usa para aeronaves supersónicas y para lentes oftálmicas.
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Claro está que en el presente trabajo existirán muchos errores los cuales son de exclusiva responsabilidad nuestra al momento de volver a reescribir. En donde se encuentren errores revisar para aclarar la confusión. Hemos puesto en diferentes partes los códigos de los estudiantes que realizamos dicho texto, ya que otras personas pueden tratar de incluirse en tal texto sin haber dado o nada de cooperación, esperamos que esto lo entiendan los compañeros estudiantes. LOS ESTUDIANTES 10-02-2007
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CERÁMICOS
