Ceramicos Conductores de Alta Temperatura

CERAMICOS CONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA Castro Alvarado, Luis Alberto Chipana Alarcón, Aarón Daniel Condori Ccoyllo, Everth Dionicio

ABSTRACT

DEFINICIÓN

Alth Althou ough gh,, the the cera cerami micc mate materi rial alss aren aren’t ’t good good conductors of temperature; recently, researchers has been developing studies of a kind of ceramic that is stab stable le to high high temp temper erat atur ure. e. They They are are call called ed refractory materials.

Los cerámicos cerámicos conductores conductores de alta temperat temperatura, ura, llamados cerámicos refractarios refractarios por su capacidad de soport soportar ar altas altas temper temperatu atura ras, s, son consid consider erado adoss dentro de la clasificación de cerámicos avanzados, debido a los métodos de procesado o usos que se les da en la actualidad.

This research tries to explain the characteristics of ceram ceramic ic mater material ialss that that are able to resis resistt to high high temperatures and its main application nowadays.

KEYBOARDS Materiales Materiales refractar refractarios, ios, Termoflue Termofluencia, ncia, Choque térm térmic ico, o, Moto Motorr cerá cerámi mico co,, Cerá Cerámi mica ca mull mullit ita, a, Alúmina, OME (Orbital Maneuvering Engine), JAXA(Japan JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)

INTRODUCCIÓN Los materiales cerámicos son compuestos químicos inorgánico inorgánicoss o soluciones soluciones complejas complejas,, constituid constituidos os por elementos metálicos y no metálicos unidos entre sí principalm principalmente ente mediante mediante enlaces enlaces iónicos iónicos y/o covalente covalentes; s; con gran aplicación aplicación en alfarer alfarería, ía, constr construcc ucción ión,, utensi utensilio lioss de cocina cocina,, dispos dispositi itivos vos eléctricos. Entre Entre sus princi principal pales es caracte caracterís rístic ticas, as, se puede puede dest destac acar ar que no son son magn magnét étic icos os,, son son malo maloss cond conduc ucto tore ress de calo calorr y son son por por natu natura rale leza za materiales muy duros. Sin embar mbargo go,, si bie bien es cier ierto son son malos los conductores de calor, en los últimos años, se han llevado a cabo estudios sobre una cerámica tenaz transformada que resulta lo suficientemente estable a elev elevad adas as temp temper erat atur uras as,, como como para para pode poders rsee considerar aplicable en el desarrollo y construcción de cilindros para motores Diesel ligeros, motores cerámicos, camisas de cilindros, cabezas de pistón, turb turbin inas as de gas gas adia adiabá bátic ticas as y recu recupe pera rado dore ress e intercambiadores de calor, es decir, se trata de una de las las cerá cerámi mica cass más más avan avanza zada dass para para inte intent ntar ar progresar en el importante campo de los motores adiabáticos. Además, también se están desarrollando en piezas moldeables y maquinables gracias a esa capacidad de poder soportar temperaturas elevadas. Muchos de estos estos cerámic cerámicos os se están están haciendo haciendo a base base de alúm alúmin ina, a, mulli mullita ta,, carb carbur uro o de sili silici cio o y otro otros, s, produciendo como resultado varillas, accesorios para hornos, tubos, crisoles, crisoles, entre otros.

Son aquellos materiales cerámicos que combinan las caract caracterí erísti sticas cas y las ventaj ventajas as de la cerámi cerámica ca tradicional, por ejemplo inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de sopor oporta tarr una una tens tensió ión n mecá ecánica nica y tér térmica ica significativa. Como toda toda cer cerámica ica, está stán form ormados dos por por compuestos inorgánicos y no metálicos; además, a menudo menudo son mezclas de varios varios component componentes es y/o materiales de fase múltiple que tienen estructuras cristalinas complejas.

HISTORIA La historia de la cerámica va unida a la historia de casi casi todo todoss los los pueb pueblo loss del del mund mundo. o. Abar Abarca ca sus sus misma mismass evoluc evolucion iones es y fecha fechass y su estudi estudio o está está unido unido a las relacio relaciones nes de los hombres hombres que han permitido el progreso progreso de este arte. En los últimos 50 años, años, se han estado desarrollando desarrollando las llamadas llamadas cerámicas cerámicas avanzada avanzadas, s, caracter caracterizada izadass principalmente por su muy alta resistencia al calor, las cuales son utilizadas como cobertores térmicos para proteger estructuras metálicas, cubrir superficies, o como compuestos importantes por si mismos. Estas Estas cerám cerámica icass avanza avanzadas das,, presen presentan tan fuertes fuertes enlaces atómicos híbridos iónico/covalentes, que les confiere confiere,, además además de fragilida fragilidad d (impedim (impedimento ento del desplaza desplazamient miento o de los planos atómicos atómicos entre sí) dureza y rigidez, un alto punto de fusión que las convierte convierte en excelente excelentess materiale materialess resistent resistentes es al calor, es decir, refractarios. refractarios. Las aplicaciones en motores son típicas de estos materiales, que incluyen Sílice, Carburo de Silicio, Circonio, Alúmina, Mullita, entre otro tros compuestos. Uno de los ejemplos más claros sobre la evolución de esto estoss mate materi rial ales es lo desa desarr rrol ollo lo la empresa multinacional japonesa Toyo Toyota ta.. Hace Hace un par par de déca década dass inve invest stig igo o la prod produc ucci ción ón de un moto motor r cerámico que era capaz de funcionar a temperaturas temperaturas

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supe superi rior ores es a 3300 3300ºº C, el cual cual no requ requer ería ía ni refrigeración ni lubricación.

COMPORTAMIENTO REFRACTARIO Alguno Algunoss mater material iales es cerám cerámico icoss pueden pueden soport soportar ar temperat temperaturas uras extremada extremadament mentee altas sin perder perder su soli solide dezz. Son los los deno denom mina inados dos mate ateriale ialess refractarios. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmósfera

porosos y es frecuente frecuente encontrar materiales materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material más denso que provee resistencia. Tal vez sea sorprendente que estos materiales puedan ser usados a temperaturas temperaturas en donde se licúan parcialmente. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de dióxido de silicio (SiO2), usados para recubrir hornos hornos de fundición de acero, acero, trabajan 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 control responsable sobre todos los aspectos de la construcción y uso. Las cerámicas técnicas o avanzadas presentan fuertes enlaces atómicos híbridos iónico/covalentes, que les confiere, además de fragilidad (impedimento del desplazamiento de los planos atómicos entre sí) dureza y rigidez, un alto punto de fusión que las convierte en excelentes materiales resistentes al calor, es decir, refractarios. refractarios.

Protección térmica del trasbordador espacial. Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen buen comp compor orta tami mien ento to a alta alta temp temper erat atur uraa mientr mientras as que pueden pueden sufrir sufrir rotura roturass por choque choque térmico a temperaturas temperaturas inferiores. Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas mecánicas a altas temperaturas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial. Los materiales cerámicos poseen por lo general general una buena resistencia a la termofluencia. Esto es debido principalmente a dos factores en el caso de cerámicos cristalinos: altos valores de temperatura de fusión y elevada energía de activación para que comience la difusión. •

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Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura. Esta variación repentina da lugar a tensiones superficiales de tracción que llevan a la fractura. Entre los factores que condicionan la resistencia al choque térmico toma gran importancia la

LAS PRINCIPALES INNOVACIONES EN EL CAMPO DE LAS CERÁMICAS REFRACTARIAS Cerámicas resistentes a las altas temperaturas En las últimas décadas se han obteniendo muestras de N4Si3 y CSi, que mantienen sus resistencias a la tracción de 56 kg/mm2 y 39 kg/mm2 respectivamente, a 1200 °C. El mantenimiento de la resistencia a elevadas temperaturas de los productos terminados, con ambas cerámicas, es función del proceso de fabricación llevado a cabo para obtenerlas. Se han llevando a cabo estudios sobre una cerámica tenaz transformada que resulta lo suficientemente estable a elevadas temperaturas, como para poderse considerar aplicable en el desarrollo y construcción de cilindros para motores Diesel li geros, camisas de cilindros, cabezas de pistón, turbinas de gas adiabáticas y recuperadores e intercambiadores de calor, es decir, se trata de una de las cerámicas más avanzadas para intentar progresar en el importante campo de los motores adiabáticos.



pero la cerámica cerámica en estudio, al contrario de lo que le sucede a la PSZ, no se degrada a las temperaturas que harían perder su tenacidad a ésta. Dicha cerámica está formada por partículas de solución sólida, finamente divididas, de ZrO2/HfO2, ZrO2/HfO2, dispersa en otra solución sólida, como matriz, de alúmina (Al2O3/Cr2O3) o mullita (3Al2O3, 2SiO2/3Cr2O3, 2SiO2). Los mejores resultados, con las propiedades óptimas, se obtienen cuando la cerámica contiene 20% de moles de Cr2O3 lo que, eleva la dureza y el modulo elástico del material; con el 10/20 moles % de HfO2 se mejora sustancialmente la fractura tenaz.

Cerámicas moldeables y maquinables Actualmente existen cerámicas de OMg que pueden moldearse, por métodos convencionales, para obtener piezas de posible mecanización para ser utilizadas a elevadas temperaturas. Este material cerámico está formado por un sistema de dos elementos, un polvo cerámico y un activador líquido. Dicha mezcla puede moldearse bajo cualquier forma; después de calentarse puede mecanizarse por medio de herramientas convencionales. Las piezas terminadas poseen una buena resistencia térmica térmica y excelentes propiedades propiedades dieléctricas (resistividad: 1010 ohm/cm; resistencia dieléctrica: 100 vols/mil) y puede soportar temperaturas de hasta 1.540 °C. En varios laboratorios se han desarrollado materiales de N4Si3 especiales para aplicaciones resistentes al calor. Añadiéndole óxidos de Lantano y otros metales de Tierras Raras, se obtiene una cerámica altamente estable, que puede ser perfectamente sinterizada sinterizada (elevada presión presión y temperaturas), temperaturas), no presentando pérdida alguna de resistencia mecánica incluso cuando se calienta hasta los 1.300°C.

Cerámica tenaz resistente a los choques térmicos Una cerámica obtenida en Zirania constituida por O2Zr/Ti producto de interacción obtenido en crisoles en los que el Ti puede fundirse sin la aplicación de oxígeno, puede soportar choques térmicos de hasta 1.650 °C y que, en consecuencia, tiene la resistencia suficiente para aplicarse en

estabilidad de la cerámica para soportar ciclos térmicos. Los investigadores de estas cerámicas la han calentado hasta los 1.900°C, enfriándola a continuación a 204/260 °C, repitiendo el ciclo 20 veces sin destruir la integridad de la estructura. Un crisol fabricado con Zr02 simple no soportaría ni un solo ciclo. Los cambios dimensionales son del orden del 1%, y el punto de fusión de la cerámica se aproxima a los 2.200°C. La cerámica en cuestión puede obtenerse por una variedad de métodos, incluyendo la compresión isostática y el H.I.P, y el prensado en frío utilizando una cera parafina como aglomerante, para mantener los polvos ligados. La contracción durante el procesado es del 8/10%. 8/10%.

Cerámica mullita para elevadas temperaturas La cerámica de mullita (Al2O3/SiO2) (Al2O3/SiO2) en la que, la proporción de impurezas impurezas se rebaja al 0,1% adquiere una resistencia mecánica comparable al CSi, que puede mantenerse mantenerse a temperaturas de hasta 1.400°C. La mullita en cuestión se obtiene a base de Sílice (SiO2) y Alúmina (Al2O3) de alta pureza. Calentando la mezcla y controlando el crecimiento de las mallas cristalinas se consiguen mullitas de las purezas especificadas. especificadas. Además de su elevada resistencia a altas temperaturas, temperaturas, las cerámicas en estudio poseen las ventajas de, relativos bajos costes de producción, fácil fabricación y resistencia a l a corrosión.

MATERIALES UTILIZADOS EN LOS CERAMICOS CONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA Alúmina o óxido de aluminio (Al203) Constituye la base para uno de los grupos de materiales de óxido cerámico más importantes. Los materiales de alúmina se han impuesto como el material de elección para una amplia gama de aplicaciones. La alúmina densamente sinterizada se caracteriza por • • •

alta resistencia y dureza, estabilidad de t emperatura, emperatura, aislación eléctrica,



productos que podemos obtener obtener son: varillas varillas,, tubos,, tubos protectores de termocupla, tubos termocupla, placas, crisoles,, aisladores crisoles aisladores..

(1.700º C), nucleares, de fundición de metales de alto rendimiento, sensores de oxígeno y semiconductores.

Materiales de enhornamiento y de transporte en cerámica de óxidos Constituidos principalmente por productos basados en el óxido de aluminio, son materiales resistentes a altas temperaturas con propiedades térmicas y mecánicas óptimas. Se distingue entre materiales porosos y materiales densos. Han encontrado una utilización preferente como rodillos de transporte. Actualmente estos rodillos se utilizan hasta temperaturas de 1300ºC o algo más. Su porcentaje de alúmina varía varía entre el el 65 y el 75 %. Mullita

Los productos de mullita sintética (Al203-SiO2) se presentan en dos formas, formas, impermeable impermeable y porosa. La mullita densamente sinterizada (impermeable) (impermeable) combina alta resistencia con una buena resistencia al impacto térmico. La mullita porosa tiene una resistencia razonablemente razonablemente alta con una baja expansión térmica permitiendo mejores niveles de impacto térmico.

Su cuidadosa fabricación está aumentando paulatinamente su resistencia resistencia mecánica y su temperatura máxima de utilización. Sin embargo, su resistencia a la flexión bajo carga sigue siendo limitada.

Materiales de enhornamiento y de transporte en cerámica no oxidada:

Cerámicos de mullita sintética con capacidad de alto impacto térmico y temperaturas temperaturas de funcionamiento de 2.910º F (1.600º C) para utilizar en hornos, calefactores, aislación eléctrica, aplicaciones con desgaste, áreas resistentes a la corrosión.

Los materiales de este grupo comúnmente utilizados en en la industria cerámica son los carburos de silicio. Se distinguen por una alta dureza y una excelente excelente resistencia a las altas temperaturas para las que constituyen un material insustituible. Se utilizan actualmente los siguientes productos de SiC: SiC:

Carburo de silicio

SiC infiltrado con Si libre: se utiliza en forma

Carburo de silicio poroso con excelente capacidad de impacto térmico, alta resistencia y capacidad de funcionamiento a temperaturas elevadas de hasta 2.910º F (1.600º C). Excelente para utilizar en aplicaciones con hornos y metales fundidos debido a sus propiedades no humectantes. Circonia

Esta variedad de materiales de circonia, ya sea densos o con porosidad., ofrecen capacidad de alta temperatura de hasta 4.370º F (2.400º C), así como también un excelente rendimiento en áreas de alto desgaste y corrosión

de placas, barras y rodillos para temperaturas de hasta 1250-1300ºC. Está caracterizado por una resistencia a la flexión particularmente alta. Su temperatura máxima está limitada por la evaporación del silicio por encima de 1300ºC.SiC recristalizado: se aplica en forma de placas, barras y rodillos para temperaturas temperaturas superiores a 1300ºC y hasta 1600ºC. SiC aglomerado con nitruros o nitruros de silicio: utilizados como soportes de cocción.

APLICACIONES Motor Cerámico



la combustión es perfecta, produciendo mejores prestaciones con menos menos consumo y sin emitir emitir gases contaminantes como el monóxido de carbono. La eficiencia en el uso de combustible de un 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 manufactura 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 manufactura impiden su producción en masa.

El OME en la sonda Akatsuki (JAXA).

El motor cerámico de Akatsuki El pasado 28 de junio del 2010, la sonda japonesa Akatsuki encendió el motor principal durante 13 segundos cuando se encontraba a 14,6 millones de Km. de la Tierra (1,06 UA) para verificar su funcionamiento de cara a la próxima inserción en la órbita de Venus. El motor, denominado OME (Orbital Maneuvering Engine) y fabricado por Mitsubishi, tiene un empuje de 500 N y quema hidracina con óxido de nitrógeno. Partes del Orbital Maneuvering Engine(OME). Hasta aquí todo normal, pero lo novedoso del caso es que se trata del primer motor de cerámica del mundo que se ha probado en una misión espacial. Efectivamente, el propulsor ha sido fabricado en Japón usando nitruro de silicio (Si3N4), una cerámica muy popular en la industria aeroespacial. Hasta ahora, la JAXA empleaba impulsores hechos de aleación de niobio recubiertos con silicio, lo que permitía soportar temperaturas temperaturas de 1300º C. En cambio, los nuevos motores de cerámica son capaces de soportar 1500º C. No es un avance enorme, pero permite aumentar el rendimiento de los motores hipergólicos reutilizables. Para motores no reutilizables, sale más rentable emplear materiales ablativos en las toberas. El encendido del OME es una prueba decisiva para comprobar el estado de este motor antes de la inserción orbital el próximo 7 de diciembre.

El motor OME (JAXA).



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El motor OME (JAXA) visto del espacio

CONCLUSIONES •

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Los cer cerámicos icos condu onducctor tores de alta lta tem temper peratur tura, recibe ciben n el nom nombre bre de cerá cerámi mico coss refr refrac acta tari rios os debi debido do a su capacidad de soportar las altas temperaturas. Los cerám cerámico icoss avanza avanzados dos son aquell aquellos os mater material iales es cerám cerámico icoss que combin combinan an las carac aracte terrísti ística cass y las las vent ventaj ajaas de la cerámica tradicional, por ejemplo inercia química, capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de soportar una tensión mecánica y térmica significativa. Los Los cerá cerámi mico coss cond conduc ucto tore ress de alta alta temperatura son considerados dentro de la clasif clasifica icació ción n de cerám cerámico icoss avanza avanzados dos,, debido a los métodos de procesado o usos para los cuales están siendo investigados y llevados a cabo. El motor cerámic cerámico o es capaz de soportar soportar temperaturas superiores a 3300 °C y durar 10 vece vecess más más porq porque ue el desg desgas aste te es prácticamente nulo. No necesita refr refrige igerac ración ión ni lubric lubricac ación ión del motor motor porque es capaz de trabajar a más altas temperaturas temperaturas sin fugas de calor. Dentro de los principales compuestos de los los que que está están n hech hechos os los los cerá cerámi mico coss condu onducctor tores de altas ltas tem temper peratur aturaas destacan: destacan: Alúmina, Alúmina, Mullita, Mullita, Carburo Carburo de silicio, Circonia entre otros. Los motores motores cerámi cerámicos cos son factibles factibles en invest investiga igacio ciones nes de labora laborator torio, io, pero pero las dificultades actuales sobre la manufactura impiden su producción en masa.

RECOMENDACIONES

Se deben seguir investigando las aplicaciones de los cerámicos conductores de alta temperatura, motores cerámicos, ya que debido debido a su comple compleja ja manuf manufact actura ura cerámica, aun no es factible su producción en masa y solo esta limitado en algunos casos a prototipos de laboratorio.

AGRADECIMIENTO Agra Agrade dece cerr a nues nuestr tros os padr padres es por por darn darnos os la oportunidad de estudiar la carrera que es nuestra vocación como es la Ingeniería Industrial en una prestigiosa universidad que se encuentra en pleno crecimiento como es la Universidad de San Martín de Porres y su Facultad de Ingeniería y Arquitectura la cual es una de las facultades peruanas mejores posicionadas por su alto nivel de exigencia y su plana docente. Y también agradecer a nuestro profesor, el Ingeniero Arnaldo Falcón Soto, profesor del curso de “Materiales de Ingeniería”, por darnos la oportunidad de investigar acerca de este interesante tema.

Fuentes electrónicas: electrónicas: •

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http://www.textoscientificos.com/quimica/ eramicasavanzadas/resistentes-calor http://es.wikipedia.org/wiki/Cer %C3%A1mica http://www.earthwaterfire.com/spanish/tec hnical_ceramics_technical.htm http://www.slideshare.net/engendro/clase22-ceramicas-presentation

Ceramicos Conductores de Alta Temperatura

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