Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui Escuela de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química Q uímica Asignatura: Materiales de Ingeniería.
Profesor:
Integrantes:
Frank Parra
Barrero Angely C.I: 19013482 (Sección 01)
Sección 02
Huaman Resmery C.I: 18206299 Bello Evelyn CI: 19009579 Villegas Luis C.I: 19489070
Puerto la Cruz, Febrero del 2011
Índice Pagina Introducción
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1. Conceptos básicos
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2. Estructura y propiedades
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2.1. Estructura.
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2.2- Propiedades.
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3. Técnicas de Procesado y nuevas tecnologías.
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3.1. Procesado de materiales cerámicos.
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3.2. Nuevas Tecnologías.
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4. Aplicaci Aplicaciones. ones.
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Introducción
Los materiales cerámicos, unos de los primeramente utilizados por el hombre, han tenido un auge muy importante a partir de los años 70. Estos se han utilizado durante miles de años, presentan una buena resistencia a la compresión y no exhiben nada de ductilidad a la tensión. Los Materiales Cerámicos son soluciones complejas que contienen elementos metálicos y no metálicos. Ejemplos como la Alúmina compuesto de átomos de Aluminio elemento metálico y Oxigeno que es un no metálico. Debido a sus enlaces covalentes o iónicos, los Materiales Cerámicos suelen ser duros, frágiles, con un alto punto de fusión, tienen baja conductividad térmica y eléctrica y son estables química y térmicamente. Los Cerámicos son compuestos inorgánicos en las que minerales y rocas naturales no son considerados Cerámicos pero pueden poseer propiedades que son similares a los cerámicos. Las aplicaciones en los Materiales Cerámicos y varían en función de la utilidad de los mismos, ejemplos podemos citar en productos de alfarería, fabricación de ladrillos, utensilios de cocina, tubos de albañal hasta vidrio, materiales refractorios los cuales han tomado cierta importancia en los campos y areas de la aeronáutica (Barreras Termicas), en la siderurgia, fabricación de frenos, también en la medicina como Implantes oseos, imanes etc. El funcionamiento ha obtenido un optimo progreso gracias a los diseños de los materiales lo que se permite un control minucioso de la microestructura de una forma específica de los componentes y la forma de integración de los mismos. En este presente documental tomaremos en cuenta y citaremos de igual forma propiedades, deformación al aplicar carga, su uso en aplicaciones y la comparación de estos con algunos metales en semejanza.
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1.
Conceptos
básicos.
Cerámica: Productos obtenidos mediante la acción del calor. Materiales
cerámicos: Materiales sólidos inorgánicos no metálicos. Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no sufren oxidación. Están constituidos por elementos metálicos y no metálicos. Materiales
metálicos: Materiales sólidos inorgánicos constituidos por elementos metálicos. Son conductores del calor y la electricidad, presentan resistencias mecánicas altas y son dúctiles y maleables. Materiales
polí meros: Materiales sólidos constituidos a partir de moléculas orgánicas mediante un proceso denominado polimerización. Presentan baja resistencia mecánica, baja conductividad eléctrica y térmica y no se pueden utilizar a alta temperatura. Materiales
compuestos: Materiales sólidos formados por dos o más tipos de materiales, lo que resulta en sólidos con propiedades imposibles de obtener con un solo tipo de material. Son ligeros, fuertes, rígidos y resistentes a temperaturas altas. Ductilidad: Capacidad de un material de experimentar una deformación plástica apreciable antes de romper. Fragilidad: Cuando en el proceso de fractura, es decir de separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a una tensión aplicada estática, se da poca o ninguna deformación plástica en el material antes de romperse. Estructura atómica: Se refiere a la estructura a escala atómica del material. Es decir el tipo de átomos, la naturaleza de su enlace y el modo en que los átomos están dispuestos unos respecto de otros. La estructura atómica determina principalmente las propiedade térmicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas. Estructura cristalina: Modo en que los átomos o iones están ordenados en el espacio en los materiales cristalinos. Se define en términos de la geometría de la celdilla unidad y de la posición de los átomos dentro de la celdilla. Estructura ví trea o amorf a: Falta de ordenación de los átomos o iones, es decir que tiene una estructura no cristalina. Microestructura:
Parte de la estructura que puede ser vista mediante un microscopio. Se refiere a las características de grandes grupos de átomos enlazados entre si constituyendo lo que se denomina una fase, es decir al tamaño, forma, distribución relativa y contenido relativo de la diferentes fases cristalinas y/o vítreas que constituyen el material. Aunque la
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microestructura afecta a las propiedades dependientes del nivel atómico sobretodo determina las propiedades mecánicas. Macroestructura:
Aspecto macroscópico de la estructura, es decir visible a simple vista. Se refiere, por tanto, a la forma, tamaño y demás características observables que pueden afectar a ciertas características del material.
Propiedades: Respuestas a estímulos específicos ejercidos sobre el material. Técnicas de conformación: Métodos para dar forma a un material. Colaje:
Consiste en verter una suspensión de la composición deseada en un molde que tiene la forma prevista, formándose una capa sólida en la pared interior del molde al absorber el dispersante.
Extrusión: Consiste en aplicar una fuerza de compresión sobre una mezcla plástica para que circule a traves de una cavidad que actua como molde (boquilla, en general metálica). Prensado: Aplicación de una fuerza de compresión sobre una masa plástica estática. Plasticidad: Capacidad de un material de mantener una deformación permanente o no recuperable después de aplicar una carga. Elasticidad: Capacidad de un material de recuperar la forma al eliminarse el esfuerzo aplicado. Sinterización: Es el nombre general para el proceso de densificación de un material policristalino, con o sin presencia de fase líquida para ayudar al transporte de materia. Policristalino: Material sólido constituido por más de un cristal o grano. Monocristalino:
Material constituido por un solo cristal.
Densific ación: Procesado térmico mediante el cual los granos que constituyen el material crecen formándose uniones entre ellos lo que produce un efecto de aproximación aumentando la densidad del material, pudiendo esta aproximarse a la densidad cristalina teórica. Crecimiento de grano: Incremento del tamaño medio de grano de un material.
Lí mite de grano: Intercara que separa dos granos vecinos con distintas orientaciones cristalográficas.
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Abrasión:
Es el método para medir la resistencia a la abrasión o desgaste de la loseta cerámica esmaltada a través del método PEI, estas son desgastadas en el equipo de abrasión usando agua, grano abrasivo y bolas de acero como medio de desgaste. Absorción:
Es la capacidad de la loseta cerámica de aceptar y retener agua para determinar el grado de maduración del cuerpo cerámico o para determinar sus propiedades estructurales que pueden ser requeridas para una aplicación dada. Agua:
El concepto del agua es muy importante en cerámica. Se puede oír hablar de agua física o de agua química, y también de agua de formación o de combinación. Las primeras denominaciones, física o de formación, corresponden al agua o la humedad que agregamos físicamente a la pasta, y que se evaporará o será eliminada mediante el secado. El agua química o de combinación es la que está químicamente combinada con la arcilla (no olvidemos que ésta es un silicato de alúmina hidratado: Al2O3 - 2SiO2 -2H2O ), y que se descompone y desprende de las piezas a partir de los 450º C del ciclo de horneado. Alabeo:
Es la medición de del grado de curvatura cóncavo o convexo en la loseta con respecto a un plano horizontal. Alf arería:
sinónimo de cerámica, y proviene del término árabe alfahar, que parece significar el taller donde se confeccionan piezas cerámicas. Alúmina:
Es el óxido de aluminio. Junto con la sílice es el ingrediente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración. Amasado,
amasar:
Proceso ejecutado con las manos y los dedos para homogeneizar el barro con el agua, darle la consistencia deseada y eliminar burbujas de aire. Arcilla:
Según Bernard Leach en su Manual del Ceramista: "Ciertas tierras y rocas pulverizadas forman, cuando se combinan con el agua, una pasta suficientemente homogénea con la que se modelan formas llamadas piezas verdes, las cuales al endurecerse por la acción del fuego, se convierten en el producto llamado cerámica". Y a continuación dice: "La arcilla es el resultado de la descomposición de los feldespatos.", lo que concuerda con otras definiciones, como que es la descomposición de rocas graníticas en combinación con otras impurezas, y cuyas partículas deberán ser muy finas, lo que le conferirá esa característica de plasticidad necesaria para el modelado de las formas cuando se le ha agregado el agua necesaria. Atmósfera:
Cuando utilizamos esta palabra en cerámica nos referimos exactamente al tipo de atmósfera o ambiente existente dentro del horno en el momento de la quema. La atmósfera es oxidante cuando es rica o abundante en oxígeno, y reductora cuando el oxígeno es escaso y por lo tanto la combustión incompleta y humeante.La diferencia en los 6
resultados de estos dos tipos de quema se da por lo general en el color de las piezas obtenidas, tanto si son sancochos como si se queman esmaltes. Bajo
esmalte: Decoración de color que se aplica a la pieza ya bizcochada y que luego será cubierta con un barniz transparente. También se conoce como bajo cubierta. Barbotina:
Mezcla líquida, pero espesa, de agua y arcilla, que posteriormente será deshidratada y la cual quedará convertida en pasta con grano y humedad controlados. Barro:
Arcilla muy plástica que quema color blanco o rojo ladrillo, debido a su contenido de óxido de hierro. Bizcocho:
Pieza de cerámica cocida sin esmalte y a baja temperatura, por lo general como preparación para la aplicación de éste. Equivale a sancocho. Calcinación:
Consiste en quemar un material cerámico o una mezcla, a una temperatura moderada, con el fin de extraer el agua química o el bióxido de carbono. Caolí n:
Arcilla pura que se usa en la preparación de pastas y esmalte cerámicos. Después de la quema su color es blanco normalmente, También se la conoce como arcilla china y, efectivamente, caolín deriva de la palabra china "kao-lin" que significa montaña de arcilla. Cerámica
porcelánico: Por sus características de fabricación tiene una absorción de agua menor o igual al 0.5% y una resistencia mecánica de mínimo 350 Kgs/cm2. Cerámica gresific ada:
Por sus características de fabricación tiene una absorción de agua mayor de 0.5% y menor o igual al 3% y una resistencia mecánica de mínimo 300 Kgs/cm2. Cerámica
semigresificada: Por sus características de fabricación tiene una absorción de agua mayor de 3% y menor o igual al 7% y una resistencia mecánica de mínimo 250 Kgs/cm2. Cerámica
cottoforte: Por sus características de fabricación tiene una absorción de agua mayor de 7% y menor o igual al 18% y una resistencia mecánica de mínimo 250 Kgs/cm2. Cerámica para
muro: Por sus características de fabricación tiene una absorción de agua mayor de 10% y menor o igual al 20% y una resistencia mecánica de mínimo 150 Kgs/cm2. Coeficiente
estático de fricción: Es la medición del grado de resistencia al deslizamiento de la superficie en la loseta ya sea en seco o en húmedo. Colorantes:
Óxidos metálicos como los de cobre, hierro, cobalto y otros, que sirven para colorear bases de esmalte incoloras. Básicamente podría decirse que son el contenido de color de los esmaltes, y son muy característicos: el cobalto quema azul, el cobre, verde y hasta rojos. 7
Choque
Térmico: Es el grado de resistencia de la loseta cerámica al quebrado o rotura cuando es sometida a cambios bruscos de temperatura. Contracción:
Efecto de Achicamiento que sufre la Loseta Cerámica al momento de ser
quemada. Craquelado:
Es el grado de resistencia de la loseta cerámica a presentar fisuras cuando es sometida a cambios bruscos de presión y temperatura. Chamota:
Materiales cerámicos que han sido cocidos, molidos y reducidos a granos de varios grosores y se utiliza como desengrasante.
Defectos estructurales: Son Fisuras o laminaciones y diferencias dimensiónales en el cuerpo de la loseta cerámica, que afectan la apariencia estética y/o la resistencia en la instalación. Defectos f aciales: Son todas aquellas imperfecciones que se presentan en la superficie visible de la loseta cerámica, alterando la apariencia estética y la utilidad de esta. Dimensiones: Son los valores resultantes de la medición del tamaño de una loseta cerámica. Engobe: En principio, podríamos decir que es la mezcla de arcilla y agua, en una suspensión espesa, coloreada con óxidos metálicos o pigmentos cerámicos, que se utiliza para la decoración de piezas crudas, en estado de cuero. Frita: Esmalte parcial o completo, fundido en el horno hasta alcanzar la condición de vidrio, enfriado y luego molido. Luego se usa para esmaltar piezas o en la preparación de otros esmaltes. Con este procedimiento se elimina la toxicidad del plomo y la solubilidad de los fundentes alcalinos. Gres: Término de origen francés, utilizado para designar la cerámica de alta temperatura. Loseta cerámica: Placa fabricada con materiales inorgánicos, generalmente utilizada como revestimiento para pisos muros y fachadas, la loseta cerámica puede ser esmaltada (con cubierta de esmalte cerámico) o no esmaltada ( sin cubierta de esmalte cerámico. Lustre: Decoración metálica obtenida por la aplicación de una delgada capa de metal sobre el esmalte, luego de lo cual se quema la pieza. Madurez: Estado en que la pasta cerámica desarrolla su mayor dureza y densidad. Mohs: Es la escala para clasificar la dureza de los minerales y los agrupa del 1 al 10.
Ortogonalidad: Desviación de la cuadratura de la loseta con respecto a un ángulo de 90. 8
Pasta: Mezcla de arcillas y otros ingredientes susceptible de ser quemada, que sirve para fabricar las piezas cerámicas. Plasticidad: Característica de la arcilla que le permite ser modelada y retener la forma, sin deformarse. R ayado (Escala de Mohs): Determinación de la dureza al rayado según la escala de Mohs frotando con la mano ciertos minerales de dureza conocida sobre la superficie de las losetas. Refractarios: Materiales con altos contenidos de alúmina y sílice lo que, debido a su alto punto de fusión, los hace resistentes a temperaturas muy altas. Por esta razón es que son usados como entrepaños y accesorios para el horno, piezas que también adoptan el mismo nombre de refractarios.
2. Estructura y propiedades. 2.1-Estructura. En líneas generales los materiales presentan las siguientes estructuras: Están formados por una combinación de fases cristalinas y/o vítreas. Se pueden presentar en función de la aplicación como sólido denso, polvo fino, película, fibra, etc. Los hay constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominándose monofásicos Los constituidos por muchos cristales de la misma fase cristalina se denominan policristalinos. Los monocristales se refieren a materiales constituidos por un solo cristal de una única fase. Enlace atómico: parcial o totalmente iónico Iones metálicos: cationes (ceden sus electrones, +), aniones (aceptan electrones). Estructuras cristalinas, compuestas de dos o más elementos. La estructura está determinada por: el valor de la carga eléctrica de los iones (el cristal debe ser eléctricamente neutro) y los tamaños relativos de los cationes y aniones (número de coordinación).
Principales Estructuras Cristalinas
Estructura cristalina tipo NaCl 9
Estructura cristalina tipo CsCl
Estructura cristalina tipo blenda (ZnS)
Estructura cristalina tipo fluorita (CaF2)
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Estructura cristalina tipo Antifluorita (Li2O)
Estructura cristalina tipo Corindón (Al2O3)
Estructura cristalina tipo Espinela (MgAl2O4)
Estructura cristalina tipo Perovskita (CaTiO3)
Estructura atómica de materiales cerámicos. La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su 11
estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos. La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo. Los materiales cerámicos suelen estar compuestos por al menos dos elementos unidos formando óxidos, carburos, nitruros o boruros, mediante enlaces iónicos o covalentes, dependiendo del tipo de cerámico. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Por otra parte, suelen formar micro estructuras podemos clasificarlos en: Cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos. Cerámicos cristalinos Se obtienen a partir de sílice fundida en los que cada grano es un cristal aproximadamente perfecto, pero con una estructura mucho más complicada que en los metales. La estructura cristalina de cada grano, orientado de forma diferente, puede producir un incremento de resistencia a la propagación de defectos a través del material. La forma más usual en la que se fabrican estos materiales es en forma monolítica, aunque también se encuentran en forma de compuestos de dos o más componentes. El procesado de estos cerámicos se puede hacer de múltiples formas , partiendo de polvos, a veces añadiendo alguna pequeña cantidad de un aglutinante, y finalmente comprimiéndolos casi siempre a altas temperaturas. Con un buen procesado se llega a obtener una porosidad prácticamente nula. La pureza de los materiales puede llegar a ser muy elevada, encontrándose por ejemplo, alúminas desde el 85% al 99.9%. Los materiales cerámicos tienen usualmente tras el proceso de fabricación una micro estructura fina consistente en pequeños granos cristalinos de unas pocas micras de tamaño. En la Tabla 1.3 se muestra el tamaño de grano típico de algunos materiales cerámicos.
Durante el proceso, los pequeños granos no se orientan en ninguna dirección predeterminada, sino de una forma aleatoria. Esta distribución al azar hace que a escala macroscópica, las propiedades mecánicas que presentan sean isotrópicas. El proceso de compactación y prensado de polvos puede dar lugar a cierta porosidad en el producto final. Maximizar las propiedades mecánicas implica reducir la porosidad al mínimo, pues los poros son pequeños defectos que pueden actuar como concentradores de tensión e iniciadores del fallo prematuro del material . No obstante, la porosidad global de estos materiales suele ser casi nula y en consecuencia la densidad aparente es 12
prácticamente igual a su densidad teórica. Sin embargo, no debe olvidarse que la existencia de un pequeño defecto aislado puede resultar fundamental en el comportamiento final.
2.2- Propiedades. Las propiedades de los materiales cerámicos cubren un amplio intervalo de necesidades
Propiedades mecánicas. Propiedades térmicas. Propiedades ópticas. Propiedades eléctricas. Propiedades magnéticas. Propiedades químicas.
Las propiedades de los materiales cerámicos vienen determinadas en cuatro niveles:
Atómico. Ordenación de átomos, cristalino o amorfo. Microestructura. Macroestructura.
Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes. Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible. Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura. Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación. 13
Resistencia a la temperatura Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.
Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio. Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su posterior rotura. Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.
Resistencia a los agentes químicos La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos. Las propiedades de un material cerámico dependen de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:
Materiales
cerámicos porosos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes: - Arcillas cocidas. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la componen. La temperatura de cocción es de entre 700 a 1.000 °C. Si una vez cocida se recubre con óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se denomina loza estannífera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc. - Loza italiana.- Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción varia entre 1.050 a 1070 °C. - Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido de hierro y se le añade silex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. La cocción se realiza en dos fases: 1) Cocido entre 1.200 y 1.300 °C. 2) Se extrae del horno y se cubre de esmalte. El resultado es análogo a las porcelanas, pero no es impermeable. 14
- Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: a) Ladrillos refractarios, que deben soportar altas temperaturas en el interior de hornos. b) Electrocerámicas: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc., con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el aterrizaje.
Materiales
cerámicos impermeables y semiimpermeables . Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. Los más destacados: - Gres cerámico común.- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos. - Gres cerámico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo óxidos metálicos) a las que se le añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos desal marina. La sal reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. - Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo osílex). Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeño (de 2 a 4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto se considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la industria (toberas
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de reactores, aislantes en transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen dos tipos:
3.
Porcelanas blandas. Cocidas a unos 1.000 °C, se sacan se les aplica esmalte y se vuelven a introducir en el horno a una temperatura de 1.250 °C o más. Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000º C, a continuación se sacan, se esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se decoran se realiza esta operación y luego se vuelven a introducir en el horno a unos 800 ºC.
Técnicas de Procesado y nuevas tecnologías. Procesado de materiales cerámicos.
3.1-
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 no se requiere) y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
Preparaciones de materiales. La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas (hay dos excepciones importantes: los productos de vidrio y el moldeo de hormigón). 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 ³críticas´, 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. Algunas veces se combinan ambos procesos ±húmedo y seco- . Por ejemplo, para producir un tipo de cerámicos con gran proporción de alúmina (Al2O3) que sea buen aislante, las partículas de materia prima se mezclan con agua y junto con un cimentador de cera para formar una suspención que posteriormente se atomiza y seca para formar pequeñas partículas esféricas.
Técnicas de conformados. Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de 16
conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan más comunmente.
Prensado: La materia prima cerámica puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada. Hay dos excepciones importantes: los productos de vidrio y el moldeo de hormigón. Prensado en seco: Este método se usa frecuentemente para productos refractarios 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 de agua y / o cimentadores orgánicos de una matriz. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite altas velocidades de fabricación con tolerancias pequeñas. Compactación
sostática: En este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible y hermético generalmente de caucho llamado cartucho, que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica presión. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío, se ha de pasar por el fuego para obtener las propiedades y microestructura requerida. Productos cerámicos manufacturados por esta vía son los refractarios, ladrillos, aislantes de bujía, crisoles, herramientas de carburo y cojinetes. I
Compresión
en caliente: En este proceso se consiguen piezas cerámicas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión y los tratamientos de sinterizado. Se utilizan tanto la presión unidireccional como los métodos isostático. Moldeo en barbotina: Las
formas cerámicas se pueden moldear usando un proceso único llamado moldeo en barbotina o fundición por revestimiento, Las etapas fundamentales de este proceso son:
Extrusion: Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se pueden producir por extrusión de los materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la fabricación de por ej.: ladrillos refractarios, tubos de alcantarillado, cerámicas técnicas, y aislantes. Los recursos más utilizados son las máquinas de extrusión tipo tornillo sin fin, accionado por un motor. Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo alta presiones, de manera de obtener tolerancias precisas. 17
Esquema de las etapas tí picas del procesamiento cerámico. Tratamientos térmicos. El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos.
Secado y eliminación del aglutinante: El propósito del secado es eliminar el agua del cuerpo cerámico plástico antes de someterlo a altas temperaturas. Generalmente esto se lleva a cabo a menos de 100°C, y puede demorar más de 24 hs. La mayoría de los cimentadores orgánicos pueden extraerse de las piezas cerámicas por calentamiento en un rango de 200°C a 300°C, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir temperaturas superiores. Sinterizacion: Es el proceso mediante el cual se logra que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión en estado sólido. En los cerámicos este tratamiento se basa en la transformación de un producto poroso y compacto en otro denso y coherente. Este método se utiliza para producir formas cerámicas de alúmina, berilio, ferritas y titanatos.En el proceso de sinterizado las partículas coalescen por difusión en estado sólido, a temperaturas muy altas, pero por debajo del punto de fusión. 18
Vetrificacion:
Algunos cerámicos como la porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase cristalina. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado vitrificación, por medio del cual la fase cristalina se licúa y rellena los poros del material. Bajo enfriamiento, la fase liquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido. Cerámicos tradicionales.
Los cerámicos tradicionales están constituidos por tres tipos básicos: arcilla, sílice (sílex) y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de Al hidratados ( Al2O3 . Si O2 . H20) con pequeñas cantidades de otros óxidos, como TiO2,Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O. Las arcillas dentro de los materiales cerámicos tradicionales se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituyen el cuerpo principal del material. La sílice (Si O2) funde a altas temperaturas y es el material refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato potásico, que tiene la composición básica K2O. Al2O3 .6SiO2, funde a bajas temperaturas, y se transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a alta temperatura y une los componentes refractarios.Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de desagües, tejas de drenaje, tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos. Los productos de cerámica fina como la porcelana eléctrica, porcelana china y sanitarios están formados a partir de arcilla, silice y feldespato, por medio de los cuales se controla su composición. Se utiliza el término triaxial porque intervienen tres componentes principales en sus composiciones.Los cambios que tienen lugar en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el proceso dehorneado no están entendido por completo debido a su complejidad. Cerámicos de ingeniería.
En contraste con los cerámicos tradicionales, que se basan principalmente en la arcilla, los cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos por compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos carburos o nitruros. Alguno de los cerámicos de ingeniería más importantes son: Alúmina ( Al2O3) , nitruro de Silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC), y zirconita ( ZrO2 ) , combinados con algunos otros óxidos refractarios. A continuación se ofrece una breve descripción de algunas propiedades, procesos y aplicaciones de varios materiales cerámicos importantes en ingeniería: Aluminia
( Al2O3). La alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas; pero ahora tiene 19
aplicaciones mucho más variadas. Un ejemplo clásico de la utilización de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías. El óxido de aluminio se dopa con óxido de Mg , se prensa en frío y se sinteriza. La alúmina se emplea frecuentemente para aplicaciones eléctricas de buena calidad, donde se precisan bajas pérdidas dieléctricas y alta resistivida. Nitruro
de silicio ( Si3N4). 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. El Si3N4,se disocia significativamente a temperaturas por encima de los 1800°C y, por consiguiente, no se puede sinterizar directamente. Sin embargo, a lo largo de los últimos años se han desarrollado otros métodos de fabricación del Si3N4 . Se han desarrollado cuatro procesos principales para el nitruro de silicio: procesos por reacción de unión (RBSN), procesos de compactación en caliente de nitruro de silicio (HPSN), proceso de nitruro de silicio sinterizado (SSN), proceso de nitruro de silicio de compactación isostática en caliente (HIP-SN). En el proceso por reacción de unión, un polvo compacto de silicio se nitrura en una corriente de gas nitrógeno. Este proceso produce un Si3N4, microporoso y con moderada resistencia. Para promover el sinterizado, se utilizan varias cantidades de aditivos de óxidos..Estos aditivos reaccionan con el Si3N4 , que comienza a formarse en polvo y su capa superficial de SiO2 para crear un borde de grano de oxinitruro cuyas características controlan el proceso de unión a altas temperaturas. Otro cerámico con base de nitruro de silicio es el SiAlON, una aleación en solución sólida de nitruro de silicio y óxido de aluminio. Carburo
de Silicio (SiC). Los cerámicos de altas prestaciones del tipo SiC, tiene propiedades muy importantes, ya que su dureza es elevada, son inertes químicamente, tiene 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. Para hacer carburo de silicio sinterizado por reacción, se infiltra un polvo compacto de SiC y carbono (grafito) con silicio fundido, que reacciona con el carbono para formar SiC, uniendo los granos originales de SiC. Las aplicaciones en los procesos químicos industriales incluyen sellos y válvulas, toberas, moldes, láminas para secado y troqueles para alambres. Otras aplicaciones que se aprovechan de su resistencia al desgaste y a la erosión, son los 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. Investigaciones recientes 20
de los cerámicos de SiC, se centran en los compuestos de matriz cerámica en lo que se refiere a la incorporación de segundas fases, como partículas, monocristales y fibras.
irconia ( ZrO2 ). La zirconia pura es polimorfa y experimenta transformaciones desde una estructura tetragonal a otra monoclínica, sobre los 1170°C acompañada de una expansión de volumen y posible ruptura. Sin embargo, combinando ZrO2 con otros óxidos refractarios, tales como CaO, MgO e Y2O3 , la estructura cúbica se puede estabilizar a temperatura ambiente y se han encontrado algunas aplicaciones donde se requiere alta resistencia a impactos. Z
2 uevas Tecnologías.
3. -N
ASCER (Asociación Española de Fabricantes de Azulejos y Pavimentos Cerámicos) en la jornada ³Recubrimientos cerámicos, nuevos campos de aplicación´ en la que se han presentado a los asociados los resultados de cuatro innovadores proyectos sectoriales liderados por ASCER y ejecutados por ITC. Los nuevos campos de aplicación analizados son:
Sistemas de colocación en seco. La instalación y reposición de pavimentos cerámicos ha planteado tradicionalmente elevados costes así como tiempos largos de ejecución debido a las labores típicas de colocación, las cuales incluyen la formulación y aplicación de adhesivos húmedos. El proyecto ha abordado el diseño y desarrollo de dos sistemas de colocación de material cerámico en seco, uno para pavimento y otro para revestimiento, que podrán ser utilizados por las empresas del sector. Ambos diseños están protegidos con patentes que ASCER e ITC ponen a disposición de sus asociados. Este proyecto ha sido desarrollado por ITC. Uso de cerámica en encimeras. El uso de la cerámica en encimeras ha sido muy común tradicionalmente en cocinas, pero últimamente se ha visto desplazado por la aparición de nuevos materiales. El objetivo de este proyecto ha sido el determinar la viabilidad de utilizar la cerámica como material de vanguardia para la fabricación de encimeras de cocinas y baños. Para ello se ha trabajado en detectar soluciones para los principales requerimientos de diseño; analizar los requisitos aplicables (prestaciones funcionales necesarias, requisitos en reglamentaciones, ergonomía, etc); así como estudiar su puesta en el mercado, comercialización y difusión. El proyecto incluye una serie de estrategias de producción y comercialización dirigidas a que las empresas cerámicas puedan introducir su producto en el sector de las encimeras. Este proyecto lo ha desarrollado ITC con la colaboración del IBV. Fachadas ventiladas con cerámica. Las fachadas ventiladas cerámicas han experimentado un vertiginoso crecimiento en los últimos años. Uno de los argumentos comerciales utilizado ha sido la contribución medioambiental que
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reportaba su utilización, pese a no existir estudios científicos que respaldasen mediante datos objetivos estos beneficios. Usos de la cerámica en pavimentos urbanos. La elevada durabilidad de los pavimentos cerámicos, y su capacidad de modular sus prestaciones funcionales, los convierten en una clara opción para la optimización de los sistemas constructivos de pavimentación urbana. Algunas de sus funcionalidades específicas: antideslizamiento, facilidad de mantenimiento, diseño, y posibilidad de prefabricación y registrabilidad hacen destacar al material frente a materiales sustitutivos.
El objetivo de este proyecto se ha centrado en el estudio de la viabilidad de abordar con garantías de éxito el desarrollo de sistemas constructivos para usos urbanos basados en la utilización de materiales cerámicos, y en encontrar las vías de comercialización y promoción adecuadas para todas las soluciones cerámicas dirigidas a los espacios públicos. Así mismo se han analizado los factores que limitan la incorporación de este tipo de soluciones a los entornos urbanos, como pueda ser la correcta instalación de las piezas.
Restauraciones totalmente cerámicas.
Las porcelanas dentales son unos materiales de restauración excelentes en Prótesis Fija para muchos de los casos en que está comprometida la estética. En la actualidad existe una gran variedad de materiales cerámicos y de tecnologías de laboratorio, dada la constante evolución en investigación y desarrollo de la industria relacionada con los materiales dentales. Las porcelanas dentales actuales, de reciente aparición, pretenden mejorar las propiedades mecánicas de las porcelanas clásicas para aumentar las indicaciones de las mismas y lograr así una mayor longevidad de las restauraciones en el medio oral. 4.- Aplicaciones.
Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. Los motores cerámicos no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de combustible. La eficiencia en el uso de combustible de un motor es también superior a más alta temperatura. 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. Los materiales cerámicos más utilizados son la alúmina y el silicio. 22
a) Alúmina: Se utiliza en aplicaciones donde el material debe operar a altas temperaturas, pero también donde se requiere una elevada resistencia mecánica, como en empaques electrónicos que alojan chips de silicio, en bujías. La alúmina contaminada con cromo se utiliza para fabricar laser. b) Titanato de Bario: Es utilizado para fabricar capacitores que puedan contener cantidades considerables de carga. c) Carburo de Boro: Es el tercer material más duro conocido, se utiliza como blindaje nuclear y como una porción de placa de blindaje de balas. El material compuesto de Carburo de Boro con un metal es utilizado para discos y ruedas abrasivas en el mecanizado. d) Cordierita: Es utilizado como material cerámico electrónico, en los convertidores catalíticos. e) Diamante: Es el material más duro existente de la naturaleza, se utiliza como abrasivo para pulverizar y pulir, como herramienta de corte y joyería. f) Titano de plomo circonio: A la aplicación de presión o esfuerzo genera un voltaje. La aplicación de un voltaje ocasiona una deformación del material; se utiliza en encendedores de gas e imágenes por ultrasonido. g) La sílice o silica: Es el material de uso más amplio, ingrediente esencial de los vidrios y los vitrocerámicos. Se utiliza en aislamientos térmicos, refractarios, abrasivos, cristalería para laboratorio y también para la fabricación de fibra óptica para telecomunicaciones. h) Carburo de Silicio: Se utiliza como recubrimiento para los metales, materiales compuestos carbono-carbono y otros materiales cerámicos para protegerlos a temperaturas extremas. Es semiconductor y muy buen candidato para dispositivos electrónicos a altas temperaturas. i) Nitruro de Silicio: Posible componente para motores de automóvil y para turbinas de gas, ya que permite temperaturas de operación mas elevadas y mejores eficiencias en el combustible con menos peso que los metales y la aleaciones tradicionales. j) Sialon: Se aplican herramientas de corte, componentes para motor que incluyen altas temperaturas y severas condiciones de desgaste. k) Bióxido de Titanio Su uso más extenso es en forma de pigmento blanco para fabricar pinturas y para fabricar lociones bronceadoras que sirven para protección contra los rayos ultravioleta. l) Boruro de Titanio: Es un buen conductor de electricidad y calor y es aplicado en los productos de blindaje. m) Oxido de Zinc: Se utiliza como acelerador en la vulcanización del hule (neumáticos); también es utilizado en polvos medicinales cutáneos y en ungüentos para la piel. n) Zirconio: Se utiliza para fabricar censores de gas de oxigeno y para medir el oxigeno disuelto en los aceros líquidos. 23
o) Los óxidos complejos que tienen propiedades dieléctricas o piezo- eléctricas únicas (por ejemplo el plomotitatanato de zirconio y el Niobato de plomo y magnesio)que se utiliza en los, capacitores modernos de capa múltiple y en los transductores. Los cerámicos superconductores descubiertos recientemente, los cuales desarrollan resistencia cero a temperaturas bien por encima de las de cualquier otro material conocido. Los cerámicos se están Incorporando en las máquinas de combustión Interna. Los principales beneficios que se pueden lograr de la utilización de los cerámicos en esta aplicación, son mayores temperaturas de operación y menor peso del motor, todo lo cual se traduce en una mayor eficiencia. Además, debido a su excelente resistencia al desgaste, los componentes cerámicos no requieren una lubricación tan extensa. La Nissan Motor Company, el fabricante japonés de automóviles introdujo recientemente un vehículo con un motor deturbina-alimentadora, hecha de Nitruro de Silicio. La compañía Cummins Engine Co., ha estado ensayando un motor Diesel para camión con tapas cerámicas para los pistones y con balineras y camisas para los pistones también de cerámicos, los cuales posibilitan que el motor funcione sin sistema de enfriamiento. Varias compañías americanas están desarrollando motores de turbina de gas de materiales cerámicos para automóviles y la Rolls-Royce Ltd., está experimentando con motores similares para helicópteros. Los cerámicos que cambian sus propiedades eléctricas cuando se les expone a ciertos agentes químicos, tienen muchas aplicaciones potenciales. Las moléculas líquidas ó gaseosas al interactuar con un cerámico de este tipo en forma de pelets porosos, podría cambiar la resistencia eléctrica de cerámico de este tipo en forma fácilmente medible. El sensor basado en este principio es de diseño simple y requiere de un par de contactos eléctricos. La carencia de reactividad y la resistencia a la corrosión de los cerámicos, hace que estos materiales se desempeñen mucho mejor en ambientes químicos agresivos que los sensores convencionales. Uno de estos dispositivos es un sensor de humedad, el cual tiene muchas aplicaciones en sistemas de aire acondicionado, en secadores y en equipos de respiración. Otros sensores cerámicos se han desarrollado para detectar la presencia de Metano, el principio constituyente del gas natural. Estos sensores podrían mejorar la seguridad en el hogar, en donde el gas natural se usa para calefacción y para la cocción. En el área de los cerámicos piezoeléctricos vale la pena mencionar el desarrollo de un cabezote de impresión de tinta de alta velocidad y de alta precisión. El cabezote consiste de cientos de pozos diminutos de tinta construidos en un material piezoeléctrico. Al aplicar un voltaje selectivo a los pozos de tinta, se puede hacer que estos se contraigan súbitamente, liberando a chorros la tinta sobre el papel, en modelos correspondientes a los caracteres deseados. Se requieren menores espacios y menores voltajes que los necesarios para otros cabezotes de impresión, además de mejorar los detalles de la impresión. 24
Los motores de corriente directa también se pueden construir de material piezoeléctrico, para convertirla dilatación del cerámico en movimiento de traslación o rotacional cuando este se expone a un cambio eléctrico. Estos motores son compactos, de peso ligero y sencillo porque no requieren alambrado para el embobinado. Pueden pararse y arrancar sin resbalamiento y suministran un torque alto a bajas velocidades, lo cual permite mover kilogramos de carga lentamente y en forma precisa. Uno de los obstáculos más severos para la utilización de los cerámicos y de los vidrios en aplicaciones estructurales (o en cualquier aplicación en la cual se involucren esfuerzos altos) es su resistencia relativamente baja al crecimiento de grietas pequeñas. Esta resistencia intrínsecamente pequeña a la fractura es una consecuencia del hecho de que a la temperatura ambiente no hay procesos de deformación dúctil, que puede mitigar los grandes esfuerzos generados en la raíz de las grietas. Esta fragilidad intrínseca significa que las grietas que producen fallas son generalmente del tamaño de unas pocas micras, por debajo del límite de detección de los procesos de evaluación NO DESTRUCTIVA. Un segundo problema es la dificultad en el procesamiento de estos materiales en su condición de "libres de grietas". Los defectos que producen fallas pueden resultar de la presencia de poros ó de inclusiones en el cuerpo del material ó con mayor frecuencia, de las pequeñas grietas generadas en la superficie durante el proceso de conformación por mecanizado y durante las operaciones de terminado. Otros problemas asociados con el procesamiento y la utilización de los cerámicos y los vidrios avanzados es su sensibilidad a pequeñas cantidades de impurezas, las altas temperaturas requeridas para su procesamiento hasta densidad completa, la dificultad para producir materiales idénticos, su deformación lenta es decir el creep a altas temperaturas, el alto costo relativo de las materias primas y el costo del mecanizado de estos materiales duros hasta su forma final. Concluimos en que los materiales cerámicos, debido a sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánica, es de gran aplicación en muchos de los ámbitos industriales. Un ejemplo de tal aplicación, es el desarrollo del sistema de protección térmica para vehículos orbitales, como el transbordador espacial. Dado que el transbordador espacial ha de ser usado para almenos en 100 misiones, se hizo necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas.
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