INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIME ZACATENCO INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA GRUPO 1CM18 QUIMICA BASICA UNIDAD 5: POLIMEROS Y CERAMICOS ING.ALINE M. ORTEGA MARTINEZ
MALDONADO UGARTE FERNANDO SORIA LAZO URIEL ORLANDO INDICE
Polímeros Concepto de polímero…………………………………………………………………….1 Concepto Monómeros…….………………………………………....…………………...2 Concepto Homopolimero………………………................……………………………..2 Cadena lineal………………………………………………………………………………2 Cadena ramificada………………………………………………………………………...3 Cadena enlazada………………………………………………………………………….3 Plásticos……………………………………………………………………………………4 Elastómeros………………………………………………………………………………..6 Fibras……………………………………………………………………………………….8 Aplicación de los polímeros en la ingeniería………………………………………….12 Cerámicos Concepto cerámicos………………………………………………………………….15
de
Estructura química……………………………………………………………………….16 Clasificación de cerámicos……………………………………………………………… 17 Propiedades físicas cerámicos……………………………………………………...18
de
Propiedades químicas de cerámicos…………………………………………………..18 Propiedades eléctricas…………......…………………………………………………...18 Constante dieléctrica…………………………………………………………………….19 Rigidez dieléctrica………………………………………………………………………..19 Materiales aislantes……………………………………………………………………...20 Materiales semiconductores…………………………………………………………….20
Propiedades térmicas……………………………………………………………………21 Aplicaciones en la ingeniería…………………………………………………………… 22 Bibliografías………………………………………………………………………………24
Polímeros Un polímero es un compuesto molecular que se distingue por tener una masa molar grande, que comprende desde miles a millones de gramos, y por estar formado por muchas unidades que se repiten, los polímeros pueden ser de origen natural o sintético que se componen básicamente de C, H, N, O. Propiedades y tipos polímeros Las propiedades físicas de los polímeros, también conocidos como macromoléculas, son muy distintas a las de las moléculas pequeñas comunes, y para estudiarlas se necesitan técnicas especiales. Entre los polímeros naturales figuran las proteínas, los ácidos nucleicos, la celulosa y el hule, y la mayor parte de los polímeros sintéticos son compuestos orgánicos, donde los ejemplos más comunes son el nailon, el dacron y la lucita o plexiglás Polímeros orgánicos sintéticos Debido a su tamaño, se podría esperar que las moléculas que contienen miles de átomos de carbono e hidrogeno formarán un gran número de isómeros estructurales y geométricos. Sin embargo, estas moléculas están formadas monómeros, y este tipo de composición limita de manera importante el número de posibles isómeros. Los polímeros sintéticos se obtienen al unir monómeros, uno cada vez, mediante reacciones de acción y de condensación.
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Monómeros En el párrafo anterior se mencionan los monómeros ¿pero? ¿Qué es un monómero?: un monómero es una molécula de pequeña masa molecular o sustancia capaz de formar enlaces covalentes con una secuencia de moléculas adicionales similares o distintas, en las condiciones de la reacción de polimerización utilizada para el proceso concreto Con lo ya mencionado anteriormente, al tipo de monómeros que forman la cadena, los polímeros se clasifican en homopolimeros y copolimeros donde los: Homopolimeros Son macromoléculas formadas por la repetición de unidades monómeras idénticas, es decir no contiene heteroátomos. Dentro de este grupo de polímeros, se distinguen cinco familias principales: las Poliolefinas, los Poliestirénicos, los insaturados, los polivinilos y los poliacrílicos. La celulosa y el caucho son homopolímeros naturales. El polietileno y el PVC son homopolímeros sintéticos. Copolimeros: Son macromoléculas constituidas por dos o más unidades monómeras distintas. La seda es un copolímero natural y la baquelita, uno sintético. Los copolímeros más comunes están formados por dos monómeros diferentes que pueden formar cuatro combinaciones distintas. Si los monómeros se agrupan en forma azarosa, el polímero se llama copolímero al azar. Si se ubican de manera alternada, se obtiene un copolímero alternado. Si se agrupan en bloque, por ejemplo, dos monómeros de un tipo y tres monómeros del otro, en forma alternada, se forma un copolímero en bloque. Si se parte de una cadena lineal formada por un monómero y se agregan ramificaciones de otro monómero, se obtiene un copolímero injertado. Tipos de cadena: Como se mencionó antes los polímeros están compuestos de largas cadenas de monómeros, que son las partes más pequeñas y únicas de la cadena, algunas sólo tienen unos pocos cientos de unidades de largo, mientras que otros tienen el potencial de ser infinitamente largas, estas, al igual que los monómeros se dividen en diferentes formas y caracterizas dependiendo del tipo del polímero característico. Cadena lineal El polímero más simple es el lineal: una cadena en la que todos sus monómeros forman una línea simple. Un ejemplo de un polímero lineal es el Teflón, que está hecho de tetrafluoretileno. Es una hebra simple de unidades de dos átomos de
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carbono y cuatro átomos de flúor. Al formarse, estos polímeros lineales pueden crear hebras de fibras o formar una red que puede ser muy resistente y difícil de atravesar Cadena ramificada Los polímeros ramificados ocurren cuando grupos de unidades se ramifican a partir de una larga cadena polimérica. Estas ramas se conocen como cadenas laterales y también pueden ser grupos muy largos de estructuras repetitivas. Los polímeros ramificados pueden clasificarse en base a cómo se ramifican a partir de la cadena principal. Los polímeros con muchas ramificaciones se conocen como dendrímeros, y estas moléculas pueden formar una correa cuando se las enfría. Esto puede hacer que el polímero sea resistente en el rango de temperatura ideal. Sin embargo, al ser calentados, tanto los polímeros lineales como los ramificados se ablandan, ya que la vibración de la temperatura supera las fuerzas atractivas entre las moléculas. Cadena enlazada Este polímero forma cadenas largas, ya sean ramificadas o lineales, que pueden formar enlaces entre las moléculas poliméricas. Debido a que forman enlaces covalentes que son mucho más fuertes que las fuerzas intermoleculares que atraen otras cadenas poliméricas, el resultado es un material más resistente y estable. Un ejemplo de este es cuando el caucho natural es vulcanizado, lo cual significa que se lo calienta para que las moléculas de azufre de las cadenas poliméricas del caucho formen enlaces covalentes entre sí. Esta diferencia de resistencia es notable al comparar la rigidez y la durabilidad del neumático de un auto con el de las bandas elásticas
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PLÁSTICOS Los plásticos son materiales orgánicos compuestos fundamentalmente de carbono y otros elementos como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno o el azufre. En la actualidad, la mayoría de los plásticos que se comercializan provienen de la destilación del petróleo. La industria de plásticos utiliza el 6% del petróleo que pasa por las refinerías. Los plásticos se obtienen mediante polimerización de compuestos derivados del petróleo y del gas natural. La mayoría de los materiales plásticos son transparentes, incoloros y frágiles. Pero si se les añade determinadas sustancias, sus propiedades cambian, y se les puede hacer ligeros, flexibles, coloreados, aislantes, etc. Algunos plásticos son ligeros, como ocurre con el porexpán. flexibles, y se usan en reglas y plantillas escolares. También aislantes eléctricos, y se usan para cables eléctricos.
Otros pueden
son ser
Los plásticos se clasifican en tres grupos, según la disposición de las macromoléculas que los constituyen. Son los termoplásticos, los termoestables y los elastómeros.
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TERMOPLÁSTICOS Los plásticos más utilizados pertenecen a este grupo. Sus macromoléculas están dispuestas libremente sin entrelazarse Gracias a esta disposición, se reblandecen con el calor adquiriendo la forma deseada, la cual se conserva al enfriarse.
TERMOESTABLES Sus macromoléculas se entrecruzan formando una red de malla cerrada. Esta disposición no permite nuevos cambios de forma mediante calor o presión: solo se pueden deformar una vez.
ELASTÓMEROS Sus macromoléculas se ordenan en forma de red de malla con pocos enlaces.
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Esta disposición permite obtener plásticos de gran elasticidad que recuperan su forma y dimensiones cuando deja de actuar sobre ellos una fuerza.
Elastómeros Los elastómeros hacen referencia al conjunto de materiales que formados por polímeros que se encuentran unidos por medio de enlaces químicos adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada.
Un elastómero lo podemos asimilar al siguiente ejemplo, imaginemos que encima de una mesa tenemos un conjunto de cuerdas entremezcladas unas con otras, cada uno de estas cuerdas es lo que llamamos polímero, tendremos que aplicar un esfuerzo relativamente pequeño si queremos separar las cuerdas unas de otras, ahora comenzamos a realizar nudos entre cada una de las cuerdas, apreciando que conforme más nudos realizamos más ordenado y rígido se vuelve el conjunto de las cuerdas, los nudos de nuestra cuerda es lo que representa a los enlaces químicos, con un cierto grado de nudos, o enlaces químicos, necesitamos tensionar con mayor fuerza el conjunto de cuerdas con objeto de separarlas, además observamos que cuando tensionamos la longitud de las cuerdas aumentan y cuando dejamos de tensionar el tamaño de las cuerdas vuelven a la longitud inicial.
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La principal característica de los elastómeros es su alta elongación o elasticidad y flexibilidad que disponen dichos materiales frente a cargas antes de fracturarse o romperse. En función de la distribución y grado de unión de los polímeros, los materiales elastómeros pueden disponer de unas características o propiedades semejantes a los materiales termoestables o a los materiales termoplásticos, así pues podemos clasificar los materiales elastómeros en:
Elastómeros termoestables - son aquellos elastómeros que al calentarlos no se funden o se deforman Elastómeros termoplásticos - son aquellos elastómeros que al calentarlos se funden y se deforman. Propiedades de los materiales elastómeros:
No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso Se hinchan ante la presencia de ciertos solventes Generalmente insolubles. Son flexibles y elásticos. Menor resistencia al fenómeno de fluencia que los termoplásticos
Ejemplos y aplicaciones de materiales elastómeros: Goma natural - material usado en la fabricación de juntas, tacones y suelas de zapatos.
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Poliuretanos - Los poliuretanos son usados en el sector textil para la fabricación de prendas elásticas como la lycra, también se utilizan como espumas, materiales de ruedas, etc... Polibutadieno - material elastómero utilizado en las ruedas o neumáticos de los vehículos dadas la extraordinaria resistencia al desgaste. Neopreno - Material usado principalmente en la fabricación de trajes de buceo, así como aislamiento de cables, correas industriales, etc...
Silicona - Material usado en una gama amplia de materiales y áreas dado a sus excelentes propiedades de resistencia térmica y química, las siliconas se utilizan en la fabricación de chupetes, prótesis médicas, lubricantes, moldes, etc...
Ejemplos de adhesivos elastómeros:
Adhesivos de poliuretanos de 2 componentes.
Adhesivos de poliuretanos de 1 componente de curado mediante humedad Adhesivos en base siliconas.
Adhesivos de silanos modificados.
Fibras Fibras polimérica es un polímero cuyas cadenas están extendidas en línea recta una al lado de la otra a lo largo de un mismo eje, como se observa a continuación. Disposición de las cadenas poliméricas en las fibras Los polímeros ordenados en fibras, pueden ser hilados y usados como textiles. Las prendas de vestir, como así también las alfombras y sogas están hechas de fibras poliméricas. Algunos de los polímeros que pueden ser empleados como fibras son el polietileno, polipropileno, nylon, poliéster, kevlar y nomex, poliacrilonitrilo, la celulosa y los poliuretanos, entre otros. Las fibras están siempre constituidas por polímeros dispuestos en cristales. Tienen que ser capaces de poder empaquetarse según un ordenamiento regular, a los efectos de alinearse en forma de fibras. De hecho, las fibras son cristales. Esto se demuestra observando detenidamente la forma en la que, por ejemplo, el nylon 6,6 se empaqueta formando fibras cristalinas.
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Los enlaces por puente de hidrógeno y otras interacciones secundarias entre cadenas individuales, mantienen fuertemente unidas a las cadenas poliméricas. Esta interacción es tan elevada que las cadenas prácticamente no se deslizan una sobre otra. Esto significa que cuando se estiran las fibras de nylon, no se extienden mucho, si es que lo hacen. Lo cual explica por qué las fibras son ideales para emplearlas en hilos y sogas.
Si bien las fibras poseen elevada fuerza tensil, es decir que son resistentes cuando se las estira, por lo general tienen baja fuerza compresional, o sea, son débiles cuando se aprietan o se comprimen. Además, las fibras tienden a ser resistentes en una dirección, la dirección en la cual están orientadas. Si se las estira en ángulos rectos a la dirección de su orientación, tienden a debilitarse. En su estado inicial, los polímeros formadores de fibras son sólidos y por lo tanto deben ser primero convertidos en un estado fluido para la extrusión. Esto se consigue normalmente por el trabajo mecánico del tornillo del extrusor y aporte de calor de las resistencias, si los polímeros son materiales sintéticos termoplásticos (es decir, se ablandan y se funden cuando se calientan), o por disolución en un disolvente adecuado si son no termoplásticos celulósicos. Si no pueden ser disueltos o fundidos directamente, deben ser tratados químicamente para formar derivados solubles o termoplásticos. Tecnologías recientes se han desarrollado para algunas fibras hechas de polímeros especiales que no se funden, se disuelven, o formar derivados adecuados. Para estos materiales, las moléculas pequeñas del fluido se mezclan y reaccionan para formar los polímeros de otro modo intratables en el proceso de extrusión. Las hileras (spinneret) utilizados en la producción de la mayoría de las fibras manufacturadas son similares, en principio, a un cabezal de ducha del baño. Una hilera puede tener de uno a varios cientos de agujeros. Las aberturas pequeñas del spinneret son muy sensibles a las impurezas y la corrosión. La alimentación
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líquida o fluida hacia ellos deben ser cuidadosamente filtrada (no es una tarea fácil con materiales muy viscosos) y, en algunos casos, la hilera debe ser hecha de metales muy caros y resistentes a la corrosión. El mantenimiento es también un factor crítico, y las hileras deben ser retiradas y limpiadas con regularidad para evitar la obstrucción. A medida que los filamentos salen de los orificios de la hilera, el polímero líquido se convierte primero en un estado gomoso y luego se solidifica. Este proceso de extrusión y la solidificación de filamentos continuos se llama hilado (no debe confundirse con la operación de textil del mismo nombre, donde las fibras cortadas en hilos cortos son retorcidos en hilo). Hay cuatro métodos de hilar filamentos de fibras manufacturadas: Hilado en húmedo. Hilado en seco. Hilado por fusión. Hilado en gel.
Hilado en húmedo El hilado en húmedo es el proceso más antiguo. Se utiliza para sustancias formadoras de fibras que han sido disueltos en un disolvente. Los spinnerets están sumergidos en un baño químico y los filamentos que emergen precipitan de la solución y se solidifican. Debido a que la solución es extruida directamente en el líquido de precipitación, este proceso para la fabricación de fibras se llama hilado en húmedo. Pueden ser producidas por este proceso las fibras acrílicas, rayón, aramida, modacrílicas y spandex. Hilado en seco El hilado en seco se utiliza también para sustancias formadores de fibras en solución. Sin embargo, en lugar de precipitar el polímero en dilución por reacción química, la solidificación se consigue mediante la evaporación del disolvente en una corriente de aire o gas inerte.
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Los filamentos no entran en contacto con un líquido de precipitación, lo que elimina la necesidad de secado y facilitar la recuperación de disolventes. Este proceso puede ser utilizado para la producción de fibras de acetato, triacetato, acrílico, modacrílicas, PBI (Polibenzimidazol), spandex y Vinyon (policloruro de vinilo). Hilatura por fusión En la hilatura por fusión, la sustancia de formación de fibras se funde por extrusión a través de la hilera y luego directamente solidifica por enfriamiento. Las fibras de nylon (poliamida), olefinas, poliéster, Saran (copolímero de cloruro de vinilideno y cloruro de vinilo) y sulfar (polisulfuro de fenileno) se producen mediante este proceso. Las fibras hiladas por fusión pueden ser extruidas de la hilera en diferentes formas de sección transversal (redondo, trilobular, pentagonal, octogonal, y otros) para brindar diversas propiedades y texturas a la fibra. Por ejemplo, las fibras en forma trilobal reflejan más la luz y dan un brillo atractivo para los textiles. Las fibras de forma pentagonal y huecas, cuando se utilizan en alfombras, muestran menos la tierra y la suciedad. Las fibras en forma octogonal ofrecen efectos libres de brillo. Las fibras huecas atrapan el aire, creando aislamiento y proporcionar características elevadas, iguales o mejor que el plumón.
Hilatura en gel La hilatura en gel es un proceso especial utilizado para obtener fibras especiales con alta resistencia u otras propiedades. El polímero no se encuentra verdaderamente en un estado líquido durante la extrusión. Las cadenas de polímero no están completamente separadas como lo estarían en una verdadera solución, sino que están unidas entre sí en diversos puntos en forma de cristal líquido. Esto produce fuertes fuerzas de atracción entre las cadenas poliméricas en los filamentos resultantes que pueden aumentar significativamente la
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resistencia a la tracción de las fibras. Además, los cristales líquidos se alinean a lo largo del eje de la fibra por las fuerzas de cizallamiento durante la extrusión. Los filamentos emergen con un grado inusualmente alto de orientación, mejorando aún más la fuerza. El proceso también puede ser descrito como hilatura seco-húmeda, ya que los filamentos primero pasan a través de aire y luego se enfrían adicionalmente en un baño líquido. Algunas fibras de polietileno y de aramida de alta resistencia son producidas por hilatura en gel.
Aplicación de los polímeros en la ingeniería: EN LA INDUSTRIA En la industria los polímeros son utilizados en gran cantidad que sus propiedades, permitiendo fabricar partes para máquinas y herramientas según las características que se necesiten. Los plásticos según sea su composición, pueden ser rígidos para transmitir fuerzas o resistir cargas, aun así tienden a ser quebradizos, o bien polímeros elásticos para adaptarse a espacios, ante una carga aceptable se deforma, pero vuelven a su forma original al retirar la carga. Ejemplos de partes plásticas rígidas
Envases Cobertores Estructuras
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transmisiones
Ejemplos de partes plásticas elásticas
bandas de goma empaques o aislantes bandas de transmisión llantas
POLÍMERO CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES
APLICACIONES
Versatilidad, ligero, resistente a la intemperie,
PVC
PU
Membranas para impermeabilizar suelos, laminas para carteles, sobretodo en una gran variedad de cañerías tanto de domicilios como Alta tenacidad (soporta altos públicos. Electricidad: requerimientos mecánicos), fácil recubrimiento aislante de cables, instalación, Baja toma de humedad (cañerías), Resistente a cajas de distribución, enchufes…. la abrasión, al impacto, y a la corrosión, buen aislante térmico, Recubrimiento de paredes, techos, eléctrico y acústico, no propaga piscinas…. llamas, resistente a la mayoría de los reactivos químicos, Alfombras, cortinas tapizados, duradero... ventanas puertas, persianas muebles de exterior e interior, Sin duda es el más utilizado. mangueras, carpas y recintos inflables……..
Resistente a la corrosión, Flexibilidad, ligero, no tóxico, alta resistencia a la temperatura, propiedades mecánicas y productos químicos.
Sobretodo su uso en construcción se basa como materiales de aislamiento, en techos, cañerías.
Baja conductividad térmica, gran capacidad aislante (térmico), resistencia a la compresión, alto poder de amortiguación, fácil de
Se basan fundamentalmente en aislamientos sobretodo térmicos, en cañerías, suelos flotantes, ladrillos, techos, paredes y suelos,
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Paneles
EPS
trabajar y manipular, estabilidad a bajas temperaturas y soporta también altas temperaturas (cañerías de agua fría y caliente)
Y PS
en hormigón liviano. Construcción prefabricada, sistemas de calefacción, cámaras frigoríficas. Embalajes de transporte frágil (amortiguación).Espuma de EPS se utiliza como relleno de vacío por ejemplo en puentes reduciendo peso total. Electrodomésticos.
Resistente a las bajas temperaturas HDPE
Ligero , impermeable ,flexible duradero , siendo así de bajo mantenimiento y económico
Recubrimiento de cañerías, como aislante ya que el HDPE aguanta de-20ºC a85ºC. Revestimiento de cables. Caños para gas, telefonía, agua potable, minería… Laminas plásticas para aislamiento hidrófugo.
LDPE
Características similares, Flexible, ligero transparente, impermeable, económico
Revestimiento para suelos, recubrimiento de obras en construcción(cobertores de seguridad). Protección, tuberías par riego.
Es el más ligero de todos los materiales plásticos buenas propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Alta temperatura de reblandecimiento, óptima resistencia química, a la abrasión, impermeable, larga vida útil…
Alfombras, cañerías e instalaciones de agua fría y caliente, cajas de electricidad, enchufes …Sacos y bolsas para cargar cemento y arena y otros materiales granulados o en polvo. Se distinguen por que repelen el agua, no se ensucian ni pudren y son resistentes a la luz. Membranas de asfalto modificado para techos, fibras de PP para reforzar.
PP
Ideal para elementos de electrodomésticos. En maquinaria para la construcción.
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PC
Inerte, alta resistencia a la temperatura, propiedades mecánicas, y productos químicos
Se utilizan como “vidrios” de seguridad, como vallas y cercos de seguridad transparentes.
Gran resistencia al impacto transparente ligero impermeable
Carteles y exhibidores por su resistencia a la radiación UV, el viento, clima...
PET
Alfombras, cortinas, muebles de exterior (jardín…)
Los polímeros en general son muy utilizados gracias a su gran cantidad de ventajas, son livianos, maleables, resistentes a la compresión y tensión, torsión e impacto, elásticos, etc. Son referentes importantes a tomar en cuenta al diseñar algún elemento tanto para una maquina como para un artículo de uso cotidiano.
CERÁMICOS La cerámica es el arte de fabricar recipientes, vasijas y otros objetos de arcilla, barro, loza y porcelana. También es el nombre de dichos objetos. El término se aplica de una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado. No sólo se aplica a las industrias de silicatos grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre, sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo en él a cementos y esmaltes sobre metal..
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La cerámica se puede definir como materiales inorgánicos no metálicos. Son de naturaleza típicamente cristalina y son compuestos formados de elementos metálicos y no metálicos. Es una técnica de modelar la arcilla y cocerla en un horno como mínimo a 500ºC para que adquiera dureza. Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos de alto punto de fusión. En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades específicamente dieléctricas. Todos los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia tienen una resistencia excepcional al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en fuerte concentración, excepción hecha del ácido fluorhídrico. Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente: Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.) Silicatos magnésicos (talco) A estos componentes fundamentales se añaden otros muchos constituyentes secundarios, entre ellos: el cuarzo, el feldespato, la alúmina, el carburo silícico, etc.
Estructura Química La estructura de los cerámicos, que contienen varios átomos de tamaños diferentes, es de las más complejas de todas las estructuras de los materiales. Los enlaces entre estos átomos son por lo general covalentes (compartiendo electrones, de ahí que se trate de enlaces fuertes). Estos enlaces son mucho mas fuertes que los enlaces metálicos. En consecuencia las propiedades como son la dureza o la resistencia térmica y eléctrica, son significativamente más elevadas en los cerámicos que en los metales.
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Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico, más fuerte que el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que sean conductores pobres. Tienen estructura cristalina más compleja que la de los materiales metálicos
Clasificación Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámico:
Materiales compactos: Ha sufrido vitrificación, pues la mezcla ha sido sometida a altas temperaturas y el cuarzo llega a fundirse con la arena. Destacan el gres y la porcelana. Materiales porosos: No han sufrido vitrificación, pues no llega a fundirse el cuarzo con la arena. Destaca la arcilla cocida y la loza.
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Dicha característica física se relaciona con tres aspectos fundamentales de su proceso productivo: Temperatura de Cocción Presión de Moldeo Granulometría de la Mezcla Base. Así, los cuatro tipos cerámicos básicos y su capacidad de absorción de agua se relacionan con la temperatura de cocción Una segunda clasificación es según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos, que se definen a continuación. 1.-Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada. 2.- Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita. 3.-En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc. 4.- En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.5.-. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita.
Propiedades físicas
Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros. Baja conductividad eléctrica. Baja conductividad térmica. Baja expansión y fallas térmicas
La conductividad térmica en los cerámicos varia tanto como 3 órdenes de magnitud, dependiendo de su composición, mientras que en los metales solo
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varia en un orden. La conductividad térmica de los cerámicos, al igual que la de los otros metales, se reduce al incrementarse la temperatura y la porosidad, ya que el aire es un mal conductor térmico. Propiedades químicas Baja conductividad eléctrica. Baja conductividad térmica. Son aislantes. Son capaces de soportar altas temperaturas. Tienen gran estabilidad Son resistentes a la corrosión. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Bajo coeficiente de dilatación Baja conductividad térmica. Elevados puntos de fusión. Propiedad eléctrica de los cerámicos
Los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas.
Constante Dieléctrica La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta
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frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. Rigidez Dieléctrica Entendemos por rigidez dieléctrica o rigidez electrostática a el valor límite de La intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor, y esto se mide en Voltios por metro V /m en el sistema internacional también la podemos definir como la máxima tención que puede soportar un aislante sin perforarse a esta tención se le denomina tención de rotura de un dieléctrico.
Materiales cerámicos aislantes Los materiales aislantes tienen la función de evitar el contacto entre las diferentes partes conductoras (aislamiento de la instalación) y proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector). La mayoría de los no metales son apropiados para esto pues tienen resistividades muy grandes. Esto se debe
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ala ausencia de electrones libres. Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden deducirse las demás características necesarias. Para ello se han normalizado algunos conceptos y se han fijado los procedimientos de medidas.
Metales semiconductores y cerámicos Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización: • Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal. • Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se
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alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material. • Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.
Propiedades Térmicas La mayoría de los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes. La diferencia de energía entre la banda de covalencia y la banda de conducción en estos materiales es demasiado grande como para que se exciten muchos electrones hacia la banda de conducción, por este hecho son buenos aislantes térmicos. Debido a su alta resistencia al calor son usados como refractarios, y estos refractarios son utilizados en las industrias metalúrgicas, químicas cerámicas y del vidrio.
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Aplicaciones en la ingeniería Los materiales cerámicos tienen una gran variedad de aplicaciones que van desde la alfarería, fabricación de materiales para la construcción, hasta aplicaciones a elevadas temperaturas, materiales refractarios, aplicaciones eléctricas y electrónicas como materiales aislantes, substratos semiconductores, imanes, materiales ferroeléctricos o piezoeléctricos, etc., y finalmente como materiales que conjugando estas propiedades permiten su aplicación industrial por su elevada tenacidad. En esta unidad didáctica, repasaremos la estructura de los materiales cerámicos, ya estudiada en la unidad 3, tanto cristalinos como vítreos, resumiendo sus principales propiedades y aplicaciones. Se describirán algunos procesos productivos que completarán la visión general que sobre el procesado de materiales cerámicos debe darse. Debido a diversidad de materiales y las diferentes aplicaciones a las que pueden destinarse, el estudio de los mismos se abordará siguiendo la clasificación siguiente, que sin obedecer a ningún tipo de material o aplicación específica siguen una secuencia lógica en su exposición: Estructuras cerámicas silico-aluminosas. Estructuras cerámicas no cristalinas. Porcelanas. Cerámicas eléctricas y magnéticas. Cerámicas tenaces.
Un tipo especial de cerámica blanca estar por la llamada cerámica de los óxidos, que explota la alta dureza de los productos obtenidos para aplicarlos como sustitutos de herramientas de corte, tradicionalmente elaboradas de metales o de carburos metálicos. Las herramientas de cerámicas están formadas por óxidos de aluminio sintetizado (alúmina casi pura, o bien con otros elementos que reducen la proporción de la alúmina al 90 %). Estas herramientas constituyen la más moderna contribución de la cerámica al progreso de los materiales para herramientas de corte, pues prácticamente se han empezado a generalizar a partir de 1960. Se trata de materiales porosos con densidades entre 3,5 – 4,5 g/cm3, de dureza superior a los carburos metálicos y, por su puesto, a los aceros rápidos. Tienen el inconveniente de que son muy
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frágiles. Sin embargo, la simplicidad de los métodos de moldeo para fabricar esta herramienta, economía de ellos y altas productividades alcanzadas con su aplicación, este último inconveniente pierde significado. Se utilizan, hoy en día, en la construcción de dados de trefilas para el estirado y en forma de plaquitas para ser soldadas por resinas epoxi, a los mangos de herramientas de maquinado. Con estas herramientas se pueden trabajar a velocidades superiores a las empleadas en los carburos metálicos, pues resisten temperaturas de 1200 ºC sin perder el filo. Las herramientas de cerámicas aplicadas al torneado de la fundición, con una dureza Brinell de 200, permite velocidades hasta de 400 m/min, con profundidades de pasada hasta de 5 mm y avances de hasta 8 mm por vuelta. En trabajos de acabado, de esa misma fundición, se ha llegado a trabajar a velocidades de 2000 m/min, con profundidades de pasada de 1 mm y avances de 0,2 mm. También en el torneado de los aceros se ha llegado emplear a velocidades de corte de 200 m/min con resultados satisfactorios. El cobre y sus aleaciones, y los metales ligeros se maquinan, también, a grandes velocidades con herramientas cerámicas. Como resumen puede admitirse que la velocidad de corte de las cuchillas de cerámica pueden llegar a ser de 1,5 a 4 veces superior a la correspondiente a las cuchillas de carburo, con alta significación económica que resulta de poder elevar los regímenes de corte, elevando la productividad de las máquinas, economizando tiempo y materiales, disminuyendo tiempos de afilados, etc.
Bibliografía Química décima edición Mc Graw Hill Mortimer Iberoamericana Quimica general tercera edición Thomson Learning
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