Propiedades Térmicas de los Cerámicos

En su mayoría, presentan una gran estabilidad térmica, muy altos puntos de fusión, y muy bajas conductividades; lo que los hace importantísimos en aplicaciones de elevadas temperaturas. “Los materiales cerámicos tienen bajas conductividades térmicas debido a sus fuertes enlaces iónico/covalentes”1. Este fenómeno es causado debido a 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. Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen comportamiento a alta temperatura mientras que pueden sufrir roturas por choque térmico a temperaturas inferiores.

Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial. Los materiales cerámicos poseen por lo 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.

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 porosidad del material. Al disminuir la porosidad (aumentar la densidad) la resistencia al choque térmico y las características de aislamiento se reducen, mientras que la resistencia mecánica y la capacidad de carga aumentan. Muchos materiales son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material más denso que provee resistencia, pero no se pueden realizar contrastes específicos.

1 Smith, William F.; Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales; McGraw-Hill, 4ª Edición, Mexico 2006; p 335

Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios. El término refractario se refiere a la propiedad de ciertos materiales de resistir altas temperaturas sin descomponerse. Los materiales refractarios deben mantener su resistencia y estructura a altas temperaturas, resistir los choques térmicos, ser químicamente inerte, presentar una baja conductividad térmica y un bajo coeficiente de dilatación.

“Las propiedades más importantes de los materiales refractarios son su resistencia a bajas y altas temperaturas, su densidad y su porosidad”2.

La mayoría de los refractarios tienen una densidad de entre 2.1 y 3.3 g/cm3. Los refractarios densos con baja porosidad son mas resistentes a la corrosión, la erosión y a la penetración por líquidos y gases. En el caso de los refractarios aislantes, es preferible mayor porosidad.

Aplicación de los materiales cerámicos en la ingeniería

“Los materiales cerámicos son usados de manera muy amplia en la industria gracias a su propiedades”3.

Estos pueden llegar a ser usados en tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricos en capacitores, sensores, abrasivos, medios de grabación magnética, etc.

2 Smith, William F.; Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales; McGraw-Hill, 4ª Edición, Mexico 2006; p 3353 Askeland, Donald R.; Ciencia e Ingeniería de los materiales, Cengage Learning, 6ª Edición, Mexico 2011; p 572

Vidrios

Los vidrios son un grupo muy conocido, Sus dos principales propiedades son su transparencia óptica y la relativa facilidad con la que pueden fabricarse. Sus típicas aplicaciones incluyen recipientes, lentes y fibra de vidrio.

Vitroceramicos

Los materiales vitroceramicos están diseñados para tener una resistencia mecánica relativamente alta, bajos coeficientes de dilatación térmica, tolerancia a temperaturas altas, y buenas propiedades dieléctricas. Su mayor atractivo es la facilidad con la que se pueden fabricar, “Las técnicas más convencionales de conformación de vidrios se pueden usar convenientemente en la producción en masa de piezas prácticamente libres de poros”4. Son usados como aislantes eléctricos, como intercambiadores de calor, y como materiales de revestimiento.

Productos de Arcilla

Es uno de los materiales crudos mas ampliamente usados, y se encuentra en abundancia de forma natural. Se dividen en 2 clases: elementos estructurales de arcilla y porcelanas. Los primeros se usan en la formación de ladrillos para la construcción, baldosas y tuberías

4 Callister, William D.; Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales; Limusa Wiley, 2ª edición, Mexico 2009; p 463

de aguas residuales, donde la integridad estructural es importante. Los últimos son usados comúnmente en la construcción en forma de losetas, y como aislantes eléctricos.

Refractarios

Los materiales refractarios son usados en ambientes agresivos a altas temperaturas, como en los hornos industriales. Los refractarios de arcilla se usan para cubrir miembros estructurales de las temperaturas excesivas. Los de sílice son usados en los techos abovedados de los hornos de producción de acero. Los refractarios básicos son usados en caso de que se requiera que el material sea resistente al ataque químico por escorias.

Abrasivos

Se usan para desgastar, desbastar o cortar a otros materiales que necesariamente son más suaves. Por consiguiente el primer requisito

de este grupo de materiales es su dureza, además de un alto grado de tenacidad, para asegurar que no se fracturen fácilmente. Por otra parte, puede ser deseable un poco de refractividad, debido a que la fricción puede producir altas temperaturas. Son usados de varias maneras: adheridos a muelas de desbaste, como revestimientos abrasivos y como granos sueltos

Cementos

Figura 2. Sierra de disco con dientes de carburo de tungsteno

Estos materiales tiene como característica principal la propiedad de que al mezclarse con agua, forman una pasta que puede moldearse, que se endurece al secarse. “Esta propiedad permite formar fácilmente estructuras solidad y rigidez de casi cualquier forma”5. Su uso más importante se ve reflejado en la construcción

Cerámicas avanzadas

Son un nuevo grupo en desarrollo. Sus propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas, junto con otras combinaciones de propiedades exclusivas de los cerámicos, han sido explotadas en muchas aplicaciones.

Las cerámicas avanzadas se utilizan en sistemas de comunicaciones de fibra óptica, sistemas microelectromecánicos y en aplicaciones que aprovechan el comportamiento piezoeléctrico.

Bibliografía

5 Callister, William D.; Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales; Limusa Wiley, 2ª edición, Mexico 2009; p 467

Figura 3. Un ramo de fibras ópticas

Smith, William F.; Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales; McGraw-Hill, 4ª Edición, Mexico 2006.

Askeland, Donald R.; Ciencia e Ingeniería de los materiales, Cengage Learning, 6ª Edición, Mexico 2011.

Callister, William D.; Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales; Limusa Wiley, 2ª edición, Mexico 2009.

Ashby, Michael F.; Materiales para Ingeniería 2: Introducción a la microestructura, el procesamiento y el diseño; 1ª edición, Mexico 2008.