Materiales cerámicos

RESUMEN

Los materiales cerámicos son materiales
inorgánicos compuestos por elementos metálicos y no
metálicos vinculados químicamente. Pueden ser
cristalinos, no cristalinos o una mixtura de ambos.

Poseen una alta dureza y resistencia al calentamiento,
pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan
principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad,
alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y
buenas propiedades aislantes.

Los materiales cerámicos son baratos, pero su
procesado hasta producto terminado es normalmente lento y
laborioso. Además, la mayoría de estos materiales
se daña fácilmente por impacto a causa de su baja o
nula ductilidad.

Introducción

Históricamente, los cerámicos se cuentan
entre los materiales más antiguos hechos por el Hombre. Si
bien su invención data del Neolítico, el primer
pueblo que desarrolló técnicas para elaborar la
cerámica fue el Chino, pasando el conocimiento a
Japón, la India, Medio Oriente, Egipto, Grecia y
finalmente Europa. Estas civilizaciones, en contraposición
a las culturas prehistóricas que simplemente dejaban secar
las piezas de cerámicas al sol o junto a una fogata,
fueron desarrollando métodos de cocción en
hornos, lo que mejoró las prestaciones del material y sus
bondades estéticas.

Clasificación

Estructura

Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de
ambas. Se presentan en las más variadas formas; de
estructuras muy simples a las más complejas mezclas de
fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que
presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los
convierte en materiales sumamente importantes.

Según su estructura, los cerámicos pueden
clasificarse en dos grandes grupos, los cristalinos o
cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. A su vez, los
cristalinos pueden ser monocristalinos o policristalinos. (ver
Cuadro 1)

Cuadro 1. Clasificación de
los cerámicos según su estructura.

Los que presentan estructura policristalina o no
cristalina pueden a su vez ser monofásicos o
polifásicos.

Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en
tres grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad
estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la
porcelana y los materiales refractarios. Los cerámicos
de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les
agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las
cerámicas sin óxidos, como el ZnS, SiC y
TiC, se utilizan como material para elementos calefactores de
horno, así como material abrasivo.

Cuadro 2. Cerámicas
cristalinas.

Estructura no cristalina. Los átomos se
acomodan en conjuntos irregulares y aleatorios. Los
sólidos no cristalinos con una composición
comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan
vidrios. La mayor parte de los vidrios que se
comercializan son silicatos.

Estructura

Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de
ambas. Se presentan en las más variadas formas; de
estructuras muy simples a las más complejas mezclas de
fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que
presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los
convierte en materiales sumamente importantes.

Cristales cerámicos

Hay dos características de los iones que componen
los materiales cerámicos cristalinos que determinan la
estructura cristalina:

v El valor de la carga eléctrica de
los iones componentes.

v Los tamaños relativos de los
cationes y aniones.

Con respecto a la primera, el cristal debe
ser eléctricamente neutro; es decir debe haber igual
número de cargas positivas ( de los cationes) que de
cargas negativas (de los aniones). La fórmula
química de un compuesto indica la proporción que
debe haber entre cationes y aniones para que se mantenga la
neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los
radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA . Puesto
que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los
cationes son generalmente menores que los aniones por lo tanto
RC/RA es menor que uno. Cada catión de rodeará de
tantos aniones vecinos más próximos como le sea
posible. Los aniones también se rodearán del
máximo número de cationes posibles como vecinos
más próximos.

Las estructuras cristalinas se vuelven más
estables mientras mayor sea el número de aniones que
rodean al catión central.

Carbono

El carbono es un elemento que existe en varias formas
polimórficas, así como en estado amorfo. Este grupo
de materiales no cae dentro de ninguna de las clases
tradicionales en que se clasifican los materiales: metales,
cerámicas y polímeros. Sin embargo hemos decidido
nombrar estos materiales puesto que el grafito (una de las formas
polimórficas) se clasifica a veces como una
cerámica; y también porque la estructura cristalina
del diamante (otro polimorfo) es similar a la de la blenda (
ZnS), un compuesto cerámico.

Diamante

El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a
temperatura ambiente y presión atmosférica. Cada
átomo de carbono está unido con otros cuatro
átomos de carbono mediante enlaces totalmente
covalentes.

Se caracteriza por ser extremadamente duro (el material
más duro conocido) y por su poca conductividad
eléctrica

Grafito

El grafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura
cristalina está compuesta por capas de átomos de
carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada átomo
de carbono está unido a tres átomos coplanales por
enlaces covalentes; el cuarto electrón de enlace participa
en enlaces de tipo fuerzas de van der waals entre las capas. Como
consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la
separación interplanar es considerable y el deslizamiento
entre planos fácil. Sus propiedades: Alta conductividad
eléctrica, alta resistencia y buena estabilidad
química a temperaturas elevadas.

Estructuras cerámicas de
silicatos

Muchos materiales cerámicos contienen estructuras
de silicatos con átomos de silicio y oxígenos
enlazados entre sí en varias distribuciones.
También un número de formaciones naturales de tipo
mineral tales como arcillas feldespatos y micas son silicatos; ya
que el silicio y el oxígeno son los dos elementos
más abundantes encontrados en la corteza
terrestre.

Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por
sus propiedades especiales. Las estructuras de silicato son
particularmente importantes para materiales de
construcción en ingeniería: vidrios, cemento
Portland, ladrillos y aislantes eléctricos.

Imperfecciones en las estructuras cerámicas
cristalinas

Defectos atómicos puntuales

En los materiales cristalinos cerámicos los
átomos existen como iones cargados. Esto hace que la
estructura de defectos debe cumplir las condiciones de
electroneutralidad . Por consiguiente los defectos en las
cerámicas no ocurren de forma aislada. Un tipo de defecto
está formado por una vacante catiónica y3un
catión intersticial. Esto se denomina un defecto Frenkel.
Puede verse como un catión que abandona su posición
normal y se mueve a una posición intersticial manteniendo
su contribución de carga positiva, lo que asegura la
neutralidad.

Otro tipo de defecto encontrado en materiales AX es un
par vacante catiónica- vacante aniónica conocido
como defecto Schottky, creado por la eliminación de un
catión y un anión desde el interior de un cristal.
El hecho de que para cada vacante aniónica exista una
vacante catiónica asegura que la neutralidad de la carga
del cristal se mantenga.

Estos dos defectos, por otra parte, no alteran las
proporciones de aniones y cationes manteniendo la
estequiometría en el material.

Impurezas en cerámicas

Los átomos de impurezas pueden formar soluciones
sólidas en los materiales cerámicos tanto
intersticiales como sustitucionales

En el caso de las intersticiales, los
radios iónicos de las impurezas deben ser pequeños
en comparación con los del anión. Una impureza
sustituirá al átomo disolvente que sea más
similar en el comportamiento eléctrico. Para que en el
estado sólido haya una solubilidad apreciable de los
átomos de impurezas sustitucionales, los tamaños
iónicos y la carga deben ser casi iguales a los de los
inoes disolventes. Si una impureza tiene una carga distinta a la
del ión al cual sustituye red como los anteriormente
descriptos.

Dislocaciones

En algunos materiales cerámicos incluyendo el
lif, el zafiro (Al2O3) y el MgO se observan dislocaciones. Sin
embargo estas no se mueven con facilidad debido a un vector de
Burguers grande a la presencia de relativamente pocos sistemas de
deslizamientos y a la necesidad de romper enlaces iónicos
fuertes para después obligar a los iones a deslizarse a
los de carga opuesta. Como consecuencia las grietas no se
redondean por la deformación del material que se encuentra
en la punta de la grieta y su propagación continúa.
Eso es lo que hace de los cerámicos, materiales
frágiles.

Defectos superficiales

Los límites de grano y las superficies de las
partículas son defectos superficiales importantes en los
cerámicos. Un cerámico con grano de tamaño
fino tiene mayor resistencia que uno de grano más grueso.
Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se
desarrollan en sus bordes debido a la expansión y a la
contracción anisotrópica, Normalmente se produce un
tamaño de grano fino utilizando desde el principio
materias primas cerámicas de partículas más
finas (en el caso de sinterizado).

Las superficies de las partículas que representan
planos de uniones covalentes o iónicas rotas y no
satisfechas, son reactivas. Distintas moléculas pueden ser
absorbidas en la superficie para reducir la energía
superficial, alterando su composición, sus propiedades y
su conformabilidad.

Porosidad

En un material cerámico los poros pueden estar
interconectados o bien, cerrados. La porosidad aparente mide los
poros interconectados y determina la permeabilidad (facilidad con
la cual pasan gases y otros fluidos a través del
cerámico). Se determina pesando el material
cerámico seco (WD) después de vuelve a pesar cuando
está suspendido en agua (WS) y después de que ha
sido retirado el agua (WW)

La porosidad real incluye tanto poros interconectados
como cerrados

B es la densidad en masa y c es la
densidad real del cerámico.

Ejemplos de materiales
cerámicos

Nitruro de silicio (Si3N4),
utilizado como polvo abrasivo.

Carburo de silicio (SiC), empleado
en hornos de microondas, en abrasivos y como material
refractario.

Óxido de cinc (ZnO),
semiconductor.

Magnetita (Fe3O4), es utilizado en
núcleos de transformadores magnéticos y en
núcleos de memorias magnéticas.

Esteatita, utilizada como un
aislante eléctrico.

Ladrillos, utilizados en
construcción.

PROPIEDADES

Propiedades eléctricas de los
cerámicos:

Los materiales cerámicos se usan
ampliamente en la industria eléctrica y
electrónica. Principalmente como aislantes
(dieléctricos) eléctricos o en
capacitores.

Otra aplicación difundida es
derivada de las propiedades piezoeléctricas de ciertos
tipos de cerámicas.

Propiedades de los componentes
dieléctricos:

La unión iónica y covalente
en materiales cerámicos restringe la movilidad de los
iones y de los electrones (los cales se comporten entre dos
átomos o son cedidos de un átomo a otro) y esto
determina que estos materiales sean buenos aislantes
eléctricos

Existen 3 propiedades básicas de los
componentes dieléctricos.

Constante dieléctrica Ruptura
dieléctrica Factores de perdida

Comportamiento
dieléctrico:

Este tipo de material cerámico
presenta una estructura bipolar (entidades de cargas (+) y (-) a
nivel atómico o molecular separadas) por lo en presencia
de un campo eléctrico estos se orientan y es posible
usarlos en capacitores.

Constante
dieléctrica:

La constante dieléctrica de
un medio continuo es una propiedad
macroscópica.

El efecto de la constante
dieléctrica se manifiesta en la capacidad total de un
condensador eléctrico o capacitor. Cuando entre los
conductores cargados o paredes que lo forman se inserta un
material dieléctrico diferente del aire la capacidad de
almacenamiento de la carga del condensador aumenta. De hecho la
relación entre la capacidad inicial Ci y la final
Cf vienen dada por la constante
eléctrica:

La alta constante dieléctrica de
ciertos tipos de cerámicos permite la
miniaturización de capacitores.

C = (E. k . A) / d

C: capacidad

E: Permeabilidad en el vacío
(ctte)

k: constante dieléctrica d:
distancia entre placas

La tabla 10.7 muestra valores de constante
dieléctrica de algunos materiales aislantes
cerámicos.

Referencia:

Rigidez
dieléctrica:

Entendemos por rigidez dieléctrica
el valor límite de la intensidad del campo
eléctrico en el cual un material pierde su propiedad
aisladora y pasa a ser conductor (ruptura eléctrica).
También podemos definirla como la máxima
tensión que puede soportar un aislante sin perforarse. A
esta tensión se la denomina tensión de
rotura.

Si el dieléctrico es sometido a una
diferencia de voltaje suficientemente alta, el esfuerzo de los
electrones y los iones en su intento por pasar a través
del dieléctrico puede superar la rigidez
dieléctrica ocasionando que el material empiece a fallar y
finalmente se produzca el paso de electrones.

La tabla 10.7 muestra valores de rigidez
dieléctrica de algunos materiales aislantes
cerámicos.

Factor de pérdida:

Es una medida de la energía
eléctrica perdida (en forma de calor) por un capacitor en
un circuito de corriente alterna.

La tabla 10.7 muestra valores de factor de
pérdida de algunos materiales aislantes
cerámicos.

Comportamiento
piezoeléctrico:

Efecto electromecánico por el cual
una fuerza mecánica en un material ferro eléctrico
produce una respuesta eléctrica o fuerzas
eléctricas una respuesta mecánica.

Algunos pocos materiales cerámicos
como el titanato de bario los cuales son cerámicos
denominados ferro eléctricos que se caracterizan por ser
cerámicos iónicos cristalinos cuyas celdas unidad
no poseen centro de simetría y por ende contienen
pequeños momentos dipolares que en su sumatoria
darán un momento dipolar total.

En la figura superior vemos un esquema
ilustrativo de dipolos dentro de un material
piezoeléctrico.

Veamos primero que si sometemos la pieza a
esfuerzos compresivos se reducirá la distancia entre
dipolos y por ende el momento bipolar total por unidad de volumen
del material, lo cual modifica la densidad de carga en las caras
de la muestra y así cambia la ddp.

En segundo lugar veamos que si aplicamos un
campo eléctrico la densidad de carga en los extremos de la
muestra cambia lo que implica variación en las dimensiones
de la muestra

Semiconductores
cerámicos:

Mediante soluciones sólidas de óxidos
metálicos sintetizados de Mn, Ni, Fe, Co y Cu con alta
diferencia de resistividad se pueden crear semiconductores con
una conductividad intermedia por combinación de
óxidos metálicos.

EJ: El compuesto cerámico
magnetita Fe3O4 tiene una resistividad de
10-5 O.m

La mayoría de los óxidos
metálicos de transición tienen una resistividad de
10 8 O .m

Si a la magnetita Fe3O4 de
alta conductividad le aditamos cantidades crecientes de
MgCr2O4 de alta resistividad
lograremos reducir gradualmente la conductividad de la
solución sólida.

Aplicaciones:

Circuitos integrados, transistores,
microprocesadores

Propiedades térmicas de los
cerámicos:

En general la mayoría de los
materiales cerámicos tiene baja conductividad
térmica debido a sus fuertes enlaces iónicos
covalentes y son buenos aislantes térmicos. La figura
10.49 compara conductividades térmicas de distintos
materiales cerámicos en función de la temperatura.
Debido a la resistencia al calentamiento son usados como
refractarios.

Conductividad
térmica:

La conducción térmica es un
fenómeno por el cual el calor se transporte de una
región de alta temperatura del material a otra de baja
temperatura. La conductividad térmica caracteriza la
capacidad de un material de transferir calor

Los materiales que no poseen electrones
libres son aislantes térmicos y solo existe transporte de
calor por vibraciones de la red.

El vidrio y otras cerámicas amorfas
tienen conductividades menores que las cerámicas
cristalinas por su estructura atómica altamente
desordenada e irregular.

Esfuerzos térmicos ó
tensiones:

Las tensiones térmicas son tensiones
inducidas en un cuerpo como resultado de

Cambios en la Temperatura.

Tensiones resultantes de la
expansión y contracción térmicas
confinadas.

Lo cual puede producir fracturas y
agrietamiento, lo cual se da por lo general en los procesos de
secado.

Choque térmico de un material
frágil:

El enfriamiento rápido de un
material introduce en las tensiones superficiales de
reacción, contribuyendo a la formación de grietas y
su propagación a partir de defectos superficiales y
pudiendo producir rotura. La capacidad de un material de soportar
esta clase de falla se llama resistencia al choque
térmico. Para un cuerpo cerámico que es
rápidamente enfriado, la resistencia al choque
térmico depende no solo de la magnitud del cambio de la
Temperatura sino también de las propiedades
mecánicas y térmicas del material. La resistencia
al choque térmico es mejor para
cerámicos que tienen alta resistencia a la fractura
así como bajo modulo de elasticidad y bajo coeficiente de
expansión térmica.

Porosidad:

Los poros cumplen una función importante, al
permitir soportar shocks térmicos (quebraduras como
resultado del rápido cambio de temperatura). Cuando la
porosidad es más baja se produce una pérdida de la
capacidad aislante y de la resistencia al shock.

Punto de
fusión:

En general, los cerámicos tienen
alto punto de fusión, debido a sus uniones iónico
– covalentes.

Propiedades mecánicas de los
cerámicos:

Considerando a los cerámicos como
una clase de material, podemos decir que estos son relativamente
frágiles, en estos la resistencia a la tracción (o
tensión) que soportan los materiales cerámicos
varía enormemente pero en ningún caso soporta los
172 Mpa

Mientras que la resistencia a la
compresión es de 5 a 10 veces superior.

Por lo general los materiales
cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto
debido a sus uniones iónico – covalentes.

Mecanismos para la deformación en
cerámicos:

Con enlaces covalentes entre capas
de átomos: en esta situación cuando el material es
sometido a una tracción lo suficientemente alta se separan
las uniones de pares de electrones sin que se vuelvan a formar
luego y se produce una fractura quebradiza.

Es por eso que los cerámicos
enlazados covalententemente son frágiles tango para
estructuras monocristalinas como policristalinas.

Con enlace Iónico:

Monocristalinos: muestran
deformación plástica bajo fuerzas compresoras a
temperatura ambiente. Ej.: oxido de magnesio y cloruro de sodio
(sin embargo los cerámicos policristalinos son los mas
usados en la industria); en estos los deslizamientos se producen
sobre las filas. de planos {110} donde los iones son de igual
carga.

Policristalinos: En regiones donde
predominan los enlaces iónicos, la rotura se produce por
repulsión de iones de igual carga al querer producir
deslizamiento sobre la flia. de planos {100}.

Factores que afectan la resistencia
de los materiales cerámicos:

La falla mecánica en materiales
cerámicos se da principalmente por defectos estructurales.
En cerámicos policristalinos las principales causa de
fractura de deben a la presencia de grietas superficiales, poros,
inclusiones y granos de gran tamaño.

En los poros se concentran grandes esfuerzos y cuanto el
esfuerzo alcance cierto valor crítico se formara una
grieta y se propagara hasta que ocurre la fractura (considerando
que la tenacidad de estos materiales es baja por lo que no se
oponen a las propagaciones de fisuras).

Tenacidad:

Los materiales cerámicos debido a su
combinación de enlaces iónico – covalente
tienen baja tenacidad.

La tenacidad es la resistencia a la ruptura
y a las deformaciones, y está representada por el
área bajo la curva de tensión-deformación.
Al ser ésta pequeña (por la falta de una etapa de
deformación plástica), la energía que pueden
absorber los cerámicos antes de la ruptura es
poca.

La tenacidad como área bajo la
curva tensión- deformación.

A pesar de esto la tenacidad puede
aumentarse mediante procesos como la presión en caliente
de cerámicos con aditivos y reacciones a de
aglutinación.

Dureza:

La gran dureza de los cerámicos se
debe a sus fuertes enlaces covalentes y es una de sus principales
características. A razón de esto suelen ser usados
como abrasivos (ej. carburo de silicio, SiC) para pulir otros
materiales.

Rotura por fatiga en
cerámicos:

Como en los cerámicos hay ausencia
de plasticidad al ser sometidos a esfuerzos cíclicos, la
fractura por fatiga en materiales cerámicos es poco
común.

Pero existen ciertos casos comprobados como
el de alumina policristalina que a temperatura ambiente
después de 79.000 compresiones cíclicas presento
fisura por fatiga.

Cerámicos tradicionales y cerámicos de
ingeniería

Otra clasificación de los cerámicos los
divide en cerámicos tradicionales y de
ingeniería.

Cerámicos tradicionales. Los
cerámicos tradicionales son silicoaluminados derivados de
materias primas minerales. Se constituyen de tres componentes
básicos: la arcilla (SiO2Al2O3OH), sílice o silex
(SiO2, arena) y feldespato (SiAlO2K o SiAlO2Na).

La arcilla, a su vez, está compuesta
principalmente por silicatos de aluminio hidratados con
pequeñas cantidades de otros óxidos. Antes que el
material endurezca por el fuego, las arcillas se pueden trabajar,
y constituyen el cuerpo principal del material. Por su lado, el
sílice (SiO2, silex, arena o cuarzo) funde a altas
temperaturas y constituye el componente refractario de los
cerámicos tradicionales. El feldespato
potásico funde a baja temperatura,
transformándose en vidrio, formando una fase
líquida que une los componentes refractarios y facilita la
sinterización.

Las aplicaciones estructurales de la arcilla,
como los ladrillos para la construcción, las
tuberías de desagüe, las tejas y las losetas para
pisos, están fabricadas a partir de "arcillas brutas" o
naturales, las cuales contienen los tres componentes
básicos.

Cerámicos de ingeniería. Las
cerámicas técnicas o de ingeniería son
fabricados con compuestos sintéticos puros o casi puros;
principalmente óxidos, carburos, nitruros. Algunas de las
más importantes cerámicas de ingeniería son:
alúmina (Al2O3) en industrias microelectrónicas,
nitruro de silicio (Si3N4) se usa para herramientas de corte como
el torno, carburo de silicio (SiC) se utiliza como abrasivos y
circonia (ZrO2) combinados con algunos otros
óxidos refractarios, para recubrimiento de las
superaleaciones de los álabes de las turbinas.

Procesamiento de cerámicos
tradicionales

Las etapas básicas para el procesado de
cerámicos son tres:

1. Preparación del
material

2. Moldeado (en seco o en
húmedo)

3. Tratamiento térmico por
secado y horneado por calentamiento de la pieza de
cerámica.

Conformado, procesamiento de materiales
cerámicos

Los materiales cerámicos tiene dos propiedades
que son determinantes de sus métodos de conformado y
procesado. Poseen un alto punto de fusión y casi nula
deformación térmica hasta a altas temperaturas.
Estos factores hacen que la fusión de los cerámicos
para conformarlos y trabajarlos como líquidos sea
inviable. Es por ello que se le da forma al polvo o mezcla de
polvo, agua y aditivos sin previa cocción y luego se
produce la liga cerámica por calentamiento.

El esquema de la figura muestra los distintos tipos de
materiales cerámicos:

Las materias primas de cada producto varían de
acuerdo a las propiedades requeridas por la pieza terminada. En
las cerámicas tradicionales, las que se emplean con mayor
frecuencia son los barros o arcillas.

Productos de la arcilla

Las arcillas contienen muchas fases, pero la más
importante es la arcilla mineral, como la caolinita, que le
confiere la plasticidad. La cantidad y tipo de minerales en una
arcilla varían considerablemente; sin embargo, las
características comunes de todos los materiales arcillosos
son una estructura lam inar y la capacidad de absorber agua en la
superficie y entre esas placas.

Muchos de los procesos hoy en día se producen a
partir de estas materias primas, las cuales primero son sometidas
por una operación de molienda para reducir su
tamaño de partícula mediante un molino de bolas. El
polvo obtenido tiene una buena plasticidad y su humedad
varía según el método de conformado a usar,
pero su resistencia es baja debido a que el conformado se hace en
verde. También se utilizan sílice y
feldespatos (usados como fundentes); estos
últimos para formar una fase vítrea en las pastas,
a fin de promover la vitrificación y
translucidez.

La arcilla es un ingrediente barato que se encuentra en
abundancia y son fáciles de conformar se clasifica en
productos estructurales de arcilla (ladrillos, baldosas,
tuberías) y las porcelas (alfarería,
sanitarios y vajillas). La mezcla de los ingredientes con agua es
una práctica común. El agua hace que la arcilla sea
maleable, y en consecuencia, fácil de trabajar en ese
estado luego para retirar la humedad es después cocida a
temperaturas elevadas y además conferirles buena
resistencia mecánica.

Las arcillas son alumiosilicatos formadas por aluminia y
sílice que contienen agua enlazada
químicamente,

Los minerales de arcilla desempeñan un papel
fundamental en las piezas cerámicas, estos cuando se
añade agua, se hacen muy plásticos, (propiedad que
se denomina hidroplasticidad) las moléculas de agua del
liquido encajan entre las capas formando una película
delgada alrededor de las partículas de arcilla
permitiéndoles moverse libremente una respecto de las
otras, lo cual resulta una mezcla de arcilla-agua

Técnicas de conformado

Existen diversas técnicas, y la que se elija
depende del material y de la forma, el tamaño y las
propiedades que se deseen para el componente terminado. Las
principales clasificaciones de las técnicas de conformado
son en seco y en húmedo.

Moldeos en húmedo

Moldeo en barbotina o colado. En un molde de
escayola (yeso) se vierte una mezcla de arcilla y agua llamada
barbotina; el molde absorbe el agua de la pasta, que forma una
capa delgada en su cara interna. Cuando el depósito de
arcilla es lo suficientemente grueso como para formar las paredes
del recipiente, se vacía el resto de la barbotina,
manteniendo la pieza húmeda en el interior del molde hasta
que se seque y contraiga lo suficiente para poder extraerla del
mismo. Las piezas pueden alcanzar un 9% de humedad, necesitando
un secado previo a la cocción. El molde se
construye de forma que sea desmontable. Con este proceso se
fabrican los sanitarios.

Figura 4. Tiempo que permanece la
barbotina en el molde, según espesor de la
pieza.

Como se ve en la Figura 4, el
espesor es función del tiempo en que se deja la barbotina
en el molde de yeso. En la Figura 5 se observa el
proceso para una pieza maciza (a) y otra hueca
(b).

Figura 5. Proceso de moldeo en
barbotina para piezas macizas y huecas.

Moldeo por presión. Se utiliza una pasta
líquida a presión para aumentar la velocidad de
formación de las piezas. No se utilizan moldes de
escayola, ya que carecen de la resistencia y estabilidad
necesarias a estas temperaturas y presiones. Las piezas suelen
salir con aproximadamente 7% de humedad, por lo que es
fundamental el secado de las mismas previa a la cocción.
Mediante este proceso no es posible la obtención de piezas
de gran tamaño debido a los alabeos que se producen en la
pieza húmeda por acción de la gravedad. Un ejemplo
que utiliza esta técnica es la vajilla.

Extrusión. Una máquina de
extrusión fuerza una masa plástica bastante
rígida a través de una boquilla para formar una
barra de sección constante que puede recortarse en
tramos. La arcilla se comprime en el cilindro, por medio de un
pistón. Los tubos, tejas, ladrillos y algunos aislantes
eléctricos se fabrican por extrusión.

Moldeos en seco

Prensado en seco. Consiste en compactar polvos
secos o ligeramente húmedos a una presión lo
suficientemente alta como para formar un artículo
relativamente denso y resistente que se pueda manejar. La pasta
líquida se seca por atomización. La mezcla
se da forma a alta presión en una matriz de
acero.

En general se emplean dos tipos de prensa, la
hidráulica y la mecánica. Es importante que la
pieza se prense, de manera que adquiera una densidad lo
más homogénea posible, de lo contrario se corre el
peligro de que se alabe o que se contraiga irregularmente al
cocerla. Cuanto mejor fluya la mezcla durante el prensado,
más fácil será conseguir una densidad
uniforme. El prensado por ambos extremos confiere mayor
homogeneidad que la que se conseguiría si solo se actuara
por arriba. Con la lubricación de las paredes se
acaba de perfeccionar la operación.

Este método se usa con frecuencia para fabricar
materiales refractarios, componentes cerámicos
electrónicos y algunas baldosas, las cuales actualmente se
pueden fabricar con mayores tamaños.

Acabado

Luego del moldeo, se le da un acabado a la pieza, que,
dependiendo de cada caso, constará de recorte y
desbarbado, eliminación de aletas, costuras y sobrantes
(ya sea de forma automática o manual), acabado
superficial, acabado en seco (con papel de lija o cepillo) o
acabado en húmedo (con esponja o pincel suave).

Secado y cocido

Una pieza cerámica que ha sido conformada
hidroplásticamente o por moldeo en barbotina retiene mucha
porosidad, y su resistencia es insuficiente para la
mayoría de las aplicaciones prácticas.
Además, puede contener aún algo del líquido
(agua, por ejemplo) añadido para ayudar a la
operación de conformado. Este líquido es eliminado
en un proceso de secado; la densidad y la resistencia aumentan
como resultado del tratamiento a alta temperatura o por el
proceso de cocción. Las técnicas de secado y
cocción son críticas, ya que una contracción
no uniforme durante estas operaciones puede originar tensiones
que introduzcan muchos defectos, como grietas o distorsiones, que
hacen que la pieza se vuelva inútil.

Secado

Durante el secado, el control de la velocidad de
eliminación de agua es crítico. A medida que un
cuerpo cerámico de arcilla se seca, también
experimenta contracción. En las primeras etapas de secado,
las partículas de arcilla están rodeadas por una
película muy fina de agua. A medida que el secado progresa
y se elimina agua, la distancia entre partículas
disminuye, lo cual se pone de manifiesto en forma de una
contracción. El secado en la parte interna de un cuerpo se
realiza por difusión de moléculas de agua hasta la
superficie, donde ocurre la evaporación. Si la velocidad
de evaporación es mayor que la velocidad de
difusión, la superficie se secará, y por lo tanto
se encogerá más rápidamente que en el
interior, con una alta probabilidad de formación de los
defectos antes mencionados. La velocidad de evaporación
superficial debe ser, como máximo, igual a la velocidad de
difusión del agua, y puede ser controlada mediante la
temperatura, humedad y velocidad del flujo de aire.

Otros factores también influyen en la
contracción. Uno de ellos es el espesor del cuerpo; la
contracción no uniforme y la formación de defectos
son más pronunciados en las piezas de gran espesor que en
las delgadas. El contenido de agua del cuerpo conformado
también es crítico: cuanto mayor sea, mayor
resultará la contracción, y por eso se busca
mantenerlo tan bajo como sea posible. El tamaño de las
partículas de arcilla también influye en la
contracción: ésta aumenta cuanto menor es el
tamaño de partícula. Para minimizar este
efecto, el tamaño de las partículas puede
aumentarse, o bien se pueden adicionar materiales no
plásticos con partículas relativamente
grandes.

Secado por atomización. Una boquilla
atomizadora en la parte superior de una gran cámara divide
la pasta líquida en pequeñísimas gotas que
caen a través de gases calentados, de forma que cuando
llegan al fondo de la cámara lo hacen en forma de
pequeñas esferas, a menudo huecas. Dichas esferas son
barridas por un rascador giratorio hacia un
transportador.

Secado de cámara. La cerámica
se coloca en una cámara y el ciclo se
completa sin movimiento de la misma. Unos ventiladores de
poca velocidad impulsan el aire a través de serpentines de
vapor, que luego llega a las piezas mediante aletas
graduables.

Secadores continuos. Las piezas de
cerámica avanzan sobre carretillas o bandas
transportadoras, dispuestas en línea recta o en capas, y
van siendo sometidas a una secuencia de condiciones
definidas.

Cocción.

La cocción de los productos cerámicos es
una de las etapas más importantes del proceso de
fabricación, ya que de ella dependen gran parte de las
características del producto cerámico: resistencia
mecánica, estabilidad dimensional, resistencia a los
agentes químicos, facilidad de limpieza, resistencia al
fuego, etcétera. Las variables fundamentales a considerar
en la etapa de cocción son el ciclo térmico
(temperatura-tiempo, ver Figura 8), y la atmósfera del
horno, que deben adaptarse a cada composición y
tecnología de fabricación, dependiendo del producto
cerámico que se desee obtener.

Figura 8. Ciclo térmico de
cocción.

La operación de cocción consiste en
someter a las piezas a un ciclo térmico, durante el
cual tienen lugar una serie de reacciones en la pieza que
provocan cambios en su microestructura y les confieren las
propiedades finales deseadas. A medida que la temperatura va
aumentando, se van quemando los distintos materiales que componen
la cerámica. Entre 300 y 400 0C se quema la materia
orgánica que es la que permite mantener la forma como fue
moldeada. A los 700 0C se queman los carbonatos
produciéndose la liga de la cerámica
(cohesión). A los 800 0C se produce la reacción
entre las materias primas (arcilla, feldespato, etc.). El quemado
es hecho a una temperatura por debajo del punto de derretimiento
de la cerámica.

Siempre queda alguna porosidad, pero la real ventaja de
este método es que la hornada puede ser producida de
cualquier modo imaginable, e incluso puede ser sinterizado. La
temperatura máxima de cocción depende del producto
deseado; por ejemplo, para la porcelana, que necesita ser de gran
calidad con poca porosidad, se eleva la temperatura
a 1370 0C. Para la loza sanitaria, que no precisa tanta calidad,
se lleva a 1270 0C.

Cocción rápida. La cocción
rápida de las baldosas cerámicas, actualmente
predominante, se realiza en hornos monoestrato de rodillos, los
que han permitido reducir extraordinariamente la duración
de los ciclos de cocción hasta tiempos inferiores a los 40
minutos, debido a la mejora de los coeficientes de
transmisión de calor de las piezas, y a la uniformidad y
flexibilidad de los mismos.

En los hornos monoestrato, las piezas se mueven por
encima de los rodillos, y el calor necesario para su
cocción es aportado por quemadores gas natural-aire,
situados en las paredes del horno. Los mecanismos principales de
transmisión de calor presentes durante este proceso son la
convección y la radiación.

Procesamiento y aplicación de cerámicos
avanzados

Los cerámicos estructurales avanzados
están diseñados para optimizar las propiedades
mecánicas a temperaturas elevadas. A fin de alcanzar estas
propiedades, se requiere, en comparación con la
cerámica tradicional, un control excepcional de la pureza,
del procesamiento y de la microestructura. Se utilizan
técnicas especiales para conformar estos materiales en
productos útiles

Compresión isostática

Muchos de los cerámicos más avanzados
empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para
mejorar su composición, y se prensan para darles forma, la
cual, una vez comprimida, se sintetiza para que se desarrolle la
micro estructura y propied eridas.