Materiales Cerámicos

PROCESOS DE MANUFACTURA
Ceramics
Prof. Ciro Mejia Elias

Introducción
Por lo general se considera que los metales son la clase más
importante de materiales de la ingeniería. Sin embargo, es de
interés observar que en realidad los materiales cerámicos son
más abundantes y se utilizan más. En esta categoría se
encuentran incluidos los productos de arcilla (por ejemplo,
ladrillos y vajillas), vidrio, cemento y materiales cerámicos
más modernos tales como el carburo de tungsteno y el nitruro
cúbico de boro.
Materiales Cerámicos
Un material cerámico es un compuesto

inorgánico que consiste en un metal (o
semimetal) y uno o más no metales. La palabra
cerámica proviene del griego keramos, que
significa arcilla de vasijas o trastos hechos de
barro cocido.
Materiales importantes:
• Sílice(Si): Ingrediente principal de la mayoría de los
productos de vidrio
• Alúmina (Al): que se utilizan en aplicaciones que van de
abrasivos a huesos artificiales;
• Caolinita (Al2Si2O5(OH)4): Compuesto mas complejo
que es el ingrediente principal de la mayoría de los
productos de arcilla
Los elementos de estos compuestos son los más comunes
en la corteza terrestre,
Distribución de los elementos
La importancia tecnológica y comercial de los materiales cerámicos queda
demostrada por la variedad de productos y aplicaciones que se basan en esa
clase de materiales.
• Productos de arcilla para • Abrasivos

la construcción. • Herramientas para cortar
• Cerámicos refractarios materiales
• Cemento para concreto • Aislantes cerámicos
• Productos de línea blanca. • Cerámicos magnéticos
• Vidrio • Combustibles nucleares
• Fibras de vidrio • Biocerámicas
Propiedades de los ceramicos
Mecánicas
• Son duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su
enlace iónico/covalente, este echo supone una gran
limitación en su número de aplicaciones. Esta fragilidad
se intensifica por la presencia de imperfecciones.
• Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas
temperaturas se permite el deslizamiento de bordes de
grano.
Propiedades de los cerámicos
Físicas
• Son en su mayoría aislantes eléctricos debido a
que tienen una alta resistencia dieléctrica y
baja constate dieléctrica.
• La mayoría de los materiales cerámicos tienen

bajas conductividades térmicas debido a sus
fuertes enlaces iónico/covalentes, por este
echo 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.
Comparación entre metales y
materiales cerámicos
Metales Cerámicas
Estructura cristalina Estructura cristalina
Muchos electrones libres Electrones "fijos"
Enlace metálico Enlace iónico y/o covalente
Buena conductividad eléctrica Malos conductores
Opacos Transparentes
Atomos uniformes Atomos de diferente tamaño
Gran resistencia a tensión Pobre resistencia a tensión
Dúctiles Frágiles
Flujo plástico Sin plasticidad
Buena resistencia a impacto Pobre resistencia a impacto
Peso relativamente elevado Más livianos
Dureza moderada Dureza extrema
No porosos Altamente porosos
Alta densidad Baja densidad
Propiedades mecánicas y físicas
Clasificación:
Cerámicos Tradicionales
Arcillas
Contienen algunos de los siguientes:
• Sílice (SO2) y Aluminio como silicatos
• Compuestos de potasio
• Compuestos de magnesio
• Compuestos de calcio
La arena contiene sílica y fedelspato o Silicatos de aluminio
y potasio.
Fedelspato (Al2O3.6SiO2) Cuarzo (SiO2)

Cerámicas: Baños
Moldeo por drenado
Sinter
and
Serve
Refractarios
Ladrillos para calderas y hornos. Tienen un
alto contenido de sílice o aluminio.
Son utilizados en la fabricación de hierro y

acero, metales no ferrosos, vidrio, cementos,
conversión de energía, petróleo, e industrias
químicas.
Refractarios
• Usados para proveer protección térmica a otros
materiales a temperaturas muy altas, como en la
producción de acero (Tm=1500°C), fundiciones
de metal, etc.
• Compuestos princimpalmente de alúmina (Al2O3)

(Tm=2050°C) y sílice junto a otros óxidos: MgO
(Tm=2850°C), Fe2O3, TiO2, etc., y tienen una
porosidad mayor al 10% en volumen.
• También se utilizan BeO, ZrO2, SiC, y grafito con

baja porosidad
Ladrillo refractario
Cerámicos cristalinos
Buenos aislantes eléctricos y refractarios.

• El óxido de magnesio se utiliza como aislante en
elementos calientes y cables.
• Oxido de aluminio
• Oxidos de Berilio
• Carburo de Boro
• Carburo de Tungsteno
• Usado como abrasivos en máquinas cortantes.
Abrasivos
• Naturales (granate, diamante, etc.)

• Abrasivos Sintéticos (carburo de sílice,
diamante, alúmina, etc.) se utilizan para
perforar, cortar, pulir.
Cementos
• Usados para producir caminos, puentes,
edificios, represas.
Nuevos Cerámicos
• Se desarrollaron en los últimos 50 años.

• Aplicados como coberturas térmicas para proteger
estructuras metálicas, cubrir superficies, o como
compuestos importantes por sí mismos.
• Las aplicaciones en motores son típicas de estos
materiales, que incluyen el nitrito de sílice (Si3N4),
carburo de silicio (SiC), Zirconia (ZrO2) y Alumina (Al2O3)
• Su resistencia al calor y otras propiedades han llevado

al desarrollo de métodos para endurecerlos
reforzándolos con fibras , abriendo un campo de
aplicaciones para estos materiales
Nuevos Cerámicos
• Estructura: biocerámicas, herramientas de
corte, componentes de motores, blindajes.
• Eléctricos: capacitores, aislantes, circuitos
integrados , piezoeléctricos, magnetos y
superconductores
• Recubrimientos: componentes de motores,
herramientas de corte
• Químicas y ambientales: Filtros, membranas,
catálisis.
Componentes de motores
Rotor (Alúmina)
Engranajes (Alúmina)
Turbocargador
Rotor Cerámico
Discos de frenos cerámicos
McLaren Mercedes Benz
Carburo de silicio
• Componentes de automóvil.
• Elegidos por su resistencia al calor y desgaste.
Armaduras cerámicas
• Utilizadas en el ejército.
• Ventaja: baja densidad del material que lo hace
eficiente.
• Materiales cerámicos típicos: alúmina, carburo de

boro, carburo de silicio, y diboro de titanio.
• El material cerámico es discontinuo y forma un

“sándwich” entre un exterior más dúctil y una fibra
interna.
• La capa externa debe ser suficientemente dura

para frenar el proyectil.
Armaduras cerámicas
• La mayor parte de la energía de impacto es

absorbida por la fractura de la cerámica y
cualquier energía cinética remanente es
absorbida por la capa interna, que también
sirve para contener los fragmentos de
cerámica y el proyectil evitando un impacto
severo.
• La combinación Alúmina /Kevlar compuesto

en hojas de 20 mm. se utilizan para proteger
áreas críticas de los aviones de combate.
• Esta solución de bajo peso resultó eficiente y

de fácil reemplazo.
Cerámicos – Blindaje compuesto
Ceramic-
Outer hard Discontinuous
skin
Projectile
Personnel
and
Equipment
Inner
ductile
skin
Ceramic Armor System

Carburo de sílice
Blindaje corporal y
otros compuestos
elegidos por sus
propiedades
balísticas.
Cerámicos Amorfos / Vidrios
• Principal componente: Silice (SiO2)

• Si se enfría despacio se obtiene un compuesto cristalino.
• Si se enfría más rápido se obtiene una estructura amorfa
que consiste de cadenas desordenadas de átomos de
Silice y Oxígeno.
•A esto se debe su transparencia, ya que los bordes
cristalinos desvían la luz, causando reflexión.
• El vidrio puede ser templado para aumentar su tenacidad y
resistencia.
Tipos de vidrio
Hay tres tipos comunes:

• Vidrio de soda y cal - 95% de ellos, vidrios,
contenedores, etc
• Vidrios con plomo - contiene óxido de plomo
para mejorar el índice de refracción.
• Borosilicatado
- contiene óxido de boro,
conocido como Pyrex.
Vidrios
• Plano (ventanas)
• Vidrio de contención (botellas)
• Vidrio soplado (vajilla)
• Fibra de vidrio (aislante)
• Vidrios avanzados/especiales (fibra óptica)
Contenedores y botellas
Procesado por presión
Moldeo por soplado
Vidrio en edificios
Proceso de plato
Vidrio templado
• La resistencia del vidrio puede ser

mejorada induciendo tensiones residuales
de compresión en la superficie.
• La superficie permanece comprimida,

cerrando pequeñas fracturas.
Proceso de endurecimiento
• Templado:
• Se calienta por encima de Tg pero debajo del punto
de fusión
• Se enfría en agua o aceite
• La superficie se enfría a Tg antes que el interior
• Cuando el interior se enfría y contrae comprime la
superficie.
• Endurecimiento químico:
• Cationes con gran radio iónico se difunden en la
superficie
• Esto tensa las “celdas” introduciendo fuerzas
compresivas y tensiones.
Vidrio con plomo

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PROCESOS DE MANUFACTURA

Prof. Ciro Mejia Elias

Un material cerámico es un compuesto

• Productos de arcilla para • Abrasivos

• La mayoría de los materiales cerámicos tienen

Fedelspato (Al2O3.6SiO2) Cuarzo (SiO2)

Son utilizados en la fabricación de hierro y

• Compuestos princimpalmente de alúmina (Al2O3)

• También se utilizan BeO, ZrO2, SiC, y grafito con

Buenos aislantes eléctricos y refractarios.

• Naturales (granate, diamante, etc.)

• Se desarrollaron en los últimos 50 años.

• Su resistencia al calor y otras propiedades han llevado

• Materiales cerámicos típicos: alúmina, carburo de

• El material cerámico es discontinuo y forma un

• La capa externa debe ser suficientemente dura

• La mayor parte de la energía de impacto es

• La combinación Alúmina /Kevlar compuesto

• Esta solución de bajo peso resultó eficiente y

Ceramic Armor System

• Principal componente: Silice (SiO2)

Hay tres tipos comunes:

• La resistencia del vidrio puede ser

• La superficie permanece comprimida,

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