La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de su

abundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muy diferentes
de las de los metales. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un
metal y uno o más no metales.

Algunos ejemplos de materiales cerámicos son: el sílice, que se utiliza como ingrediente
principal de la mayoría de los productos de vidrio; la alúmina que se utilizan en aplicaciones
que van de abrasivos a huesos artificiales; y también compuestos como caolinita
ingrediente principal de la mayoría de los productos de arcilla.

Las propiedades generales que hacen a los materiales cerámicos útiles para los productos
de ingeniería son la alta dureza, características buenas de aislamiento térmico y eléctrico,
estabilidad química y temperaturas de fusión elevadas. Las aplicaciones de los cerámicos
son las siguientes:

 Productos de arcilla para la construcción

 Cerámicos refractarios
 Cemento para concreto
 Productos de línea blanca
 Vidrio y fibra de vidrio
 Herramientas para cortar materiales
 Aislantes cerámicos y Cerámicos magnéticos
 Combustibles nucleares
 Biocerámicas

Para fines de organización los cerámicos se clasifican en:

 Cerámicas industriales: silicatos que se emplean en productos de arcilla tales como

vasijas y ladrillos, abrasivos comunes y cemento.
 Nuevos cerámicos: poseen propiedades mecánicas o físicas que los hacen
superiores o únicos si se les compara con los cerámicos tradicionales.
 Vidrios: con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su
estructura no cristalina.

7.1 Estructura y propiedades de los materiales cerámicos

Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos, la
presencia de electrones estrechamente empacados en las moléculas de las cerámicas
explica el que estos materiales sean malos conductores.
Algunos materiales cerámicos tienden a adoptar una estructura amorfa o fase vítrea, en vez
de la forma cristalina, como ejemplo, el vidrio. En cuanto a su química, la mayor parte de
vidrios consisten en sílice fundido. Si se agregan otros materiales cerámicos vítreos se
obtienen variaciones de sus propiedades y colores. Además de estos vidrios puros, muchos
cerámicos que tienen una estructura cristalina aprovechan la fase vítrea como aglutinante
para su fase cristalina.
7.1.1 Propiedades mecánicas
Los enlaces en los materiales cerámicos son más rígidos y no permiten el deslizamiento ante
esfuerzos, los materiales cerámicos contienen las mismas imperfecciones en su estructura
cristalina que los metales: vacíos, intersticios, átomos desplazados y grietas microscópicas.
Estos defectos internos tienden a concentrar los esfuerzos, en especial cuando se involucra
una carga por tensión, flexión o impacto. Como resultado de estos factores, los cerámicos
fallan con mucha mayor facilidad que los metales por fractura quebradiza si se les aplica
una fuerza.
Se han creado varios métodos para dar resistencia a los materiales cerámicos, y estos
incluyen:

1. Hacer que los materiales de inicio sean más uniformes.

2. Disminuir el tamaño del grano en los productos cerámicos policristalina.
3. Minimizar la porosidad.
4. Introducir esfuerzos superficiales a la compresión, a través de aplicar el glaseado
con expansiones térmicas bajas.
5. Utilizar fibras de refuerzo.
6. Tratamientos térmicos para darles resistencia.

7.1.2 Propiedades físicas

Las conductividades térmica y eléctrica de la mayoría de los cerámicos son menores que las
de los metales; pero el rango de valores es mayor, lo que permite que ciertos cerámicos se
utilicen como aislantes, en tanto que otras son conductores eléctricos. Los materiales
cerámicos con conductividades térmicas bajas y expansiones térmicas relativamente altas
son susceptibles en especial a fallas de ese tipo, los términos choque térmico y
agrietamiento térmico se emplean en relación con esas fallas. El vidrio tipo Pyrex tiene
expansión térmica baja y son resistentes en particular a las fallas térmicas

7.2 Cerámicos tradicionales

Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Los productos
principales son el barro cocido, cemento y abrasivos naturales tales como la alúmina. El
vidrio también es un material cerámico y con frecuencia se le incluye en el grupo de los
materiales cerámicos tradicionales.
Vítreo: significa vidrioso, o que posee características del vidrio.
7.2.1 Materias primas
Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en
partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia
plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua. Las arcillas más comunes se
basan en la mineral caolinita.
Cocimiento: es el proceso mediante el cual la arcilla se convierte en un material fuerte y
denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada.
Sílice: es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales, y se puede
encontrar en forma de cuarzo y la fuente principal es la arenisca.
Feldespato: es un mineral utilizado con frecuencia, y consiste en silicato de aluminio
combinado con cualquiera de los elementos potasio, sodio, calcio o bario.
Alúmina: es otra materia prima importante y ésta se procesa principalmente del mineral
bauxita, que es una mezcla impura de óxido de aluminio hidratado e hidróxido de aluminio
más componentes similares de hierro y manganeso.
Corundo: es un material que contiene alúmina en cantidades masivas.
Carburo de silicio: otra cerámica que se emplea mucho como abrasivo, no ocurre en forma
de mineral. En vez de ello se produce con el calentamiento de mezclas de arena y coque.
7.2.2 Productos cerámicos tradicionales
Algunos productos tradicionales utilizados de forma comercial son los siguientes:

7.3 Nuevos materiales cerámicos

El término nuevos cerámicos se refiere a materiales cerámicos creados en forma sintética
durante las décadas recientes y en general, los nuevos cerámicos se basan en compuestos
distintos de silicato de aluminio en cantidades variables. Los nuevos cerámicos son por lo
general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales; por ejemplo, óxidos,
carburos, nitruros y boruros.
7.3.1 Óxidos cerámicos
El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina. Actualmente, la alúmina se
produce en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. Por
medio del control del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en los métodos de
refinación y la mezcla de cantidades pequeñas de otros ingredientes cerámicos, se mejora
en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de la alúmina, en comparación con su
contraparte natural.

7.3.2 Carburos
Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), titanio (TiC),
tantalio (TaC) y cromo (Cr3C2). Se valora al WC, TiC y TaC, por su dureza y resistencia al
desgaste en herramientas de corte y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades.
El carburo de tungsteno fue el primero que se creó y es el material más importante y de
mayor uso de su grupo.

7.3.3 Nitruros
Los nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si3N4), el de boro (BN) y el de
titanio (TiN). Como grupo, las cerámicas de nitruros son duras y frágiles, y se funden a
temperaturas altas. Lo normal es que sean aislantes eléctricos.

El nitruro de silicio promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura.

El nitruro de boro existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las formas
importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito, y 2) cúbica, como el diamante; en
realidad, su dureza es comparable a la del diamante.

El nitruro de titanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del grupo,
excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor.

Un material cerámico nuevo relacionado con el grupo del nitruro, y también con los óxidos,
es el cerámico de oxinitruro llamado sialon. Consiste en los elementos silicio, aluminio,
oxígeno y nitrógeno.

7.4 Vidrio
El vidrio es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría
hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido
está en estado vítreo. Y como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no
cristalina, de un material sólido.
7.4.1 Química y propiedades del vidrio
El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es el sílice (SiO2), que se encuentra
en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas sílicas.
Los ingredientes adicionales están contenidos en una solución sólida con SiO2, y cada uno
tiene una función: 1) actuar como fundente durante el calentamiento; 2) incrementar la
fluidez del vidrio fundido para su procesamiento; 3) retardar la desvitrificación, es decir, la
tendencia a cristalizar desde el estado vítreo; 4) reducir la expansión térmica del producto
final; 5) mejorar la resistencia química contra el ataque de ácidos, sustancias básicas o agua;
6) agregar color al vidrio, y 7) alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas.
7.4.2 Productos de vidrio
Las categorías principales de productos de vidrio son:
o Vidrio para Ventanas: Está representado por dos composiciones químicas: 1) vidrio
de cal y sosa cáustica y 2) vidrio para ventanas.
o Envases: Actualmente se entiende mejor la importancia de la estabilidad química de
los envases de vidrio. Los cambios resultantes en la composición tratan de optimizar
las proporciones de cal (CaO) y sosa (Na2O3). La cal facilita la fluidez.
o Vidrio para Focos: El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidrio
delgado (por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa y bajo
de cal; también contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina.
o Vidrio de Laboratorio: Estos productos incluyen contenedores para productos
químicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Este
vidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado el
vidrio con alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica.
o Vidrios Ópticos: Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojos e
instrumentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Los vidrios
ópticos por lo general se dividen en vidrios al boro y al plomo. El vidrio al boro tiene
un índice de refracción bajo, en tanto que el vidrio al plomo contiene óxido de
plomo (PbO) que le da un índice de refracción alto.

7.4.3 Vidrios-cerámicos
Los vidrios-cerámicos son una clase de material cerámico que se produce por la conversión
de vidrio en una estructura policristalina por medio de tratamiento de calor. La proporción
de la fase cristalina en el producto final por lo común varía entre 90% y 98%, y el resto es
material vítreo sin convertir.

Las ventajas notables de los vidrio-cerámicos incluyen: 1) la eficiencia de procesamiento en

el estado vítreo, 2) control dimensional estrecho de la forma del producto final, y 3) buenas
propiedades físicas y mecánicas. Éstas incluyen alta resistencia, ausencia de porosidad, bajo
coeficiente de expansión térmica y elevada resistencia al choque térmico.

7.5 Algunos elementos importantes relacionados con los cerámicos

Algunos elementos importantes para la ingeniería son: carbono, silicio y boro.
7.5.1 Carbono
El carbono ocurre en dos formas alternativas de importancia en el comercio y la
ingeniería, y estos son:

o Grafito: Tiene un contenido alto de carbono cristalino en forma de capas. Es

resistente al choque térmico, y su resistencia en realidad se incrementa con la
temperatura. Su resistencia a la tensión a temperatura ambiente es cerca de 100
MPa. Tiene conductividad eléctrica, pero no tan alta como la de la mayoría de los
metales. Una desventaja del grafito es que se oxida en el aire por arriba de los 500
ºC (900 ºF).
o Diamante: Es carbono que posee estructura cristalina cúbica con enlace covalente
entre sus átomos. La gran dureza se aprovecha en herramientas de corte y esmeriles
para maquinar materiales duros y frágiles, u otros muy abrasivos.

7.5.2 Silicio
El silicio es un elemento semimetálico del mismo grupo del carbono en la tabla periódica.
Es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, de la que comprende
aproximadamente el 26% de su peso.

Como elemento tiene la misma estructura cristalina que el diamante, pero su dureza es
menor. Es duro pero frágil, ligero, de química inactiva a temperatura ambiente y se clasifica
como semiconductor.

7.5.3 Boro
Es un elemento semimetálico del mismo grupo de la tabla periódica en el que se encuentra
el aluminio. Por peso, sólo constituye el 0.001% de la corteza terrestre, y ocurre por lo
común como los minerales bórax y kernita. El boro es ligero y muy rígido (módulo de
elasticidad alto) en forma de fibra. En términos de sus propiedades eléctricas, se clasifica
como semiconductor (su conductividad varía con la temperatura; a temperaturas bajas es
aislante, pero a elevadas es conductor).
7.6 Guía para el procesamiento de los materiales cerámicos
El procesamiento de los materiales cerámicos se divide en dos categorías básicas: fundidas
y de partículas. La categoría principal de los cerámicos fundidos es el trabajo del vidrio. Los
materiales cerámicos en forma de partículas incluyen los tradicionales y los nuevos; cuyos
métodos de procesamiento constituyen el resto de la tecnología de formado de cerámicas.
 Capítulo 7:
1. ¿Qué es un cerámico?

Es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no

metales.
2. ¿Cuáles son los cuatro elementos más comunes en la corteza terrestre?
 Oxígeno
 Aluminio
 Acero
 Silicio
3. ¿Cuál es la diferencia entre los cerámicos tradicionales y los nuevos?

Los cerámicos tradicionales se refiere a materiales que se basan en silicatos minerales,

sílice y óxidos minerales, mientras que, los cerámicos nuevos se refiere a materiales
creados en forma sintética y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento
que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cerámicos.

4. ¿Cuál es la característica que diferencia al vidrio de los cerámicos tradicionales y

los nuevos?

El vidrio es una estructura amorfa, no cristalina, de un material sólido, mientras que, los
cerámicos tradicionales y nuevos poseen una estructura cristalina.

5. ¿Por qué el grafito y el diamante no se clasifican como cerámicos?

Porque no son componentes de los cerámicos, son formas alternativas del elemento
Carbono.

6. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas generales de los materiales cerámicos?

Las propiedades mecánicas incluyen alta dureza, fragilidad y ausencia de ductilidad.

7. ¿Cuáles son las propiedades físicas generales de los materiales cerámicos?

Las propiedades físicas incluyen la capacidad de aislamiento eléctrico y térmico,

densidad media, altas temperaturas de fusión y expansión térmica generalmente menor
que los metales.

8. ¿Qué tipo de enlace atómico caracteriza a los cerámicos?

Enlaces iónicos y covalentes.

9. ¿Qué tienen en común la bauxita y el corundo?

Lo que tienen en común es que ambos son minerales de los cuales se puede obtener
alúmina, la cual es una materia prima importante para los cerámicos tradicionales.

10. ¿Qué es la arcilla, que se emplea para fabricar productos cerámicos?

Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos, y consisten
en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una
sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla con agua. Las arcillas más
comunes se basan en el mineral caolinita (Al2Si2O5(OH)4).

11. ¿Qué es el glaseado, según se aplica a productos cerámicos?

El glaseado involucra la aplicación de un recubrimiento superficial, por lo general una

mezcla de óxidos tales como sílice y alúmina, para hacer que el producto sea menos
permeable a la humedad y más atractivo a la vista.

12. ¿Cuál es el significado del término refractario?

Los cerámicos refractarios son capaces de utilizarse en aplicaciones de alta temperatura

tales como muros de hornos, crisoles y moldes.

13. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones principales de los carburos cementados,
tales como el WC–Co?

Las aplicaciones importantes de WC-Co incluyen de herramientas de corte más

resistentes, perforación de rocas, y otras aplicaciones donde la dureza es un factor
crítico.

14. ¿Cuál es una de las aplicaciones importantes del nitruro de titanio, según se dice
en el texto?

Es un material ideal utilizado como recubrimiento de superficies de herramientas de

corte, para prolongar la vida útil de las mismas.

15. ¿Cuáles son los elementos del material cerámico Sialon?

Los elementos son: silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno; y su nombre se deriva de ellos:
Si-Al-O-N.

16. Defina vidrio.

El vidrio es un compuesto inorgánico, no metálico que se enfría hasta adquirir una
condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado
vítreo.

17. ¿Cuál es el mineral primario de los productos de vidrio?

El mineral primario es el Sílice.

18. ¿Cuáles son algunas de las funciones de los ingredientes que se añaden al vidrio,
además del sílice? Mencione al menos tres.
 Incrementar la fluidez del vidrio fundido para su procesamiento.
 Retardar la desvitrificación, es decir la tendencia a cristalizar dese el estado
vítreo.
 Reducir la expansión térmica del producto final.
 Mejorar la resistencia química contra el ataque de ácidos, sustancias básicas o
agua.
 Agregar color al vidrio.

19. ¿Qué significa el término desvitrificación?

Es la tendencia a cristalizar desde el estado vítreo

20. ¿Qué es el grafito?

El grafito es un mineral de carbono casi puro, de textura compacta, color negro y brillo
metálico, graso al tacto y buen conductor de la electricidad; procede de rocas
carbonosas que han sufrido metamorfismo y se emplea para hacer lápices, crisoles
refractarios, productos lubricantes, etc.
1. ¿Cuál de los siguientes es el elemento más común de la corteza terrestre?:
a) Aluminio
b) Calcio
c) Hierro
d) Oxígeno
e) Silicio

2. ¿Los productos de vidrio se basan sobre todo en cuál de los minerales siguientes?:
a) Alúmina
b) Corundo
c) Feldespato
d) Caolinita
e) Sílice

3. ¿Cuál de los siguientes contienen cantidades significativas de óxido de aluminio?

(hay tres respuestas correctas):
a) Alúmina
b) Bauxita
c) Corundo
d) Feldespato
e) Caolinita
f) Cuarzo
g) Arenisca
h) Sílice

4. ¿Cuáles de las cerámicas que siguen se usan en forma común como abrasivos en
esmeriles? (dos respuestas correctas):
a) Óxido de aluminio
b) Óxido de calcio
c) Monóxido de carbono
d) Carburo de silicio
e) Dióxido de silicio

5. ¿Cuál de los siguientes por lo general es el material más poroso de las vasijas de
cerámica?:
a) Porcelana china
b) Barro
c) Porcelana
d) Porcelana de gres

6. ¿Cuál de los siguientes se hornea a las temperaturas más elevadas?:

a) Porcelana china
b) Barro
c) Porcelana
d) Porcelana de gres

7. ¿Cuál de las siguientes se aproxima más a la composición química de la arcilla?:

a) Al2O3
b) Al2(Si2O5)(OH)4
c) 3Al2O3–2SiO2
d) MgO
e) SiO2

8. Los vidrios-cerámicos son estructuras cerámicas policristalinas que han sido

transformadas al estado vítreo:
a) Verdadero
b) Falso

9. ¿Cuál de los materiales que siguen se acerca más al diamante, en cuanto a dureza?:
a) Óxido de aluminio
b) Dióxido de carbono
c) Nitruro de boro cúbico
c) Dióxido de silicio
d) Carburo de tungsteno

10. ¿Cuál de las siguientes caracteriza mejor la estructura de los vidrios-cerámicos?:

a) 95% policristalina
b) 95% vítrea
c) 50% policristalina

11. Las propiedades y características de los vidrios-cerámicos incluyen a cuáles de las

siguientes (dos respuestas son las mejores):
a) Eficiencia en el procesamiento
b) Conductividad eléctrica
c) Expansión térmica elevada
d) Resistencia respecto de otros cerámicos

12. ¿El diamante es el material más duro que se conoce?:

a) Verdadero
b) Falso

13. Los diamantes sintéticos datan de:

a) Tiempos antiguos
b) El siglo XIX
c) La década de 1950
d) La década de 1980