Materiales cerámicos: Ejemplos, propiedades y aplicaciones
Los materiales cerámicos juegan un papel muy importante en varias aplicaciones y productos que nos rodean, constituyen parte fundamental de la tecnología en la industria de la construcción. En este artículo conocerás todas las características, propiedades, clasificación, ejemplos y usos más importantes.
¿Qué son los materiales cerámicos?
Los materiales cerámicos, conocidos también como cerámicas se refieren a productos policristalinos que se forman por horneado de arcillas naturales con aditivos especiales provenientes de minerales a una gran temperatura.
Los materiales cerámicos también se forman por el horneado de arcillas junto con óxidos arcillosos y sustancias inorgánicas sintetizadas y que tienen un alto punto de fusión.
La palabra cerámica o cerámicos deriva del griego Keromos, que significa arcilla o tierra de alfarero, siendo un término muy restringido para la gran variedad de materiales y productos derivados de las cerámicas.
Ejemplos de materiales cerámicos
Hoy en día los ejemplos de materiales cerámicos incluyen una amplia gama de silicatos, óxidos metálicos y sus combinaciones, cabe mencionar que la arcilla como tal es la cerámica más común.
También se consideran como cerámicas al carbono, el boro, el silicio, ciertos carburos, los hidruros, los silicatos y los sulfuros refractarios.
Como ejemplos de materiales cerámicos usados en la industria de la construcción tenemos al ladrillo, al hormigón, al vidrio, los materiales abrasivos, la porcelana, los materiales refractarios.
El óxido de magnesio es otro material cerámico, este puede soportar altas temperaturas (1650–2500 °) sin derretirse y también se usa ampliamente como refractario.
Características generales
Mas adelante veremos las propiedades físicas y químicas más importantes de estos materiales, Sin embargo, a manera general los materiales cerámicos suelen ser duros y quebradizos, además, típicamente se encuentran en forma de sólidos amorfos (no cristalinos) o de manera vítrea.
En cuanto a sus enlaces químicos, estos materiales presentan enlaces mixtos, iónicos y covalentes. Es verdad que estos pueden ocurrir en formas cristalinas, sin embargo, su estructura más común es la vítrea (amorfa).
Debido a su enlace iónico covalente los materiales cerámicos sean buenos aislantes térmicos y eléctricos. Cuando estos materiales se encuentran a bajas temperaturas, se comportan de manera elástica. Sin embargo, en condiciones adecuadas de tensión y temperatura, estos se deforman se comportan como un material viscoso.
Propiedades típicas de los materiales cerámicos
- Alta dureza
- Módulo de elasticidad alto
- Baja ductilidad
- Alta estabilidad dimensional
- Buena resistencia al desgaste
- Alta resistencia a la corrosión y al ataque químico.
- Alta resistencia a la intemperie
- Alto punto de fusión
- Alta temperatura de trabajo
- Baja expansión térmica
- Conductividad térmica de baja a media
- Buen aislamiento eléctrico
- Resistencia a la tracción de baja a media
- Alta resistencia a la compresión
- Maquinabilidad media
- Opacidad
- Fragilidad
- Resistencia al impacto deficiente
- Baja resistencia al choque térmico.
Clasificación de los materiales cerámicos
Los materiales cerámicos son un grupo muy amplio debido a que difieren en su composición básica, propiedades físicas y propiedades químicas. Además, estas diferencias en propiedades hacen que estos materiales tengan un montón de aplicaciones y usos, sobre todo en ingeniería.
A continuación, mostramos la clasificación básica de los materiales cerámicos de acuerdo a sus aplicaciones específicas y su composición basada en las propiedades que tienen.
En función de su composición, las cerámicas se clasifican en:
- Óxidos
- Carburos
- Nitruros
- Sulfuros
- Fluoruros, etc.
La otra clasificación importante de las cerámicas se basa en sus aplicaciones, tales como:
- Vidrios
- Productos de arcilla
- Refractarios
- cerámicas abrasivas
- Cementos
- Cerámica avanzada
- Alúmina
- Nitruro de aluminio
- Diamantes
- Zirconia
- Sílice
- Carburo de silicio
- Óxido de titanio
- Boruro de titanio
- Óxido de uranio
Propiedades físicas de los materiales cerámicos
Propiedades mecánicas
Fuerza de tensión: A pesar de que, en teoría, la resistencia a la tracción de las cerámicas es muy alta, lo cierto es que en la práctica es bastante baja. Las fallas por tracción de las cerámicas se atribuyen a las concentraciones de tensión en los poros y microgrietas. El módulo de elasticidad varía de 7 × 104 a 42 × 104 N / mm2. La resistencia a la tracción de las fibras de vidrio está en el orden de 700 N / mm2.
Resistencia a la compresión: La resistencia a la compresión de estos materiales es alto y es habitual utilizar cerámicas como arcilla, cemento y productos de vidrio sometidos a compresión.
Resistencia a la cizalla: Las cerámicas tienen una resistencia al cizallamiento muy alta con resistencia a fallar de manera quebradiza.
Propiedades térmicas
La capacidad térmica, la conductividad y la resistencia a los golpes deben tenerse en cuenta cuando se que quiere usar materiales cerámicos. El calor específico de los ladrillos hechos a base de arcilla refractaria es de 0,250 a 1000 ° C y 0,297 a 1400 ° C, mientras que para los ladrillos de carbono es de aproximadamente 0,812 a 200 ° C y 0,412 a 1000 ° C.
Los materiales cerámicos no tienen suficientes electrones libres para resaltar la conductividad térmica electrónica. A altas temperaturas, la conducción tiene lugar por transferencia de energía radiante. La conductividad térmica de los refractarios debe ser mínima para revestimientos y máxima para crisoles.
Los choques térmicos se desarrollan principalmente debido a la expansión y contracción de la cerámica.
Los compuestos de litio se utilizan en cerámica para mejorar la resistencia a los golpes. El nitruro de silicio prensado en caliente tiene la mejor resistencia al choque térmico, mientras que la esteatita es la más pobre.
Propiedades eléctricas
Los materiales cerámicos no tienen electrones libres, y por lo tanto tienen una conductividad eléctrica baja. Sin embargo, en altas temperaturas se acelera la difusión iónica. Por ejemplo, el vidrio es un aislante eléctrico, pero cuando está en el horno de fundición de vidrio, su conductividad se vuelve bastante alta.
La arcilla muestra una constante dieléctrica muy alta, una propiedad del material relacionada con su comportamiento cuando se encuentra dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos, en condiciones estáticas. Sin embargo, para la corriente alterna, la constante dieléctrica en la arcilla surge del movimiento de iones y electrones.
Aplicaciones y usos de los materiales cerámicos
Usos generales y en la vida diaria
De seguro el primer pensamiento que se viene a la mente cuando se escucha materiales cerámicos es platos, alfarería, tejas, ladrillos, cemento o vidrio. Sin embargo, los materiales cerámicos son mucho más que eso, de hecho, están inmersos en muchas aplicaciones de la vida diaria.
Los materiales cerámicos son usados en la electrónica, debido a que gracias a sus composición y propiedades pueden aplicarse en semiconductores, superconductores, aislantes y componentes ferroeléctricos.
Estos materiales igualmente se usan en bujías, fibra óptica, baldosas de naves espaciales, estufas, frenos de automóviles, sensores químicos, chalecos antibalas y esquís.
En la industria de la electrónica
Hoy en día sabemos que los materiales cerámicos son parte fundamental de la gigantesca industria de la electrónica y electricidad, sin estos materiales simplemente la industria de la electrónica no podría evolucionar.
Los componentes de la cerámica son materia prima indispensable que forman parte de teléfonos inteligentes, computadoras, televisores, dispositivos médicos y la electrónica automotriz.
A pesar de que los materiales cerámicos se han considerado como aislantes, en la actualidad los avances tecnológicos han creado cerámicas con excelentes propiedades magnéticas, superconductoras e incluso piezoeléctricas.
Es así que los productos a base de materiales cerámicos se usan para fabricar bujías, piezas protectoras para cables y líneas eléctricas (cordones, tubos), empaques herméticos y tubos de arco cerámicos.
Estos materiales son usados en sectores de la automoción, transporte marítimo, en la distribución de electricidad y en el sector aeroespacial.
En la industria de la construcción
Ahora ya sabemos que se puede obtener ladrillos, materiales refractarios, cemento e incluso vidrio con materiales cerámicos. Todos estos productos son ampliamente usados en la industria de la construcción para construir casas, edificios, puentes, túneles, represas, etc. También son usados en los acabados de la construcción.
Las arcillas son la materia prima para la fabricación de ladrillos, tejas, terracota, cerámica, lozas, alcantarillado, tuberías de drenaje y cubiertas para cables eléctricos.
Soy ingeniero geólogo con experiencia y conocimiento en el área de exploración minera, hidrocarburos, evaluación de depósitos minerales metálicos y no metálicos, exploración de piedras preciosas y de metales preciosos, procesamiento de datos geológicos en software especializado y métodos de explotación de recursos naturales.
Además, tengo conocimiento en geología aplicada a la ingeniería geológica, donde se incluye el estudio de suelos, rocas y agua para la construcción de obras de ingeniería civil.
