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Cerámica téunico

La cerámica téunica ocupar del usu de materiales cerámicos n'aplicaciones teunolóxiques. La pallabra cerámica deriva del vocablu griegu keramos, que la so raigañu sánscrita significa "quemar". Nel so sentíu estrictu referir a la magre en toles sos formes. Sicasí, l'usu modernu d'esti términu inclúi a tolos materiales inorgánicos non metálicos que se formen por aición del calor (ver sinterización).

Cerámica téunico
profesión y disciplina académica
procesu d'inxeniería, ciencia de materiales y manufactura
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Hasta los años 1950-65, los materiales más importantes fueron les magres tradicionales, utilizaes en alfarería, lladriyos, azulexos y similares, xunto col cementu y el vidriu. L'arte tradicional de la cerámica describir en alfarería. Tamién puede buscase la hestoria del rakú, singular téunica milenaria oriental.

Históricamente, los productos cerámicos fueron duros, porosos y fráxiles. L'estudiu de la cerámica consiste nuna gran estensión de métodos p'apangar estos problemes y acentuar les potencialidaes del material, según ufiertar usos non tradicionales. Esto tamién se buscó incorporándoles a materiales compuestos como ye'l casu de los cermets, que combinen materiales metálicos y cerámicos.

Exemplos de materiales cerámicos

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Propiedaes mecániques de la cerámica

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Los materiales cerámicos son xeneralmente fráxiles o vidriosos. Cuasi siempres se quebren ante esfuerzo de tensión y presenten poca elasticidá, yá que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otres imperfecciones microscópiques actúen como entallas o concentradores d'esfuerciu, amenorgando la resistencia a los esfuercios mentaos.

El módulu d'elasticidá algama valores bastante altos del orde de 311 GPa nel casu del carburu de titaniu (TIC). El valor del módulu d'elasticidá depende de la temperatura, menguando de forma non llinial al aumentar ésta.

Estos materiales amuesen deformaciones plástiques. Sicasí, por cuenta de la rixidez de la estructura de los componentes cristalinos hai pocos sistemes de deslizamientos pa dislocaciones de movimientu y la deformación asocede de forma bien lenta. Colos materiales non cristalinos (vidriosos), la fluidez mafosa ye la principal causa de la deformación plástica, y tamién ye bien lenta. Aun así, ye omitíu en munches aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si comparar colos metales inclusive a temperatures altes (hasta 1500 °C). So cargues de compresión los resquiebros incipientes tienden a cerrase, ente que so cargues de traición o cizalladura los resquiebros tienden a dixebrase, dando llugar a quebrar.

Los valores de tenacidá de quebra nos materiales cerámicos son bien baxos (apenes devasen el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentaos considerablemente por aciu métodos como'l reforzamientu por aciu fibres o'l tresformamientu de fase en circonia.

Una propiedá importante ye'l caltenimientu de les propiedaes mecániques a altes temperatures. La so gran durez facer un material llargamente utilizáu como abrasivo y como puntes cortantes de ferramientes.

Comportamientu refractariu

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Proteición térmica del tresbordador espacial.

Dellos materiales cerámicos pueden soportar temperatures desaxeradamente altes ensin perder la so solidez. Son los denominaos materiales refractarios. Xeneralmente tienen baxa conductividá térmica polo que son emplegaos como aislantes. Por casu, partes de los cohetes espaciales son construyíos d'azulexos cerámicos que protexen la nave de les altes temperatures causaes mientres la entrada a l'atmósfera.

Polo xeneral los materiales cerámicos presenten un bon comportamientu a alta temperatura ente que pueden sufrir frayatos per choque térmicu a temperatures inferiores.

  • Termofluencia: El caltenimientu de les propiedaes mecániques a altes temperatures toma gran importancia en determinaos sectores como la industria aeroespacial. Los materiales cerámicos tienen polo xeneral una bona resistencia a la termofluencia. Esto ye debíu principalmente a dos factores nel casu de cerámicos cristalinos: altos valores de temperatura de fusión y elevada enerxía d'activación por qu'empiece l'espardimientu.
  • Choque térmicu: Defínese como la quebra d'un material como resultáu d'un cambéu sópitu de temperatura. Esta variación repentina da llugar a tensiones superficiales de traición que lleven a quebrar. Ente los factores que condicionen la resistencia al choque térmicu toma gran importancia la porosidá del material. Al menguar la porosidá (aumentar la densidá) la resistencia al choque térmicu y les carauterístiques d'aislamientu amenórguense, ente que la resistencia mecánica y la capacidá de carga aumenten. Munchos materiales son usaos n'estaos bien porosos y ye frecuente atopar materiales combinaos: una capa porosa con bones propiedaes d'aislamientu combinada con una delgada chaqueta de material más trupo qu'aprove resistencia, pero non pueden realizase contrastes específicos.

Seique seya sorprendente qu'estos materiales puedan ser usaos a temperatures onde se licúan parcialmente. Por casu, los lladriyos refractarios de dióxidu de siliciu (SiO2), usaos p'anubrir fornos de fundición d'aceru, trabayen a temperatures cimeres a 1650 °C (3000 °F), cuando dalgunos de los lladriyos empiecen a licuarse. Diseñaos pa esa función, una situación ensin respigos rique un control responsable sobre tolos aspeutos de la construcción y usu.

Comportamientu llétricu

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Una de les árees de mayores progresos cola cerámica ye la so aplicación a situaciones llétriques, onde pueden esplegar un sorprendente conxuntu de propiedaes.

Aislamientu llétricu y comportamientu dieléctricu

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La mayoría de los materiales cerámicos nun son conductores de cargues móviles, polo que nun son conductores de lletricidá. Esto debe a que los enllaces iónico y covalente acuten la movilidá iónico y electrónico, esto ye, son bonos aislantes llétricos. Cuando son combinaos con fuercia, dexa usalos na xeneración d'enerxía y tresmisión.

Les llinies d'alta tensión son xeneralmente sosteníes por torres de tresmisión que contienen discos de porzolana, que son lo suficientemente aislantes como p'aguantar rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como pa sostener los cables.

Una subcategoría del comportamientu aislante ye'l dieléctricu. Un material dieléctrico caltién el campu llétrico al traviés d'él, ensin inducir perda d'enerxía. Esto ye bien importante na construcción de condensadores llétricos.

La cerámica dieléctrica ye usada en dos árees principales: la primera ye la perda progresiva de dielectricidad d'alta frecuencia, usada n'aplicaciones tales como microondes y radiu tresmisores; la segunda, son los materiales con alta dielectricidad constante (ferroeléctricos). Anque la cerámica dieléctrica ye inferior frente a otres opciones pa la mayoría de los propósitos, xeneralmente ocupa estos dos dichos perbién.

Superconductividá

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So ciertes condiciones, tales como temperatures desaxeradamente baxes, delles cerámiques amuesen superconductividá. La razón exacta d'esti fenómenu nun ye conocida, anque s'estremen dos conxuntos de cerámica superconductora.

El compuestu estequimétrico YBa2Cu3O7-x, xeneralmente embrivíu YBCO o 123, ye particularmente bien conocíu porque ye bono de faer, la so manufactura nun riquir nengún material particularmente peligrosu y tien una transición de temperatura de 90 K (lo que ye cimeru a la temperatura del nitróxenu líquidu, 77 K). La x de la fórmula referir al fechu que tien de ser llixeramente deficiente n'osíxenu, con un x polo xeneral cercanu a 0.3.

L'otru conxuntu de cerámiques superconductoras ye'l diboruro de magnesiu. Les sos propiedaes nun son particularmente destacables, pero son químicamente bien distintos a cualesquier otru superconductor en que nun ye un complexu d'óxidu de cobre nin un metal. Por cuenta de esta diferencia espérase que l'estudiu d'esti material conduza a la interiorización del fenómenu de la superconductividá.

Semiconductividá

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Hai ciertu númberu de cerámiques que son semiconductivas. La mayoría d'elles son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como'l óxidu de cinc.

La cerámica semiconductora ye emplegada como sensor de gas. Cuando dellos gases son pasaos al traviés d'una cerámica policristalina, la so resistencia llétrica camuda. Afaciendo los posibles amiestos de gas, pueden construyise sensores de gas ensin demasiao costu.

Ferroelectricidad, piezoelectricidad y piroelectricidad

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Un material ferroeléctrico ye aquel que bonalmente tien una polarización llétrica que'l so sentíu puede invertise por aciu aplicación d'un campu llétrico esternu abondo alto (histéresis ferroeléctrica). Estos materiales exhiben múltiples propiedaes derivaes de la so polarización bonal, n'ausencia d'un campu llétrico esternu, y de la posibilidá de la so inversión (memories d'ordenador). La polarización bonal puede modificar por aciu campos llétricos (electrostricción) o de tensiones mecániques (piezoelectricidad) esternos y por aciu variaciones de la temperatura (piroelectricidad). La polarización bonal y la so capacidá de cambéu ye tamién l'orixe de l'alta constante dieléctrica o permitividad de los ferroeléctricos, que tien aplicación en condensadores.

Un material piezoeléctrico ye aquel que, por cuenta de tener una polarización bonal, xenera un voltaxe cuando se-y aplica presión o, inversamente, se deforma so l'aición d'un campu llétrico. Cuando'l campu llétrico aplicáu ye alternu, este produz una vibración del piezoeléctrico. Estos materiales atopen un rangu ampliu d'aplicaciones, principalmente como sensores —pa convertir un movimientu nuna señal llétrica o viceversa—. Tán presentes en micrófonos, xeneradores d'ultrasoníu y mididores de presión. Tolos ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero hai munchos piezoeléctricos que la so polarización bonal puede variar pero nun ye invertible y, arriendes d'ello, nun son ferroeléctricos.

Un material piroeléctrico desenvuelve un campu llétrico cuando se calecer. Delles cerámiques piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar cambeos de temperatura causaos pol ingresu d'una persona a un cuartu (aproximao 40 microkelvin). Tales dispositivos nun pueden midir temperatures absolutes, sinón variaciones de temperatura y utilícense en visión nocherniega y detectores de movimientu.

Procesáu de materiales cerámicos

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Les cerámiques non cristalinas (vidriosas) suelen ser formaes de fundiciones. El vidriu ye formáu por cualesquier de los siguientes métodos: sopláu, prensado, laminado, espurríu, coláu o llexáu y galvanizáu.

Los materiales cerámicos cristalinos nun son susceptibles d'un variáu rangu de procesáu. Los métodos emplegaos pal so manexu tienden a fallar nuna de dos categoríes -faer cerámica na forma deseyada, pro reaición in situ, o por formación de polvos na forma deseyada, y depués sinterizados pa formar un cuerpu sólidu. Dellos métodos usaos son un híbridu de los dos métodos mentaos.

Manufactura in situ

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L'usu más común d'esti métodu ye na producción de cementu y formigón. Equí, los abrasivos deshidratados son entemecíos con agua. Esto da empiezu a les reaiciones de la hidratación, que resulten en cristales grandes, interconectaos formándose alredor de los agregaos. Pasáu un tiempu, esto resulta nuna cerámica sólida.

El mayor problema con esti métodu ye que la mayoría de les reaiciones son tan rápides que nun ye posible faer un bonu amiestu, lo que tiende a torgar la construcción en gran escala. Sicasí, los sistemes a pequeña escala pueden ser realizaos por aciu téuniques de depósitu, onde los distintos materiales son introducíos sobre un sustratu, onde se produz la reaición y la cerámica forma sobre esti sustratu.

Conformáu de los polvos

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L'oxetivu principal del conformáu ye dar forma y consistencia a la masa de polvos que dea llugar a un aumentu de la densidá y, poro, a una meyora de les propiedaes mecániques. Esisten dos formes de realizar el conformáu: por aciu l'aplicación de presión y temperatures elevaes. Cola aplicación de presión y temperatura, el procesu ye similar a si nun aplicáramos altes temperatures, pero llogramos productos más trupos y homoxéneos al empar qu'aforramos materies primes.

  • Prensado uniaxial: (en caliente o en fríu). Consiste na aplicación de presión nuna única direición hasta consiguir la compactación de los polvos cerámicos. La pieza asina conformada va tener la forma de la matriz y les superficies coles que s'aplica la presión.
  • Prensado isostático en caliente o en fríu. Consiste n'amacerar los polvos zarrándolos herméticamente en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, aplicándo-yos presión hidrostática por aciu un fluyíu que puede ser agua o aceite. El fundamentu d'esti procesu ye'l principiu de Pascal, d'esta miente consiguimos amacerar uniformemente y en toles direiciones el material.
  • Slip Casting: Encontar nel moldio por barbotina de la cerámica tradicional, por aciu el cual llogramos pieces d'espesures pequeñes utilizando moldes porosos.

Métodos basaos na sinterización

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Los principios de los métodos basaos na sinterización son senciellos: Una vegada que la materia primo ye acondicionada pal so procesamientu (fornada), ye introducida nel fornu, colo que'l procesu d'espardimientu compacta a la materia primo.

Los poros achíquense, resultando un productu más trupu y fuerte. El quemáu facer a una temperatura per debaxo del puntu de derretimiento de la cerámica. Siempres queda dalguna porosidá, pero la verdadera ventaya d'esti métodu ye que la fornada puede ser producida comoquier imaxinable, ya inclusive puede ser sinterizado. Esto facer una ruta bien versátil.

Esisten miles de posibles refinamientos d'esti procesu. Dalgunos de los más comunes arreyen primir la fornada pa da-y la densidá, la quema amenorga'l tiempu de sinterización necesariu. Dacuando, añader elementos orgánicos xunto a la fornada, que son eslleíos mientres la quema.

Delles vegaes, amiéstense llubrificantes orgánicos mientres el procesu p'amontar la densidá. Nun ye raru combinalos, amestando materia orgánico y llubrificantes a una fornada, y depués primir. (la formulación d'estos aditivos químicu orgánicos ye un arte en sí mesmu). Esto ye particularmente importante na manufactura de cerámica d'altu rendimientu, tales como les usaes pa la electrónica, en condensadores, inductores, sensores, etc.

Puede realizase un amiestu de componentes en cuenta de usar un solu polvu, y depués vertilo nel molde deseyáu, dexándolo ensugar y depués sinterizarlo. Ello ye que na alfarería tradicional ye fechu d'esta forma, usando un amiestu plástico que ye trabayada coles manes.

Si un amiestu de materiales distintos componentes ye utilizada nuna cerámica, delles vegaes la temperatura de sinterización ye mayor a la temperatura de fundición de dalgún de los sos componentes (fase líquida de sinterización). Esto xenera un periodu más curtiu de sinterización comparáu col estáu sólidu sinterizado.

Otres aplicaciones de la cerámica

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Fai un par de décades, Toyota investigó la producción d'un motor cerámicu'l cual puede funcionar a temperatures cimeres a 3300 °C. Los motores cerámicos nun riquir sistemes de ventilación y polo tanto dexen un mayor amenorgamientu nel pesu, y con esto, una mayor eficiencia nel usu de combustible. La eficiencia nel usu de combustible d'un motor ye tamién cimeru a más alta temperatura. Nun motor metálicu convencional, muncha de la enerxía xenerada dende la combustión tien de ser esbardiada como calor pa prevenir la fundición de les partes metáliques.

A pesar de toes estes propiedaes deseables, tales motores nun tán en producción porque la manufactura de partes cerámiques ye bien dificultosa. Les imperfecciones na cerámica conducen a quiebres y rompimientos. Dichos motores son facederos n'investigaciones de llaboratoriu, pero les dificultaes actuales sobre la manufactura torguen la so producción en masa.

Nuevos materiales cerámicos

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  • Xeneralmente identificada col mundu artísticu, la cerámica ye un material bien noble con aplicaciones en más árees de les que se conocen. Ye por esto qu'un grupu de científicos del Institutu Balseiro de la Universidá —con sede en Bariloche—, desenvolvió teunoloxíes pa llograr cerámicos (vítreos o vitrocerámicos) n'estáu monolíticu o capes fines, según el casu, con funcionalidades específiques nel ámbitu de la salú y de la enerxía. Respectu de la salú, la investigación desenvolvió microesferas de vidriu radiactives que se trabar nel fégadu, cerca de los tumores y que reciben la radiación que s'esprende dende ella. Pero eses microesferas tamién pueden ser utilizaes en odontoloxía, na adhesión de restauraciones d'insertamientu ríxidu, totalmente cerámiques, según detalló a Arxentina Investiga Alejandro Fernández,[ensin referencies] codireutor del proyeutu. En tantu, pa l'área d'enerxía, centrar nel desenvolvimientu de cerámicos pa la construcción de celdes de combustible capaces de convertir, en forma eficiente y llimpia, enerxía química n'enerxía llétrica.
  • Los lladriyos cerámicos impresos en 3D, constitúin un nuevu material que dexa realizar construcciones personalizaes y úniques como murios, columnes ya inclusive pa la construcción a gran escala. Los lladriyos fabríquense aproximao ente 15 a 20 minutos y, una vegada que tán duros, puédense apilar pa dar llugar a la construcción de murios, columnes y bóvedes. Quien quiera implementar na construcción con estos lladriyos 3D pueden llevar les imprentadores 3D portátiles al sitiu de la construcción y ellí mesmu crear los materiales pa la construcción. Esti tipu d'impresiones brinda la posibilidá, al arquiteutu y al contratista, de realizar cientos de ladrillo estándar o personalizaos, satisfaciendo los gustos de les persones más esixentes.
  • El mecanizado por descarga llétrica (EDM) ye un procesu utilizáu pal mecanizado de metales duros y llindáu a los materiales conductores de la lletricidá. A pesar de les sos llimitaciones, dexa producir con precisión pieces pequeñes de formes rares. L'aplicación del EDM a pieces de cerámica rique'l desenvolvimientu de nuevos materiales cerámicos electroconductores y l'integración d'una teunoloxía de procesu EDM afecha pa les cerámiques. Cola apaición de la nanoteunoloxía, los investigadores afayaron que nanopolvos formaos por partícules d'escala atómica y molecular ameyoren les propiedaes mecániques de los productos cerámicos a los que s'incorporen.

Bibliografía

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Referencies

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Enllaces esternos

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