Ceramicas avanzadas

Ing. Procesos Cerámicos

Mayo de 2007 Ingeniería en Materiales Instituto Tecnológico de Chihuahua

DEFINICIÓN: Materiales no tradicionales fabricados a partir de materias primas puras mediante nuevos procesos que permiten la obtención de productos con propiedades definidas tales como: mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos, a las altas temperaturas, a la corrosión, entre otras.

Los cerámicos avanzados están diseñados para optimizar las propiedades mecánicas. 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. 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 microestructura y propiedades requeridas.

Conocimiento profundo requerido para el desarrollo de la cerámica avanzada

Termodinámica

Equilibrio de fases

Desarrollo de la cerámica avanzadas

Cinética Estructuras cristalinas de sólidos inorgánicos

Los productos se obtienen a partir de procesos químicos con reactivos de alta pureza o minerales naturales refinados como materia prima.

DIFERENCIAS DE CERAMICOS TRADICIONALES Vs AVANZADOS Estos difieren de los tradicionales en: * El tipo de materia prima empleada. * Tipo de proceso. * Pureza química * Tamaño de partícula * Propiedades * Aplicaciones * Métodos de conformado, sinterizado y acabado

Los materiales cerámicos -Juegan un papel importantísimo en nuestra vida diaria -Se les encuentra en diversas formas -Casi todo lo que hacemos nos pone en contacto con ellos

Aislantes eléctricos, partes de televisores, relojes, imanes, ingredientes de cosméticos, navajas, computadoras, impresoras, articulos deportivos, componentes electrónicos, etc.

Diversos tipos de materiales cerámicos avanzados Mecanizado Laboratorio y cocción

Material de laboratorio y accesorios de coccion industriales, piezas y crisoles de Alumina, circonia,mullita, circon y cordierita

Diamante, CBN, Borazon Herramientas e spe cia les de diamante

Mecanizado de alta pr esición de cerámica de todo tipo de materiales duros como diaman te,B4C, B N, Zafiro, S iC,Si3 N

Fabricación de com ponentes ce rámicos de Alumina, Alumina – Circonia, Mullita, Circon, Titanato de Aluminio, a sí como m ater iales compue stos.

Aplicaciones que requieran resistencia al desgaste por abrasión o al ataque químico Es un campo en donde las cerámicas pueden proporcionar soluciones en condiciones extremas, la resistencia de las cerámicas avanzadas es incluso Particularmente eficaz cuando se combinan abrasión y ataque químico.

Las cerámicas avanzadas proporcionan superficies con alto grado de pulido (microrugosidad baja hasta 0.01 Ra) con dureza elevada (menor a 9 escala de Mohs.), se logra así una gran resistencia a la abrasión evitando un exesivo desgaste de otros materiales y componentes

Comienza en Francia en 1902 con la llegada de los rubíes sintéticos

La Historia

Avances en la Química

Electricidad

Los átomos como los bloques constructores de la materia. Relación microestructura-propiedades y composición química. Síntesis de materias primas artificiales

Generación y almacenamiento y su relación con los cerámicos. Materiales aislantes.

Elementos Clave

Gemas preciosas

monocristales • láseres • comunicaciones

Al2O3, ZrO2

Hornos de alta temperatura Automovil- bujía Procesamiento de polvos abrasivos Alúmina productos de lab sellos, blindajes

CARACTERÍSTICAS Utilización

de

materias

primas de alta pureza,

producidas a su vez por una industria química altamente sofisticada. Procesos de fabricación cada vez más complejos, debido a la marcada relación estructura-propiedades. Volúmenes de fabricación mucho más pequeños; pero

con alto valor agregado.

CLASIFICACIÓN Los cerámicos avanzados se pueden dividir en: 1.Cerámicos estructurales o ingenieriles

2.Cerámicos electrónicos y eléctricos 3.Recubrimientos cerámicos

4.Cerámicos ambientales y de procesamiento químico.

PROPIEDADES ESPECIALES DE CERAMICAS AVANZADAS • • • • • • • • • •

Alto grado de dureza. Constante dieléctrica “a la medida”. Alto coeficiente piezoeléctrico. Resistencias mecánicas a altas temperaturas. Conducción rápida de iones. Bajo peso por volumen. Alta permeabilidad magnética. Transparencia óptica. Alto punto de fusión. Resistencia a la corrosión.

PRINCIPALES CERÁMICOS AVANZADOS ALÚMINA (Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia.

NITRURO DE ALUMINIO (AIN):

Proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta conductividad térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.

CARBURO DE BORO (B4C): Es muy duro y aún así extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas. LA URANIA (UO2): Utilizado como combustible de reactores nucleares.

CARBURO DE SILICIO (SiC): Tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos a temperaturas extremas.

NITRURO DE SILICIO (Si3N4):Los nuevos cerámicos como el Nitruro de Silicio presentan alta resistencia mecánica, resistencia al choque térmico y elevados puntos de fusión. Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales. Industrias: aviación, eléctrica, médica, petrolífera, marítima, química, alimentos, aeroespacial, militar.

Turbinas de gas

(2500ºF, 10000 h)

Herramientas de corte (300 in3/min)

Balines y componentes para baleros

SIALÓN: Se forma cuando el aluminio y el oxígeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansión térmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. El sialón puede encontrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.

BORURO DE TITANIO (TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Además tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la alúmina, son aplicaciones en la producción de blindajes.

NITRURO DE BORO

Entre sus propiedades, caben citarse: Excelente lubricación y capacidad de desmoldeo, aislamiento eléctrico, resistencia a altas temperaturas,excelente mecanizado,baja interacción con materiales fundidos. Algunas aplicaciones del nitruro de boro son:Piezas de motores,turbinas de gas, herramientas de corte,rodillos, piezas anti-desgaste, etc.

LOS CERAMICOS AVANZADOS

ESTRUCTURALES

Las propiedades mecánicas de los cerámicos derivan de la manera en la cual sus átomos están enlazados

COMPRESION

FLEXION

Los cerámicos son buenos en compresión

Pero no en flexión y tensión TENSION

Los cerámicos son buenos en compresión, pero no en flexión y tensión

Dureza sorprendente y Estabilidad

La circonia (ZrO2) TTZ y sus derivados tienen tenacidades elevadas y dureza sorprendentes, se le ha llamado el “ácero cerámico”. USOS Tijeras Navajas Botones Insertos para herramientas de corte Partes de bombas Herramientas para fabricación de alambre Dados de extrusión Reemplazos de cadera

La circonia TTZ es resistente al desgaste y a la corrosión. Se deforma como los metales pero es menos frágil que los cerámicos como el vidrio.

APLICACIONES MECÁNICAS • Herramientas de corte (Al2O3, TiC, TiN, C-BN, WC) • Materiales resistentes al desgaste (Al2O3, ZrO2, B4C, diamante) • Materiales resistentes al calor (SiC, Al2O3, Si3N4) • Sialón • C, MoS2, BN, como lubricantes sólidos.

FIBRAS CERÁMICAS Y COMPÓSITOS

Las fibras son 20 veces más resistentes que un cerámico en bulto. Vidrio, carburo de silicio, carbón, alúmina, etc.

Un Boeing 757 contiene más de 3000 libras de un compósito resina-carbón. Mientras que un bombardero B2 contiene más de 50000 libras. COMPOSITOS: Metal-cerámico, polímero cerámico, cerámico-cerámico

Concreto reforzado tuberías tanques de alamacenamiento skies botes fuselajes de avión raquetas partes de automóviles aspas de helicópteros cohetes partes del Space Shuttle

LOS CERAMICOS AVANZADOS

FUNCIONALES

Propiedades ópticas

Transparencia (refracción) Color Fosforescencia Electroluminiscencia

¿ De qué dependen ?

¡ De la interacción de los electrones con la radiación electromagnética !

Aplicaciones Ópticas • • • • •

Anteojos protectores Lámparas de vapor de sodio Disparadores para cámaras Switches de transferencia para fibras Impresoras ópticas

Aplicaciones Ópticas Principales Cerámicos Funcionales – (Pb, La) (Zr, Ti)O3, mejor conocido como PLZT – Alúmina – Magnesia – Ytria

Fibras ópticas

Una revolución en las comunicaciones

• Dos

fibras ópticas, más delgadas que un cabello, pueden transmitir 625 000 llamadas al mismo tiempo. Estas son de vidrio. • Un cuarto de libra de fibra óptica transmiten la misma información que dos y media toneladas de cobre. • Las fibras ópticas son tan fuertes que 1 cable de una pulgada de diámetro puede levantar 216 elefantes de 6 toneladas cada uno (130 000 tons). • Desde 1976 se ha instalado una cantidad enormede fibra óptica en el mundo, suficiente para recorrer la distancia de la tierra a la luna 160 veces. • Una fibra óptica puede reterner solo el 1% del impulso luminoso inicial por más de 100 km.

¿ Qué otras aplicaciones se derivan de las propiedades ópticas de los cerámicos ? Fosforescencia- el material brilla debido a la excitación por luz u otro tipo de radiación. Los electrones pasan a otro nivel de energía, pero regresan a su estado basal rapidamente.

ElectroluminiscenciaProducción de luz por presencia de un campo eléctrico.

Radar, sonar, lámparas

Paneles de automóviles, celulares, diodos semiconductores emisores de luz.

Estos aparatos contienen una lámpara EL en forma de láminas y películas delgadas.

LASER (rubí)- Light Amplif. by Stimulated Emission. Monocromático y coherente. Una de las más importantes invenciones del siglo XX.

Fibras ópticas, cortes, tratamientos térmicos, sistemas de guía, dispositivos de medición, holografía, lectores de códigos de barras, entretenimiento, lectores de CD, medicina.

Otras aplicaciones (interacción cerámico-radiación electromagagnetica) Visión nocturna

Mapeo de Temperatura Medicina

Vidrios fotocrómicos

Astronomía

En el futuro las fibras ópticas combinadas con la electro-óptica dominarán las telecomunicaciones. Se utilizarán las fibras ópticas y los láseres en muchas aplicaciones de rutina en medicina,especialmente en cirugía. La fotónica reemplazará a la electrónica.

Se comercializarán las computadoras cuánticas.

Aplicaciones Eléctricas y Electrónicas • • • • • •

Materiales aislantes de la electricidad Materiales piezoeléctricos Materiales pirroeléctricos Materiales ferroeléctricos o dieléctricos Semiconductores Conductores iónicos

Aplicaciones Eléctricas y Electrónicas Principales Cerámicos Funcionales – – – –

Alúmina (Al2O3) Carburo de Silicio (SiC) Titanato de Bario (BaTiO3) Sistemas de tatanato de plomo-zirconato de bario (PbTiO3-PbzrO3) – Óxido de Zinc – Alúmina beta – Zirconia (ZrO2)

Los cerámicos responden a la electricidad de diferentes maneras

Aislantes Eléctricos Capacitores Resistores Semiconductores Conductores eléctricos Superconductores Piezoeléctricos Chips de silicio

Previenen el paso de la electricidad por un alambre. Almacenan electricidad y filtran señales eléctricas. Permiten el paso de la electricidad con dificultad. Funcionan como “puerta” controlando el flujo de electricidad. Permiten el paso de electricidad. Permiten el paso de electricidad sin resistencia. Convierten la presión en electricidad. Son el cerebro de un microprocesador para circuito integrado de computadora y otros dispositivos electrónicos. Termistores Exhiben cambios en resistencia eléctrica con el cambio en la temperatura. Varistores Exhiben cambios en resistencia eléctrica con cambios de voltaje.

capacitores

aislantes

Al2O3, diamante BaTiO3, dieléctricos superconductores

YBa2Cu3O7-x (Bi,PB)2Sr2Ca2Cu3Ox

CERÁMICOS PIEZOELECTRICOS Piezo(presión) electricidad- al aplicar presión aún hablando o respirando el material produce un pulso eléctrico y viceversa.

Detectar vibraciones como ondas sonoras. Aplicarles una corriente alterna (toma), para producir vibraciones. Aplicar una corriente directa (batería) obtiendo movimiento o cambio de forma Al aplicar un impulso eléctrico se puede producir sonido o crear movimiento para medir el tiempo. Producir chispas eléctricas por una presión controlada para quemar combustible. Remover vibraciones

Resonadores dieléctricos

Materiales dieléctricos

PRODUCTOS Y USOS Filtro cerámico/discriminador

Filtros dieléctricos de microondas

Micrófonos Altavoces Sonares Mapeo del piso del oceano Limpiadores ultrasónicos Motores y transformadores Sensores Balanceadores para llantas Relojes de cuarzo Alarmas Instrumentos musicales Tarjetas musicales Encendedores Equipos médicos de imágenes

Transductores

Ceramic Filter

Los Cerámicos y la Era Electrónica

Los cerámicos revolucionaron la electrónica y nuestra vida diaria. El principal mercado para los cerámicos está en la electrónica y se estima en más de 15 trillones de dólares por año.

Un circuito integrado contiene 16 millones de transistores, además de aislantes, resistores, conductores y otros dispositivos electrónicos.

Los cerámicos y los Circuítos Integrados

¿ Cómo se fabrican ? Cada dispositivo mide alrededor de 500 nm Se fabrican por capas sobre la superficie de un monocristal de sílice Un chip puede contener hasta 20 capas Un edificio de 20 pisos con miles de cuartos Cada cuarto con intalaciones y equipos eléctricos Todos conectados a la red de electricidad del edificio Otros circuito son las tuberìas y los corredores y puertas Si se comprime este edificio al espesor de una uña sin dejar espacio alguno, se tendrá un chip

Aplicaciones Magnéticas • Imanes de ferrita para núcleos magnéticos de memoria

Aplicaciones Magnéticas Principales Cerámicos Funcionales – Suaves • Espinelas (NiFe2O4) • Granates (Y3Fe5O12)

– Duras • Plumbita magnética (BaFe12O12)

CERÁMICOS MAGNÉTICOS

La historia moderna comenzó en 1946 con el descubrimiento de las ferritas de bario por Phillips. Existen dos clases de cerámicos magnéticos duros y blandos. Sus aplicaciones son múltiples y su mercado es mayor que el de los cerámicos electrónicos. Televisión, radio Teléfonos, comunicaciones Sistemas de encedido electrónico Transformadores Disco de alta velocidad Cabezas de registro magnético Discos flexibles Motores eléctricos Accesorios de potencia para autos Bocinas Aceleradores de partículas Sensores Actuadores

Aplicaciones Químicas • Sensores cerámicos (sensores para gases y humedad) • Catalizadores (como la zeolita)

Aplicaciones Químicas Principales Cerámicos Funcionales – – – –

SnO2 ZnO MgCr2O4 TiO3

MATS. CERÁMICOS QUIMICAMENTE ACTIVADOS

• Producción de energía, celdas de combustible de óxido sólido • Compuestos de intercalación, baterias recargables de ion-litio • Sensores cerámicos de gas, para monitorear O2, CO, NOx y emisiones de hidrocarburos. • Perovskitas para membranas de gas • Zeolitas y arcilla usadas en la refinación del petróleo • Soportes catalizadores de alúmina y óxido de cerio empleados en automóviles

APLICACIONES TÉRMICAS • Refractarios estructurales (Al2O3) • Radiador infrarrojo (cerámica de ZrO2, TiO2) • Substratos (BeO) • Refractarios varios (SiC, Si3N4, -BN, C) • Aislantes térmicos (C,SiC)

APLICACIONES NUCLEARES • Combustibles nucleares (UO2, UO2PuO2, UC) • Recubrimientos (C, SiC, B4C) • Materiales para coraza (SiC, Al2O3, C, B4C) • Moderador (BeO)

LOS CERÁMICOS Y LA MEDICINA Reemplazo y reparación Diagnóstico Tratamiento/terapia

PRODUCTOS Y USOS

MATERIALES

Reparación de dientes y quijadas Implantes Reparación de hueso Implantes de oído medio Válvulas del corazón Ojos artificiales Prótesis

Biovidrio Hidrohiapatita Circonia Alúmina Titania Biocementos

Elementos Clave y Materiales Para que el implante sea exitoso se requiere que éste realice la misma función de la parte dañada y también que sea biocompatible. Algunos cerámicos y el vidrio son los más biocompatibles, éstos se conocen como biocerámicos.

Entre los biocerámicos más utilizados se encuentra el biovidrio, la hidroxiapatita, alúmina y circonia. La porcelana dental es muy utilizada en implantes dentales. Otros cerámicos son el coral (Pro Osteon) y compósitos reforzados con fibras.

Aplicaciones Biológicas • Aplicaciones ortopédicas para la reparación o sustitución de huesos y articulaciones • Aplicaciones dentales para la reparación o sustitución de dientes

Frenos (Brackets) metálicos

Frenos (Brackets) cerámicos

Reemplazo de cadera

Reemplazos del oído interno por biovidrio

LOS CERÁMICOS Y LA ENERGIA

Fibras de Vidrio- Aislantes térmicos Vidrios doble panel- Permite el paso de la luz pero no del calor. Lámparas de sodio alta presión. Autopistas, durables y mas luminosas. Tubo de arco de alúmina (sodio+mercurio). Temp. 2000°C Alúmina = resist. temp. y corrosión, alta presión, transparente.

Intercambiadores de calor (SiC) Energía solar (SiO2) Plantas nucelares (oxido de uranio y plutonio)

CELDAS DE COMBUSTIBLE Plantas productoras de energía tienen baja eficiencia Electrones están disponibles directamente por medio de una reacción química. Son más eficientes que las plantas que utilizan combustibles fósiles. (60% comparadas a 35%). Si se utiliza el calor generado-hasta 80% eficiencia.

Son mucho menos contaminantes. El electrolito es circonia dopada. El O2viaja por el electrolito. Se utiliza en un circuito y calor para generar iones oxígeno.

APLICACIONES DE ALTA TECNOLOGIA Componentes de Sist. Elect. Controles industriales Telecomunicaciones Industria militar y aeroespacial Equipos médicos Bipers Celulares Computadoras Telescopio Espacial Hubble Fuentes de potencia Magnetoresistencia Colosal Efecto Hall Regitro magnetoóptico Semiconductores Magnéticos

Cerámicos de Alta Tecnología

Componentes de automotor (Kyocera)

El ideal de fabricar un motor hecho exclusivamente con componentes cerámicos aún no es una realidad, pero algunos motores contienen componentes cerámicos como los rotores turbo, lámparas y termostatos de cerámica resistente. Son más resistentes al calor, permitiendo que el combustible se encienda a más altas temperaturas. Esto conduce al incremento de la eficiencia en la combustión, rebajando el consumo, así como disminuyendo las emisiones contaminantes y ruidos.

Altavoces (Shinsei) Los altavoces hechos con cerámicas piezoeléctricas vibran cuando las pulsiones eléctricas son remitidas a ellos. Se pueden hacer pequeños, delgados y ligeros, pero serán suficientemente potentes. Cuando estos dispositivos se implantan en paneles cuya superficie puede vibrar, como por ejemplo, cristal, o pared, se convierte en un altavoz. Estos han sido fotografiados al lado de lapiceros para que se vea los pequeños que pueden llegar a ser.

Desodorante textil antibacteriano (ShinShu Ceramics) Este material textil ha sido tejido con material cerámico que posee un efecto foto catalizador. Este nuevo tipo de textil, llamado mairaifu, es integrado en toallas, calcetines o camisetas, debido a su poder antibacteriano y desodorante.

Dispositivo de diagnóstico por ultrasonidos (Aloka) Este dispositivo, con propósitos de diagnóstico, puede describir formas en el interior del cuerpo sin causar daños ni dolor. El dispositivo transmite ultrasonidos y recepciona ondas. La parte más importante de este dispositivo es la prueba (foto en círculo) hecha con cientos de diminutas piezas piezoeléctricas de cerámica. La señal eléctrica de las ondas reflejadas, capturadas por el dispositivo probador puede mostrar en detalle un feto chupándose un dedo.

Componentes de una turbina de gas (Nissan Motor) Los investigadores han hecho bastante camino en el desarrollo de los componentes cerámicos para turbinas de gas utilizadas en la generación de electricidad, o al menos en cuanto a los componentes expuestos a la combustión de gases a altas temperaturas. Si estos componentes aguantan tan altas temperaturas será ventajoso usarlos — las turbinas de gas normales son sometidas a temperaturas de unos 900 °C, con una eficiencia energética de sólo el 20%, pero puede ser elevado al 40% aumentando la temperatura a 1.350 °C. Los componentes cerámicos son presentados en los cuadrados rojos.

Tasa de Té (Kyocera) Esta tasa de té, gyokuji, está hecha con corindón cristalizado en polvo, sinterizado a ultra altas temperaturas en una bomba neumática, limado con diamante en polvo y, posteriormente, decorado utilizando técnicas de la cerámica Satsuma. El aspecto es tradicional, aunque el método es de cerámica avanzada. Bello e irrompible.

“Huevo” desodorante antibacteriano (IT) Este “huevo foto catalítico” está hecho con un material cerámico que tiene efectos foto catalíticos y otro material cerámico poroso. Los “huevos” se cuecen en horno, utilizando técnicas tradicionales de la cerámica Seto. Debido a su efecto antibacteriano y desodorante son muy útiles en el baño y la nevera.

Hueso artificial (Toshiba Ceramics) El componente principal del hueso natural es la hidroxiapatita, material que puede fabricarse artificialmente y ser procesado en un sustituto poroso de hueso llamado “Neo hueso”. El cuerpo humano acepta fácilmente la prótesis y con el tiempo se forma tejido alrededor de ello.

Azulejo Interior/Exterior (TOTO) Azulejos con material cerámico, óxido de titanio, pintados. Cuando la luz se refleja en los azulejos produce un efecto foto catalítico que esteriliza y desodoriza. Las manchas se quitan fácilmente, ya que el material favorece la solubilidad en agua. En la actualidad estos azulejos se utilizan para suelos y paredes de salas quirúrgicas y como “ladrillo vista” en las fachadas de los edificios.

Objetos de oficina (Kyocera) La cerámica es más ligera que el metal, por lo que las tijeras de cerámica son más agradables de usar. Además, se mantienen más tiempo afiladas. También las puntas de los bolígrafos en cerámica duran más y producen líneas más finas, con una escritura más suave.

Utensilios de cocina (Kyocera) Los cuchillos de cocina en cerámica son muy populares por su capacidad anticorrosiva, afilados durante más tiempo y no transmiten a los alimentos olor metálico. También se fabrican cortadoras, peladoras y ralladores de cerámica.