La cerámica funcional es un nuevo tipo de cerámica desarrollado para la fabricación de tecnologías de vanguardia. Se utiliza ampliamente en la tecnología de sensores, la informática, la bioingeniería, la industria automotriz y las ciencias ambientales.
Los materiales de tierras raras tienen amplias aplicaciones para mejorar las características y el rendimiento de las cerámicas funcionales. Las tierras raras mejoran las cerámicas funcionales que responden a los efectos de la luz, la electricidad, el magnetismo, el sonido, la potencia y el calor.
Este artículo le ayudará a comprender el uso de tierras raras en la cerámica funcional. Profundicemos en el tema.
Elementos de tierras raras y su importancia:
Los elementos de tierras raras (REE) son 17 elementos de la tabla periódica con propiedades similares. Los elementos de tierras raras de la tabla periódica son:
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Lantano (La)
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Escandio (Sc)
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Cerio (Ce)
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Itrio(Y)
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Neodimio (Nd)
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Disprosio (Dy)
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Praseodimio (Pr)
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Samario (Sm)
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Gadolinio (Gd)
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Terbio (Tb)
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Europio (Eu)
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Yaterbio (Yb)
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Holmio (UE)
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Prometio (Pm)
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Lutecio (Lu)
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Erbio(Er)
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Tulio(Tm)
Estos 17 elementos son parte crucial de diversos dispositivos de tecnología avanzada. Los elementos REE se utilizan para fabricar más de 200 productos con múltiples aplicaciones.
Los REE se utilizan ampliamente en la fabricación:
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productos electrónicos de consumo,
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computadoras personales,
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discos duros,
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vehículos eléctricos (VE),
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vehículos híbridos,
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teléfonos celulares,
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televisores,
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y monitores de pantalla plana, etc.
Los materiales de tierras raras también tienen aplicaciones en la fabricación de dispositivos para sistemas de defensa, como sistemas de radar, sistemas de sonar, sistemas de guía, láseres y pantallas electrónicas.
Vale la pena mencionar que la cantidad total de materiales de tierras raras utilizados en esos productos no es significativa en comparación con su volumen, peso y valor, pero es esencial para el funcionamiento del dispositivo.
Por ejemplo, la fabricación de motores de husillo y bobinas de voz para computadoras requiere una fracción de tierras raras (TERE) menor que su peso total. Sin embargo, no se pueden fabricar sin ellas.
China posee actualmente entre el 60 % y el 70 % de las tierras raras del mundo. A principios de 1990, la producción, el suministro y la exportación de tierras raras se convirtieron en un asunto de interés nacional. Posteriormente, China comenzó a reducir las tierras raras que vendía en el extranjero.
Ahora, China ha restringido las exportaciones de siete materiales de tierras raras, considerando sus aplicaciones y disponibilidad.
¿Qué son las cerámicas funcionales?
Las cerámicas funcionales son tipos de cerámica desarrollados para ofrecer cualidades superiores a las de las cerámicas tradicionales y estructurales. Se utilizan ampliamente en ingeniería magnética, eléctrica y óptica.
Presentan una enorme diversidad en su estructura, composición y propiedades. Pueden utilizarse para diversos fines tecnológicos.
La preparación de cerámica funcional requiere un largo sistema de procesamiento que incluye procesamiento de materias primas, formulación, mezcla y molienda, deshidratación, presíntesis, molienda, granulación, conformación, sinterización y electrodeposición.
Este riguroso método de procesamiento de la cerámica funcional ayuda a mantener sus propiedades, como magnéticas, eléctricas, térmicas, ópticas, fotoeléctricas, interfaciales, mecánicas, de transporte, termodinámicas, termoeléctricas, ferroeléctricas, bioactivas, biocompatibles y electroquímicas.
Uso de tierras raras en cerámica funcional:
REE para cerámicas superconductoras: Las cerámicas superconductoras son materiales cerámicos que presentan propiedades de conducción a temperaturas extremas. Estos materiales carecen de diamagnetismo y presentan resistencia cero. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO y BaPbBi son algunas de las cerámicas superconductoras más utilizadas. Estas composiciones están compuestas por tierras raras.
Las tierras raras aumentan la densidad de corriente crítica de la cerámica y optimizan su rendimiento en campos magnéticos. Los superconductores pueden transportar electricidad sin perder energía y repeler los campos magnéticos. Por lo tanto, el campo magnético no puede atravesarlos.
Los principales sectores de uso de cerámica superconductora incluyen sistemas de purificación de agua, fabricación de supercomputadoras, fabricación de trenes de levitación magnética y sistemas de transmisión y distribución de energía.
REE para cerámica óptica: Los elementos de tierras raras son un componente esencial de la cerámica óptica. Esta cerámica es un tipo de cerámica funcional especial, transparente y capaz de transmitir la luz visible.
La producción de cerámica transparente requiere materiales ultrafinos puros o cristales equiaxiales con ejes cristalinos de alta calidad. Este cristal constituye la fase transparente principal y se produce mediante un riguroso proceso de sinterización con una cantidad fija de aditivos modificadores.
Las tierras raras ajustan el color, la luz, minimizan el tamaño y aumentan la eficiencia energética de la cerámica óptica.
Algunos ejemplos de cerámicas ópticas utilizadas habitualmente son la alúmina, el trióxido de itrio (Y2O3), el zirconato titanato de plomo y lantano (PLZT), la alúmina, el óxido de calcio, la magnesia y el óxido de torio (ThO2).
REES para cerámica magnética: La cerámica magnética está compuesta por uno o varios elementos metálicos. El hierro es el elemento principal de la cerámica magnética. La cerámica de ferrita es un nombre popular para la cerámica magnética.
La ferrita es un semiconductor con mayor resistividad que los metales magnéticos convencionales. Presenta una pequeña pérdida por corrientes parásitas.
Los materiales cerámicos magnéticos se dividen en dos categorías según su uso: materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros. Los materiales magnéticos duros son muy difíciles de magnetizar y desmagnetizar. Se utilizan en dispositivos de almacenamiento magnético e imanes, y están compuestos por imanes de tierras raras e imanes de ferrita.
Por el contrario, los materiales magnéticos blandos son propensos a la magnetización y pueden magnetizarse o desmagnetizarse fácilmente. La dirección del flujo magnético en estos materiales blandos también puede alterarse. Los materiales magnéticos blandos se utilizan comúnmente en componentes electrónicos que deben reaccionar a campos magnéticos variables.
Existen tres tipos de cerámicas magnéticas según su estructura cristalina: las ferritas hexagonales, las espinelas y las ferritas de granate. La ferrita de granate se utiliza principalmente en cerámicas funcionales. Se emplea en campos magnéticos de frecuencia extrema por su alta resistividad y mínima pérdida de alta frecuencia.
REEs para cerámica piezoeléctrica: Las cerámicas piezoeléctricas son cerámicas funcionales que poseen un efecto piezoeléctrico. Las tierras raras mejoran el rendimiento de sinterización, las propiedades eléctricas y el coeficiente piezoeléctrico de estas cerámicas.
El efecto piezoeléctrico se refiere a la capacidad de un material de crear una carga eléctrica al aplicarle tensión mecánica. El efecto piezoeléctrico es de dos tipos: positivo y negativo. Cuando la tensión crea una carga eléctrica, se denomina efecto piezoeléctrico positivo, y cuando la tensión la genera la carga eléctrica, se denomina efecto piezoeléctrico negativo.
El titanato zirconato de plomo, el titanato de bario y el titanato de plomo se utilizan principalmente como cerámicas piezoeléctricas. Se conocen como cerámicas piezoeléctricas de tipo perovskita.
Como se mencionó anteriormente, la mayoría de las cerámicas superconductoras tienen como componente básico tierras raras (REE). Por ejemplo, la cerámica de óxido superconductora de itrio, bario y cobre (YBCO) está compuesta de itrio y tierras raras. Presenta una estructura cristalina equiaxial con una fórmula molecular M₃(Fe₄O₂).
Además, las tierras raras también se utilizan como aditivos en cerámicas funcionales. Al añadirlas, se mejora considerablemente su resistencia, densidad y cohesión.
Preguntas frecuentes:
¿Qué son los metales de tierras raras?
Los metales de tierras raras son un grupo de 17 elementos, incluidos 15 lantánidos, escandio e itrio.
Se utilizan ampliamente en electrónica de consumo, equipos médicos, vehículos eléctricos (VE), refinación de petróleo, motores de aeronaves, aplicaciones militares, sistemas de radar y misiles.
¿Cuál es el metal más raro del universo?
El metal más raro del universo en su estado estable es el tantalio. Aunque el francio se considera el metal más raro, no tiene estado estable ni uso.
¿Cuál es el metal más raro del mundo?
El lantano se considera el metal más raro del mundo.
¿Cómo definir los metales de tierras raras?
Los metales de tierras raras se definen como un grupo de 17 elementos raros, 15 de ellos conocidos como la serie de los lantánidos en la tabla periódica, y los otros dos son el itrio y el escandio.
¿Qué son los lingotes de metales raros?
Los lingotes de metales raros son barras refinadas hechas de metales poco comunes, como platino, paladio y rodio. Son raros en la naturaleza y tienen diversas aplicaciones industriales.
Conclusión: Las tierras raras tienen múltiples usos en la cerámica funcional, tanto como elementos básicos como complemento para aumentar su rendimiento. Aportan propiedades excepcionales a estas cerámicas.
El uso de minerales de tierras raras con cerámicas funcionales los ha convertido en un elemento esencial de las tecnologías avanzadas modernas.