La cerámica está formada por mezclas de arcilla, elementos terrosos, polvos y agua, solidificados en formas o figuras deseadas.
Se han utilizado durante miles de años en diversas aplicaciones, desde la cerámica hasta soluciones de ingeniería avanzada. Gracias a sus propiedades mecánicas y físicas únicas, la cerámica se utiliza en diversas industrias, como la construcción, la medicina, la automoción y la ingeniería aeroespacial.
El artículo de hoy se centra en la cerámica, comenzando por cómo la definimos, cuáles son sus propiedades y sus ventajas. ¡Vamos directo al grano!
Definición de cerámica: ¿Qué es la cerámica?
Título de la imagen: ¿Qué es la cerámica?
Desde un punto de vista científico, la «cerámica» es un material inorgánico no metálico. La cerámica tiene propiedades diferentes a las de... manta En textiles. La cerámica se fabrica mediante calentamiento, sinterización, compactación y solidificación.
Normalmente, las cerámicas ofrecen una combinación de dureza, estabilidad térmica y resistencia química, lo que las hace útiles en muchos campos tecnológicos.
Generalmente diferenciamos dos tipos de cerámica, en función de su uso:
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Cerámica tradicional
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Cerámica avanzada
La cerámica tradicional se compone de elementos naturales o terrosos como feldespato, cuarzo, arcilla, etc. Se utiliza en numerosos artículos domésticos cotidianos, como jarras, jarrones, macetas, jardineras, artículos de construcción, azulejos, vajillas, etc., creados mediante el proceso de moldeo húmedo. Una característica distintiva de su microestructura es que no es tan uniforme ni lisa como en el caso de la cerámica avanzada. Además, la microestructura varía según la composición de la arcilla.
Las cerámicas avanzadas son nuevos tipos de cerámica fabricados a partir de compuestos inorgánicos de alta pureza, sintetizados artificialmente y bajo estricto control mediante moldeo, sinterización y otros tratamientos necesarios. Están diseñadas para un alto rendimiento con propiedades como resistencia al desgaste, solidez, extrema tenacidad y resistencia térmica y química.
Composición del material cerámico
La cerámica se fabrica a partir de combinaciones de diversas sustancias, como arcilla, agua y algunos aditivos en polvo para mejoras específicas, entre otros. Las propiedades mecánicas, térmicas y químicas de la cerámica varían según el tipo y la proporción de las materias primas mezcladas en composiciones específicas. Esta composición específica de las mezclas, a su vez, determina las propiedades y aplicaciones específicas de la cerámica final.
Leyenda de la imagen: Microestructura de la cerámica
Ingredientes clave
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Arcilla: Estos proporcionan plasticidad y permiten dar forma fácilmente a la cerámica antes de la cocción.
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Sílice (SiO₂): Un componente importante de muchas cerámicas, contribuye en gran medida a la dureza y la resistencia térmica de las cerámicas.
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Alúmina (Al₂O₃): Aditivo para alta resistencia, resistencia al desgaste y estabilidad térmica.
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Zirconia (ZrO₂): Se utiliza principalmente para cerámica estructural, conocido por añadir tenacidad.
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Carburos y nitruros: Como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de boro (BN), que proporcionan alta resistencia al desgaste y estabilidad térmica.
Tipos de materias primas
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Natural: Arcilla, feldespato, cuarzo, caolín y otros minerales extraídos de la tierra.
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Sintético: Alúmina, zirconio, carburo de silicio y materiales de ingeniería diseñados para aplicaciones de alto rendimiento.
Tipos de cerámica
Los distintos tipos de cerámica se clasifican en varias categorías, principalmente en función de su composición química y aplicación.
Cerámica de óxido
Las “cerámicas de óxido” están compuestas de óxidos metálicos como aluminio (Al), circonio (Zr), titanio (Ti), magnesio (Mg), etc., y son conocidas por su alta estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y propiedades de aislamiento eléctrico.
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Ejemplos: Alúmina (Al₂O₃), Circonita (ZrO₂)
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Aplicaciones: Implantes biomédicos, refractarios, herramientas de corte y aislantes eléctricos.
Cerámica de carburo
Las cerámicas de carburo están compuestas por átomos de carbono unidos a metales. Se procesan mediante un proceso de sinterización. Gracias a sus propiedades como dureza extrema, resistencia al desgaste y estabilidad térmica, se utilizan como materiales de alto rendimiento en ingeniería avanzada.
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Ejemplos: Carburo de silicio (SiC), carburo de boro (B₄C)
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Aplicaciones: Abrasivos, placas de blindaje, componentes de alta temperatura y componentes semiconductores.
Cerámica de nitruro
Las cerámicas de nitruro contienen átomos de nitrógeno y enlaces metálicos con metales. Son conocidas por su resistencia a altas temperaturas, excelente resistencia mecánica y buenas propiedades eléctricas.
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Ejemplos: Nitruro de silicio (Si₃N₄), nitruro de boro (BN)
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Aplicaciones: Aeroespacial, rodamientos, componentes electrónicos y aplicaciones de alta temperatura.
Propiedades únicas de la cerámica
Como se mencionó anteriormente, las propiedades de la cerámica dependen de su composición específica y de su microestructura atómica. En general, los materiales cerámicos suelen ser:
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Alta dureza
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Resistente al desgaste
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Resistente a la corrosión
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Buen aislamiento térmico y eléctrico
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Antiferromagnetismo (es decir, de naturaleza no magnética)
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Resistente a la oxidación
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Inerte y químicamente estable
Propiedades mecánicas de los materiales cerámicos
Leyenda de la imagen: Propiedades físicas de la cerámica
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Resistencia al desgaste y alta dureza: La cerámica posee alta dureza y gran resistencia al desgaste. Esto la hace muy útil para la fabricación de herramientas de corte eléctricas y sustancias abrasivas. Por ejemplo, el carburo de tungsteno (WC), una cerámica de carburo, se utiliza ampliamente en brocas y herramientas de corte industriales.
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Baja ductilidad y fragilidad: Científicamente hablando, la ductilidad es la capacidad de un material para deformarse permanentemente sin romperse al estirarse. A diferencia de la mayoría de los metales, la cerámica no presenta deformación plástica simplemente debido a su baja resistencia a la tracción. Esto significa que la cerámica se deforma al aplicar tensión, debido a su naturaleza frágil. Es vulnerable a la rotura en lugar de a la deformación. Incluso la presencia mínima de microfisuras en la cerámica puede causar una concentración repentina de tensión, lo que provoca una fractura frágil. Sin embargo, existen algunas cerámicas que son dúctiles a temperatura ambiente, como el MgO, el SrTiO₃, etc.
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Alta resistencia a la compresión: En general, las propiedades de la cerámica le permiten soportar cargas de compresión extremas, lo cual resulta muy útil en aplicaciones estructurales. Esta propiedad permite su uso en el sector de la construcción.
Propiedades térmicas de los materiales cerámicos
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Conductividad térmica: En general, la cerámica presenta una baja conductividad térmica. Estas propiedades se utilizan especialmente en procesos que requieren aislamiento térmico o resistencia a temperaturas extremas. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de cerámica refractaria se utilizan en hornos y calderas, actuando como aislantes. Sin embargo, algunas cerámicas (p. ej., carburo de silicio (SiC) o nitruro de aluminio (AlN)) presentan una alta conductividad térmica, lo que las hace útiles para la disipación de calor (electrónica, intercambiadores de calor).
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Puntos de fusión altos: Como se mencionó anteriormente, la cerámica tiene un alto punto de fusión, lo que permite una buena tendencia operativa en configuraciones de alta temperatura.
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Mala resistencia al choque térmico: La resistencia al choque térmico se refiere a la capacidad de cualquier material para soportar cambios bruscos de temperatura. La mayoría de las cerámicas, especialmente las tradicionales, presentan baja resistencia al choque térmico. Esto significa que son vulnerables al agrietamiento por cambios bruscos de temperatura.
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Baja expansión térmica: Algunas cerámicas presentan una expansión mínima con los cambios de temperatura (p. ej., la sílice fundida), lo que favorece la estabilidad dimensional. Sin embargo, existen excepciones a esta propiedad. Algunas cerámicas sí presentan una alta expansión térmica, como la zirconia (ZrO₂), que se expande significativamente con los cambios de temperatura.
Propiedades químicas de los materiales cerámicos
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Alta resistencia a la corrosión: La mayoría de las cerámicas son muy estables químicamente y son inertes a la naturaleza. Esto refuerza su alta resistencia química a ácidos, álcalis y otros entornos agresivos. Además, son inherentemente resistentes a la corrosión.
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Naturaleza inerte: Su inercia a factores ambientales como la humedad, el calor, etc., los hace ideales para aplicaciones biomédicas y de procesamiento químico. La hidroxiapatita biocerámica se utiliza en injertos óseos, ya que no reacciona con los fluidos corporales. De igual manera, la zirconia (ZrO₂), una cerámica resistente a la corrosión, se utiliza en plantas de procesamiento químico de todo el mundo.
Aplicación de materiales cerámicos
Aplicaciones biomédicas
Como las cerámicas poseen propiedades útiles como biocompatibilidad, resistencia y resistencia al desgaste, se utilizan activamente en implantes médicos.
Algunas de las aplicaciones son:
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Prótesis e implantes (debido a su biocompatibilidad, se utilizan en implantes de reemplazo de cadera y rodilla)
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Injertos y rellenos óseos (es decir, pocas cerámicas como la hidroxiapatita (HA) muestran una estructura natural similar a la del hueso)
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Aplicaciones dentales (por sus propiedades estéticas y mecánicas la mayoría de los implantes dentales están compuestos de cerámica como la Zirconia)
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Dispositivos médicos (se encuentra en marcapasos, herramientas quirúrgicas y sistemas de administración de medicamentos)
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Gafas bioactivas (También estimulan el crecimiento celular, lo que ayuda a la regeneración de tejidos y a la cicatrización de heridas/lesiones)
Aplicaciones aeroespaciales
Muchos componentes de ingeniería aeroespacial, como álabes de turbinas, escudos térmicos o conos de ojiva, requieren materiales con propiedades avanzadas que también permitan un corte de precisión. Las cerámicas avanzadas son una excelente opción gracias a sus propiedades como conductividad térmica, altos puntos de fusión, alta dureza, etc.
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Materiales estructurales (debido a su alta resistencia, muchas cerámicas como el carburo de silicio (SiC) se utilizan para componentes aeroespaciales livianos y de alta resistencia)
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Sistemas de Protección Térmica o TPS (en las naves espaciales se utilizan baldosas cerámicas hechas de sílice y alúmina para soportar temperaturas extremas durante el reingreso)
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Cerámica ablativa para escudos térmicos (estos tipos de cerámica protegen las naves espaciales durante el reingreso atmosférico erosionándose gradualmente para absorber el calor)
Electrónica y aislantes
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Condensadores cerámicos multicapa (MLCC) y resistencias (las cerámicas como el óxido de aluminio son cruciales para proporcionar aislamiento y disipar energía en forma de calor haciendo uso de MLCC y resistencias)
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Circuitos integrados y semiconductores (Los sustractos cerámicos son delgados y planos, con baja constante dieléctrica y pérdida dieléctrica, alta conductividad térmica y buena estabilidad química)
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Semiconductores y PCB de cerámica (Las cerámicas tienen baja conductividad eléctrica y se utilizan en semiconductores y PCB que exigen un alto aislamiento intraeléctrico)
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Aisladores de alto voltaje (en funcionalidades de alto voltaje, las cerámicas a base de porcelana y alúmina son esenciales para las líneas de transmisión de energía)
Materiales de construcción
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Ladrillos y tejas (debido a sus propiedades como durabilidad, resistencia al fuego y aislamiento térmico, las cerámicas a base de arcilla se utilizan ampliamente en la construcción de ladrillos y tejas)
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Artículos sanitarios (La mayoría de los itinerarios de inodoros, lavabos y bañeras están hechos de cerámica vitrificada, ya que presentan propiedades inertes como resistencia a la humedad, las manchas y el crecimiento bacteriano)
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Cerámica de vidrio (Los materiales cerámicos como el aluminosilicato de litio se utilizan en encimeras y aplicaciones arquitectónicas por sus propiedades estéticas y de resistencia al calor)
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Fachada y revestimiento (La cerámica se utiliza como material de fachada y revestimiento en edificios ya que ofrece las propiedades de aislamiento térmico y acústico necesarias)
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Aditivos para cemento y hormigón (Para mejorar la resistencia, durabilidad y eficiencia de las mezclas de cemento u hormigón, se utilizan comúnmente aditivos cerámicos como cenizas volantes y humo de sílice)
Ventajas de los materiales cerámicos
Título de la imagen: Ventajas de la cerámica
Durabilidad y longevidad
Como se mencionó anteriormente, la cerámica tiene una larga vida útil gracias a su alta dureza y naturaleza inerte. Esto significa que, a diferencia de los metales, la cerámica no se oxida ni se corroe en ambientes hostiles. Además, la mayoría de las sustancias cerámicas son resistentes a ácidos, álcalis y otros productos químicos agresivos.
Propiedades ligeras
Además de su alta resistencia, la cerámica es muy ligera, lo que la hace útil en la ingeniería aeroespacial y la industria automotriz. Por ejemplo, el SiC se utiliza en discos de freno de aeronaves debido a su alta relación resistencia-peso.
Versatilidad estética
Al mezclar diferentes sustancias durante el moldeado, se logran diversas propiedades estéticas, como colores, texturas y acabados, en la cerámica. Por ejemplo, las baldosas de porcelana son muy famosas por su atractiva estructura. Algunas cerámicas también se utilizan en óptica y pantallas (como el cristal de zafiro (Al₂O₃), utilizado para fabricar vidrios templados para pantallas inteligentes) gracias a su transparencia y propiedades ópticas.
Limitaciones de los materiales cerámicos
Fragilidad y fragilidad
Leyenda de la imagen: Microestructura frágil de la cerámica
Aunque generalmente tienen una alta resistencia a la compresión, su muy baja resistencia dúctil o a la tracción los hace frágiles y propensos a fracturarse bajo tensión en lugar de deformarse plásticamente como los materiales dúctiles como los metales.
Costos de producción
Las formaciones cerámicas se someten al proceso de sinterización (que requiere un procesamiento a alta temperatura, a veces hasta 1500 grados centígrados). Este mantenimiento a alta temperatura incrementa los costos totales de producción de la cerámica. Además, en el caso de la cerámica avanzada, los costos de fabricación y el corte de alta precisión con CNC o impresión 3D también resultan en un alto costo de producción. La fabricación de precisión implica técnicas costosas como el prensado en caliente, la deposición química en fase de vapor (CVD) y la sinterización por plasma de chispa (SPS).
Sin embargo, cabe señalar que los resultados generales son muy ventajosos para nosotros, los humanos, debido a sus propiedades únicas.
Conclusión
Nos familiarizamos con los materiales cerámicos, sus propiedades y ventajas. Los materiales cerámicos desempeñan un papel fundamental en nuestra vida diaria gracias a sus propiedades únicas, como la durabilidad, la resistencia al calor y la estabilidad química.
Con los avances en las ciencias de los materiales, tendremos a nuestra disposición cerámicas más avanzadas con mejores propiedades de construcción.