Accions del document
2 de 2
Materials
3.2. Ceràmics tradicionals i tecnològics
Els materials ceràmics tradicionals i tecnològics (no vidres), es caracteritzen per presentar una estructura iònica i cristal·lina que es pot classificar en funció de la relació entre anions (-) i cations (+):
TIPO AX: nombre de cations igual al nombre d’anions a consequència de la combinació d’ions amb la mateixa càrrega (+)/(-):
• estructura del clorur sòdic (NaCl)
• estructura del clorur de cesi (CsCl)
• estructura del sulfur de zinc (blenda, ZnS)
TIPO AmXp: resultat de la combinació d’ions amb diferents càrregues, de manara que es requereixen proporcions rgues dels cations i anions no són iguals. Ex.: CaF2 (fluorita).
TIPO AmBnXp: compostos ceràmics amb més d’un tipus de catió.
Els enllaços en els materials ceràmics són generalment una combinació d’enllaç iònic i covalent, però la seva estructura sempre contempla els àtoms organitzats en una xarxa cristal·lina, de complexitat variable. És important considerar que als materials ceràmics iònics, o amb una part iònica, la quantitat de càrrega positiva ha de ser igual a la de càrrega negativa, i sovint és aquest equilibri qui limita o condiciona la composició química i, per tant, les promietats del material en qüestió. A la taula 8 es recull una relació dels materials ceràmics més comuns, així com de les seves característiques i aplicacions més habituals.
Taula 8. Materials ceràmics més comuns, característiques i aplicacions.
Pràcticament tots els materials ceràmcs són durs i fràgils, propietats característiques de les estructures cristal·lines iòniques i dels sòlids amorfs, i aquesta fragilitat es veu modificada quan l’estructura conté irregularitats químiques o defectes cristal·lins.
Així, en ocasions, aquestes alteracions afavoreixen la formació de petites esquerdes o porositats, que perjudiquen notablement la resposta mecànica i,per tant, limiten l’ús d’aquests materials.
D’altra banda, aquestes mateixes alteracions químiques, poden induir canvis en la xarxa cristal·lina que millorin la resposta macroscòpica, com és el cas dels ceràmics tenaços, als quals, una modificació química (dopatge) possibilita que una determinada zona de tensió concentrada (fons d’una fissura) indueix un canvi de xarxa cristal·lina a una altra (transformació al·lotròpica) més voluminosa que, com a resultat, permet el tancament de la fissura, alleugerint la tensió del sòlid.
a) b) c)
Figura 22. Etapes de tancament d’una fissura a un material ceràmic tenaç. a) L’existència d’una fissura genera una zona de concentració de tensió; b) La tensió acumulada indueix la transformació al·lotròpica d’una xarxa a una altra, més voluminosa; c) La zona transformada “pren” el volum que necessita de la fissura, provocant el seu tancament i, per tant, incrementant la tenacitat del material. Font: elaboració pròpia.
3.2.1. Argiles i porcellanes
L’argila és un compost comú, format per alúmina (Al2O3) i sílice (SiO2), que conté aigua enllaçada químicament. Les porcellanes són un tipus particular d’argiles que es caracteritzen pel color blanc que exhibeixen, en part per la composició químia i en part per una cocció a temperatures superiors a les de l’argila.
Els productes d’argila són abundants i econòmics, i amb gran diversitat de formes, atenent la facilitat de conformat de la mescla de pols d’argila amb aigua, que proporciona una mescla de gran hidroplasticitat que pot adaptar-se a varietat de formes finals. En afegir aigua a les argiles s’assoleix un estat hidroplàstic que possibilita el conformat per compressió, extrussió o emmotllament (Figura 23).
Entre els productes d’argila més habituals, es poden trobar totxanes (Figura 24), rajoles, canalitzacions, utensilis de cuina, les porcellanes i els elements sanitaris (porcellana blanca).
Figura 23. Procés de conformat hidroplàstic de components d’argila. Font: elaboració pròpia.
Figura 24. Material de construcció elaborat a partir de argila hidroplàstica, per extrusió. Font: ladrilloceramico.com
Una altra procés d’elaboració de components d’argila, és l’emmotllament en barbotina. Per aquest mètode, es poden elaborar tant components massissos com components buits (Figura 25). En els processos de conformat per barbotina, la pols de ceràmica, amb un excés d’aigua, constitueix una mescla fluida que s’aboca en un motlle porós que absorbeix l’excés d’aigua, tot proporcionant una preforma prou rígida com per ser manipulada. Aquesta preforma (peça verda) s’extreu del motlle i es sotmet a un procés de cocció.
Figura 25. Conformat per barbotina d’un component buit. Font: elaboració pròpia.
Després del conformat hidroplàstic, la peça verda s’ha de sotmetre a un procés d’assecat previ a la cocció. Durant la cocció, a temperatures compreses entre 900 i 1400 ºC les partícules de ceràmica s’uneixen per difusió (sinterització) Si la temperatura de cocció és molt elevada, pot produir-se una vitrificació de les vores de les partícules, de manera que aquestes queden unides per una segona fase de vidre.
Figura 26. Cocció de ceràmiques amb vitrificació parcial. Font: elaboració pròpia.
3.2.2. Ceràmiques refractàries
Les ceràmiques refractàries s’utilitzen com a suport de metalls i vidres fosos i també com a elements fonamentals en els equips i instal·lacions de tractaments tèrmics. Aquests materials, dissenyats per treballar a altes temperatures sense quedar afectats per l’atmosfera de treball, estan formats per mescles de partícules de grandària variable. Durant el procés de cocció, les partícules petites poden formar una fase que afavoreix la unió de les partícules i redueix notablement la porositat. Aquesta reducció de la porositat, incrementa la resistència als atacs químics. En ocasions, les ceràmiques refractàries convé que tinguin un determinat grau de porositat ja que això redueix la conductivitat tèrmica i les fa més aïllants.
Un percentatge important de materials refractaris es basen en el sistema sílice (SiO2)- alúmina (Al2O3), i es regeixen pel diagrama d’equilibri següent.
Figura 27. Diagrama Al2O3-SiO2. Font: elaboració pròpia.
La combinació d’una elevada rigidesa, amb una baixa capacitat de dilatació tèrmica, fa que els materials ceràmics siguin, sovint, susceptibles de patir xoc tèrmic. El xoc tèrmic es produeix quan el material es dilata per efecte de la temperatura. La deformació genera tensions internes, molt elevades (en tant que la rigidesa és elevada), i aquest nivell de tensions internes poden provocar fissures i, fins i tot fractura del component.
Una porositat baixa, redueix notablement la resistència al xoc tèrmic i també la capacitat d’aïllament, ara bé, augmenta la resistència mecànica i la capacitat de suportar esforços. És per això que es poden trobar components ceràmics amb la mateixa composició però amb porositat variable, en tant que proporcionen respostes molt diferents.
Les ceràmiques refractàries amb base d’argila cuita, estan formades per sílice amb un 25-45 % d’alúmina, i al diagrama de la figura 27 es mostra com aquest percentatge permet treballar fins a 1587 °C (temperatura a la que comença a formar-se una fase vítria fluida. Un augment de la quantitat d’alúmina, afavoreix una major presència de fase mullita d’alta temperatura, de manera que es podria utilitzar el material ceràmic per sobre dels 1587 ºC, malgrat es formi una petita fracció líquida.
Segons la seva composició, els materials refractaris divideixen en:
- Refractaris d’argila: els ingredients primaris són mescles d’argiles refractàries d’alta puresa, alúmina (25-45 %) i sílice.
- Refractaris base sílice: són aquells als quals la sílice és l’ingredient principa, amb molt baixos continguts d’alúmina (0,2-1,0 %).
- Refractaris bàsics: alt contingut de magnèsia calcinada (MgO). En aquest grup, la presència de sílice és perjudicial.
- Refractaris especials: constituïts per òxids d’alta puresa. (SiC, BeO).
Els refractaris de sílice es poden emprar fins als 1650 ºC. A aquesta temperatura, hi ha present una petita quantitat de líquid degut a les impureses, i aquesta condició és acceptable. Malgrat això, com es pot observar en el diagrama de fases, fins i tot petites quantitats d’impureses d’alúmina redueixen la capacitat de suportar temperatures elevades en tant que, a les temperatures de procés, es pot formar una quantitat variable de fase líquida (les totxanes refractàries de SiO2, utilitzades per recobrir forns de ferro colat, treballen a temperatures superiors a 1650 ºC, quan algunes totxanes comencen a liquar-se.
Altres ceràmiques refractàries inclouen magnesia (MgO), circona (ZrO2), carbur de silici (SiC) i circó (ZrO2-SiO2). tot i que no són considerats ceràmics, el carbó i el grafit s’utilitzen en aplicacions d’’alta temperatura. A la taula 9 es pot observar la composició en pes d’alguns ceràmics refractaris:
Taula 9. Composició dels ceràmics refractaris d’ús comú.
Les ceràmiques refractàries són materials d’ús molt habitual, actualment. Així, hi ha parts externes de coets aerospacials que són construïts amb rajoles ceràmiques per tal de protegir la nau de les temperatures extremes a les que es veurà sotmés en reentrar a l’atmosfera (figura 28). La conservació de les propietats mecàniques a altes temperatures, té una gran importància a la indústria aerospacial. Els materials ceràmics posseeixen, en general, bona resistència a la termofluència, que es podria justificar per l’elevat punt de fusió d’aquests materials, i que pren especial rellevància quan cal combinar uns elevada resistència amb temperatures elevades de treball, combinada amb l’elevada energia d’activació que cal per tal que s’iniciï la difusió.
Figura 28. Sol·licitacions de temperatura en servei de diferents punts d’una aeronau.
Els primers materials ceràmics utilitzats per a l’elaboració de plaquetes refractàries van ser fibres refractàries inorgàniques aglomerades, impregnades de refrigerant orgànic no carbonitzable. Posteriorment, es van desenvolupar plaquetes a base de fibres de sílice amb agents d’alta emissió tèrmica per facilitar la radiació de calor, i amb recobriments de borosilicat.
Amb el desenvolupament de l’ACRF (Aïllament Compost Refractari Fibrós), consistent en un material compost de dues fibres ceràmiques sense additius, amb SiC, s’han millorat les propietats òptiques a temperatura elevada. Les fibres que conté són:
• Fibra de borosilicat d’alumini (62 % Al2O3, 14 % B2O3 i 24 % SiO2), d’11mm de diàmetre i 0,31 cm de longitud.
• Fibra de sílice, de 1-3 mm de diàmetre i longitud variable.
3.2.3. Ceràmics avançats i abrassius
Els ceràmics avançats s’utilitzen per a aquelles aplicacions en què cal una combinació òptima de propietats tèrmiques, tribològiques i mecàniques, com ara la fabricació de motors de combustió interna, turbines, etc.
La principal aplicació dels ceràmics abrasius tenen és la de desbastar o tallar altres materials més tous, és per això que les propietats més destacades són la duresa, la resistència al desgast, l’elevada tenacitat i la refractivitat. Exemples d’aquest grup de materials són el diamant, el carbur de silici (SiC), el tungstè (WC) i l’òxid d’alumini (Al2O3) i les principals aplicacions són l’elaboració de components de tall i desgast, bé sigui com a partícules aïllades, en suspensió, o unides mitjançant un element d’unió (substrat de paper, resina, etc.).
Així, per exemple, les boques de trefilat s’elaboren amb materials ceràmics abrassius, ja que es requereix una gran resistència al desgast per tal de garantir que es deformarà el metall i no el broquet durant el fregament continu inevitable durant el seu funcionament (figura 29). En aquests casos, la superfície de la boca conté partícules de diamant sinteritzat sobre un substrat de WC, que permet controlar la fractura i proporciona duresa uniforme en tot el component.
Figura 29. Esquema d’un broquet de trefilat. Font: elaboració pròpia.
Els materials ceràmics avançats es caracteritzen per presentar una composició química més senzilla que les ceràmiques naturals, així com un control exhaustiu de la seva porositat, que possibilita una millor resposta mecànica que els materials ceràmics més porosos. Exemples d’aplicacions de ceràmiques avançades són components de màquines tèrmiques, vàlvules, sensors, generadors d’ultrasons i mesuradors de pressió.
3.2.4. Ciments
Els ciments són materials inorgànics, formats per mescles de minerals d’argila, silicats i calisses, que es caracteritzen per la seva capacitat d’enduriment sense cocció, per fraguat, en tant que la composició química dels ciments inclou una part important de sulfats complexos de calci que, per combinació amb aigua (H2O) formen noves fases cristal·lines, rígides i dures, amb alliberament de calor (reaccions exotèrmiques).
El fraguat permet el conformat “in situ”, amb la qual cosa es poden obtenir grans volums i formes tan complexes com es desitgin.
3 5
