La ingeniería cerámica es la ciencia y tecnología que se ocupa de crear objetos a partir de materiales inorgánicos, no metálicos, mediante la acción del calor o a temperaturas más bajas, mediante reacciones de precipitación a partir de soluciones químicas de alta pureza. El término incluye la purificación de materias primas, el estudio y producción de los compuestos químicos en cuestión, su formación en componentes y el estudio de su estructura, composición y propiedades.
Los materiales cerámicos pueden tener una estructura cristalina o parcialmente cristalina, con un orden atómico de largo alcance. Los materiales vitrocerámicos pueden tener una estructura amorfa o vítrea, con un orden atómico de corto o limitado alcance. Se forman a partir de una masa fundida que se solidifica al enfriarse, se forman y maduran por la acción del calor o se sintetizan químicamente a bajas temperaturas utilizando, por ejemplo, síntesis hidrotermal o sol-gel .
Las características especiales de los materiales cerámicos dan lugar a numerosas aplicaciones en ingeniería de materiales , ingeniería eléctrica , ingeniería química e ingeniería mecánica . Como la cerámica es resistente al calor, se puede utilizar para muchas tareas para las que materiales como el metal y los polímeros no son adecuados. Los materiales cerámicos se utilizan en una amplia gama de industrias, incluidas la minería, la aeroespacial, la medicina, la refinería, las industrias alimentaria y química, la ciencia del embalaje, la electrónica, la electricidad industrial y de transmisión y la transmisión de ondas de luz guiadas. [1]
La palabra " cerámica " se deriva de la palabra griega κεραμικός ( keramikos ), que significa alfarería . Está relacionada con la raíz indoeuropea más antigua "quemar". [2] "Cerámica" puede usarse como sustantivo en singular para referirse a un material cerámico o al producto de la fabricación de cerámica, o como adjetivo. La cerámica es la fabricación de cosas a partir de materiales cerámicos. La ingeniería cerámica, como muchas ciencias, evolucionó a partir de una disciplina diferente según los estándares actuales. La ingeniería de la ciencia de los materiales se agrupa con la ingeniería cerámica hasta el día de hoy. [ cita requerida ]
Abraham Darby utilizó por primera vez el coque en 1709 en Shropshire, Inglaterra, para mejorar el rendimiento de un proceso de fundición. [ cita requerida ] El coque ahora se usa ampliamente para producir cerámica de carburo. El alfarero Josiah Wedgwood abrió la primera fábrica de cerámica moderna en Stoke-on-Trent , Inglaterra, en 1759. El químico austríaco Carl Josef Bayer , que trabajaba para la industria textil en Rusia, desarrolló un proceso para separar la alúmina del mineral de bauxita en 1888. El proceso Bayer todavía se usa para purificar la alúmina para las industrias de cerámica y aluminio. [ cita requerida ] Los hermanos Pierre y Jacques Curie descubrieron la piezoelectricidad en la sal de Rochelle c. 1880. La piezoelectricidad es una de las propiedades clave de la electrocerámica .
En 1893, EG Acheson calentó una mezcla de coque y arcilla e inventó el carborundo, o carburo de silicio sintético . Henri Moissan también sintetizó SiC y carburo de tungsteno en su horno de arco eléctrico en París casi al mismo tiempo que Acheson. Karl Schröter utilizó la sinterización en fase líquida para unir o "cementar" las partículas de carburo de tungsteno de Moissan con cobalto en 1923 en Alemania. Los bordes de carburo cementados (unidos con metal) aumentan en gran medida la durabilidad de las herramientas de corte de acero endurecido . WH Nernst desarrolló la zirconia estabilizada cúbica en la década de 1920 en Berlín. Este material se utiliza como sensor de oxígeno en los sistemas de escape. La principal limitación del uso de la cerámica en ingeniería es la fragilidad. [1]
Los requisitos militares de la Segunda Guerra Mundial estimularon los desarrollos, que crearon una necesidad de materiales de alto rendimiento y ayudaron a acelerar el desarrollo de la ciencia y la ingeniería de la cerámica. A lo largo de las décadas de 1960 y 1970, se desarrollaron nuevos tipos de cerámica en respuesta a los avances en energía atómica, electrónica, comunicaciones y viajes espaciales. El descubrimiento de superconductores cerámicos en 1986 ha estimulado una intensa investigación para desarrollar piezas de cerámica superconductora para dispositivos electrónicos, motores eléctricos y equipos de transporte. [ cita requerida ]
En el sector militar, existe una creciente necesidad de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz en las regiones visibles (0,4-0,7 micrómetros) e infrarrojas medias (1-5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente . El blindaje transparente es un material o sistema de materiales diseñado para ser ópticamente transparente, pero que proteja de la fragmentación o de los impactos balísticos. El requisito principal para un sistema de blindaje transparente es no solo derrotar a la amenaza designada, sino también proporcionar una capacidad de impacto múltiple con una distorsión mínima de las áreas circundantes. Las ventanas de blindaje transparente también deben ser compatibles con los equipos de visión nocturna. Se están buscando nuevos materiales que sean más delgados, livianos y que ofrezcan un mejor rendimiento balístico. [3]
Estos componentes de estado sólido han encontrado un uso generalizado para varias aplicaciones en el campo electroóptico, incluyendo: fibras ópticas para transmisión de ondas de luz guiadas, conmutadores ópticos , amplificadores láser y lentes , hosts para láseres de estado sólido y materiales de ventana óptica para láseres de gas, y dispositivos de búsqueda de calor infrarrojo (IR) para sistemas de guía de misiles y visión nocturna IR . [4]
La ingeniería y la investigación en cerámica, que hoy en día es una industria que mueve miles de millones de dólares al año, se ha consolidado como un campo científico importante. Las aplicaciones siguen expandiéndose a medida que los investigadores desarrollan nuevos tipos de cerámica para distintos propósitos. [1] [5]
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades con los vidrios y las cerámicas. Los vitrocerámicos tienen una fase amorfa y una o más fases cristalinas y se producen mediante una denominada "cristalización controlada", que normalmente se evita en la fabricación de vidrio. Los vitrocerámicos suelen contener una fase cristalina que constituye entre el 30 % [m/m] y el 90 % [m/m] de su composición en volumen, lo que da lugar a una serie de materiales con interesantes propiedades termomecánicas. [5]
En el procesamiento de vitrocerámicas, el vidrio fundido se enfría gradualmente antes de volver a calentarlo y recocerlo. En este tratamiento térmico, el vidrio cristaliza parcialmente . En muchos casos, se añaden los llamados "agentes de nucleación" para regular y controlar el proceso de cristalización. Como normalmente no hay prensado ni sinterización, las vitrocerámicas no contienen la fracción de volumen de porosidad que suele estar presente en las cerámicas sinterizadas. [1]
El término se refiere principalmente a una mezcla de litio y aluminosilicatos que produce una variedad de materiales con interesantes propiedades termomecánicas. Los más importantes comercialmente de estos tienen la distinción de ser impermeables al choque térmico. Por lo tanto, las vitrocerámicas se han vuelto extremadamente útiles para cocinar en encimeras. El coeficiente de expansión térmica (TEC) negativo de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el TEC positivo de la fase vítrea. En un punto determinado (~70% cristalino) la vitrocerámica tiene un TEC neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica exhibe excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 1000 °C. [1] [5]
El proceso cerámico tradicional generalmente sigue esta secuencia: Fresado → Dosificación → Mezcla → Conformado → Secado → Cocción → Ensamblaje. [11] [12] [13] [14]
Las técnicas de formación de cerámica incluyen el moldeado por inyección, el colado por barbotina , el colado en cinta , el colado por congelación , el moldeo por inyección, el prensado en seco, el prensado isostático, el prensado isostático en caliente (HIP), la impresión 3D y otras. Los métodos para formar polvos cerámicos en formas complejas son deseables en muchas áreas de la tecnología. Dichos métodos son necesarios para producir piezas estructurales avanzadas de alta temperatura, como componentes de motores térmicos y turbinas . Los materiales distintos de la cerámica que se utilizan en estos procesos pueden incluir: madera, metal, agua, yeso y epoxi, la mayoría de los cuales se eliminarán tras la cocción. [11] A veces se utiliza un epoxi relleno de cerámica , como Martyte, para proteger el acero estructural en condiciones de impacto de escape de cohetes. [17]
Estas técnicas de conformado son bien conocidas por proporcionar a las herramientas y otros componentes estabilidad dimensional, calidad superficial, densidad elevada (casi teórica) y uniformidad microestructural. El uso y la diversidad cada vez mayores de formas especiales de cerámica se suman a la diversidad de tecnologías de proceso que se pueden utilizar. [11]
Por lo tanto, las fibras y filamentos de refuerzo se fabrican principalmente mediante procesos de polímeros, sol-gel o CVD, pero el procesamiento por fusión también tiene aplicabilidad. La forma especial más utilizada son las estructuras en capas, siendo la fundición en cinta la más importante para sustratos y paquetes electrónicos. La fotolitografía es de creciente interés para la creación de patrones precisos de conductores y otros componentes para dichos paquetes. Los procesos de fundición o conformado en cinta también son de creciente interés para otras aplicaciones, que van desde estructuras abiertas como las celdas de combustible hasta los compuestos cerámicos. [11]
La otra estructura de capas principal es el recubrimiento, donde la pulverización térmica es muy importante, pero la deposición química y física de vapor y los métodos químicos (por ejemplo, sol-gel y pirólisis de polímeros) están siendo cada vez más utilizados. Además de las estructuras abiertas de cinta formada, las estructuras extruidas, como los soportes de catalizador en forma de panal, y las estructuras altamente porosas, incluidas varias espumas, por ejemplo, la espuma reticulada , son cada vez más utilizadas. [11]
La densificación de cuerpos de polvo consolidados se sigue logrando predominantemente mediante sinterización (sin presión). Sin embargo, el uso de la sinterización a presión mediante prensado en caliente está aumentando, especialmente para no óxidos y piezas de formas simples donde se necesita una mayor calidad (principalmente homogeneidad microestructural) y un tamaño mayor o múltiples piezas por prensado puede ser una ventaja. [11]
Los principios de los métodos basados en la sinterización son simples (el término "sinter" proviene del inglés " cinder "). La cocción se realiza a una temperatura inferior al punto de fusión de la cerámica. Una vez que se ha formado un objeto que se mantiene unido de forma aproximada, llamado "cuerpo verde", se cuece en un horno , donde los procesos de difusión atómica y molecular dan lugar a cambios significativos en las características microestructurales primarias. Esto incluye la eliminación gradual de la porosidad , que suele ir acompañada de una contracción neta y una densificación general del componente. Por lo tanto, los poros del objeto pueden cerrarse, lo que da como resultado un producto más denso con una resistencia y una tenacidad a la fractura significativamente mayores .
Otro cambio importante en el cuerpo durante el proceso de cocción o sinterización será el establecimiento de la naturaleza policristalina del sólido. Durante la sinterización tiende a producirse un crecimiento significativo de los granos, que depende de la temperatura y la duración del proceso de sinterización. El crecimiento de los granos dará lugar a algún tipo de distribución del tamaño de grano , que tendrá un impacto significativo en las propiedades físicas finales del material. En particular, el crecimiento anormal de los granos en el que ciertos granos crecen mucho en una matriz de granos más finos alterará significativamente las propiedades físicas y mecánicas de la cerámica obtenida. En el cuerpo sinterizado, los tamaños de grano son un producto de los parámetros de procesamiento térmico, así como del tamaño de partícula inicial , o posiblemente de los tamaños de agregados o grupos de partículas que surgen durante las etapas iniciales del procesamiento.
La microestructura final (y, por lo tanto, las propiedades físicas) del producto final estarán limitadas y sujetas a la forma de la plantilla estructural o precursor que se crea en las etapas iniciales de la síntesis química y la formación física. De ahí la importancia del procesamiento químico de polvos y polímeros en lo que respecta a la síntesis de cerámicas, vidrios y vitrocerámicas industriales.
Existen numerosos refinamientos posibles del proceso de sinterización. Algunos de los más comunes implican prensar el cuerpo verde para dar una ventaja a la densificación y reducir el tiempo de sinterización necesario. A veces se agregan aglutinantes orgánicos como el alcohol polivinílico para mantener unido el cuerpo verde; estos se queman durante la cocción (a 200–350 °C). A veces se agregan lubricantes orgánicos durante el prensado para aumentar la densificación. Es común combinarlos y agregar aglutinantes y lubricantes a un polvo, luego prensar. (La formulación de estos aditivos químicos orgánicos es un arte en sí mismo. Esto es particularmente importante en la fabricación de cerámicas de alto rendimiento como las que se usan por miles de millones para la electrónica , en condensadores, inductores , sensores , etc.)
Se puede utilizar una suspensión en lugar de un polvo, y luego moldearla en una forma deseada, secarla y luego sinterizarla. De hecho, la cerámica tradicional se hace con este tipo de método, utilizando una mezcla plástica trabajada con las manos. Si se utiliza una mezcla de diferentes materiales juntos en una cerámica, la temperatura de sinterización a veces es superior al punto de fusión de un componente menor: una sinterización en fase líquida . Esto da como resultado tiempos de sinterización más cortos en comparación con la sinterización en estado sólido. [18] Dicha sinterización en fase líquida implica procesos de difusión más rápidos y puede dar como resultado un crecimiento anormal del grano .
La resistencia de un material depende de su microestructura. Los procesos de ingeniería a los que se somete un material pueden alterar su microestructura. La variedad de mecanismos de fortalecimiento que alteran la resistencia de un material incluye el mecanismo de fortalecimiento de los límites de grano . Por lo tanto, aunque la resistencia a la fluencia se maximiza al disminuir el tamaño de grano, en última instancia, los tamaños de grano muy pequeños hacen que el material sea frágil. Si se considera en conjunto con el hecho de que la resistencia a la fluencia es el parámetro que predice la deformación plástica en el material, se pueden tomar decisiones informadas sobre cómo aumentar la resistencia de un material en función de sus propiedades microestructurales y el efecto final deseado.
La relación entre el límite elástico y el tamaño del grano se describe matemáticamente mediante la ecuación de Hall-Petch, que es
donde k y es el coeficiente de fortalecimiento (una constante única para cada material), σ o es una constante del material para la tensión inicial para el movimiento de dislocación (o la resistencia de la red al movimiento de dislocación), d es el diámetro del grano y σ y es la tensión de fluencia.
En teoría, un material podría hacerse infinitamente fuerte si los granos se hacen infinitamente pequeños. Esto es, desafortunadamente, imposible porque el límite inferior del tamaño de grano es una sola celda unitaria del material. Incluso entonces, si los granos de un material son del tamaño de una sola celda unitaria, entonces el material es de hecho amorfo, no cristalino, ya que no hay un orden de largo alcance, y las dislocaciones no se pueden definir en un material amorfo. Se ha observado experimentalmente que la microestructura con la mayor resistencia a la fluencia es un tamaño de grano de aproximadamente 10 nanómetros, porque los granos más pequeños que este experimentan otro mecanismo de fluencia, el deslizamiento del límite de grano. [19] Producir materiales de ingeniería con este tamaño de grano ideal es difícil debido a las limitaciones de los tamaños de partícula iniciales inherentes a los nanomateriales y la nanotecnología.
El modelo Faber-Evans , desarrollado por Katherine Faber y Anthony G. Evans , fue desarrollado para predecir el aumento de la tenacidad a la fractura en cerámica debido a la deflexión de la grieta alrededor de partículas de segunda fase que son propensas a microfisurarse en una matriz. [20] El modelo considera la morfología de las partículas, la relación de aspecto, el espaciamiento y la fracción de volumen de la segunda fase, así como la reducción en la intensidad de la tensión local en la punta de la grieta cuando la grieta se desvía o el plano de la grieta se arquea. La tortuosidad real de la grieta se obtiene a través de técnicas de imágenes, lo que permite la entrada directa de ángulos de deflexión y arqueamiento en el modelo.
El modelo calcula la tasa de liberación de energía de deformación promedio y compara el aumento resultante en la tenacidad a la fractura con el de una grieta plana a través de la matriz simple. La magnitud del endurecimiento está determinada por la deformación por desajuste causada por la incompatibilidad de contracción térmica y la resistencia a la microfractura de la interfaz partícula/matriz. El endurecimiento se hace notorio con una distribución de tamaño estrecha de partículas de tamaño apropiado, y los investigadores generalmente aceptan que los efectos de deflexión en materiales con granos aproximadamente equiaxiales pueden aumentar la tenacidad a la fractura en aproximadamente el doble del valor del límite de grano. [21]
El modelo revela que el aumento de la tenacidad depende de la forma de la partícula y de la fracción de volumen de la segunda fase, siendo la morfología más eficaz la de la varilla de alta relación de aspecto, que puede explicar un aumento de cuatro veces en la tenacidad a la fractura. El endurecimiento surge principalmente de la torsión del frente de la grieta entre partículas, como lo indican los perfiles de deflexión. Las partículas y esferas con forma de disco son menos eficaces en el endurecimiento. La tenacidad a la fractura, independientemente de la morfología, está determinada por la torsión del frente de la grieta en su configuración más severa, en lugar de la inclinación inicial del frente de la grieta. Solo para las partículas con forma de disco la inclinación inicial del frente de la grieta proporciona un endurecimiento significativo; sin embargo, el componente de torsión aún anula el endurecimiento derivado de la inclinación. [22]
Otras características importantes del análisis de deflexión incluyen la aparición de endurecimiento asintótico para las tres morfologías en fracciones de volumen superiores a 0,2. También se observa que la distribución del espaciamiento entre partículas ejerce una influencia significativa en el endurecimiento por parte de las partículas esféricas; se logra un mayor endurecimiento cuando las esferas están casi en contacto de modo que los ángulos de torsión se aproximan a π/2. Estas predicciones proporcionan la base para el diseño de materiales cerámicos bifásicos de alta tenacidad.
La segunda fase ideal, además de mantener la compatibilidad química, debe estar presente en cantidades de 10 a 20 por ciento en volumen. Cantidades mayores pueden disminuir el aumento de tenacidad debido a la superposición de partículas. Las partículas con relaciones de aspecto altas, especialmente aquellas con morfologías en forma de varilla, son las más adecuadas para el endurecimiento máximo. Este modelo se utiliza a menudo para determinar los factores que contribuyen al aumento de la tenacidad a la fractura en cerámicas, lo que en última instancia es útil en el desarrollo de materiales cerámicos avanzados con un rendimiento mejorado. [23] [24]
En el procesamiento de cerámica fina, los tamaños y formas irregulares de las partículas en un polvo típico a menudo conducen a morfologías de empaquetamiento no uniformes que resultan en variaciones de densidad de empaquetamiento en el polvo compacto. La aglomeración incontrolada de polvos debido a las fuerzas atractivas de van der Waals también puede dar lugar a inhomogeneidades microestructurales. [11] [25]
Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado de una contracción por secado no uniforme están directamente relacionadas con la velocidad a la que se puede eliminar el disolvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad. Dichas tensiones se han asociado con una transición de plástico a frágil en cuerpos consolidados [26] y pueden dar lugar a la propagación de grietas en el cuerpo no cocido si no se alivian.
Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento en el compacto mientras se prepara para el horno a menudo se amplifica durante el proceso de sinterización, lo que produce una densificación no homogénea. [27] [28] Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con las variaciones de densidad desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al aumentar y, por lo tanto, limitar las densidades del punto final. [29] También se ha demostrado que las tensiones diferenciales que surgen de la densificación no homogénea dan como resultado la propagación de grietas internas, convirtiéndose así en los defectos que controlan la resistencia. [30]
Por lo tanto, parecería deseable procesar un material de tal manera que sea físicamente uniforme en cuanto a la distribución de componentes y porosidad, en lugar de utilizar distribuciones de tamaño de partículas que maximizarán la densidad en verde. La contención de un conjunto uniformemente disperso de partículas que interactúan fuertemente en suspensión requiere un control total sobre las interacciones entre partículas. Los coloides monodispersos brindan este potencial. [31]
Por ejemplo, los polvos monodispersos de sílice coloidal pueden estabilizarse lo suficiente para garantizar un alto grado de orden en el cristal coloidal o en el sólido coloidal policristalino que resulta de la agregación. El grado de orden parece estar limitado por el tiempo y el espacio disponibles para establecer correlaciones de mayor alcance. [32] [33]
Estas estructuras coloidales policristalinas defectuosas parecerían ser los elementos básicos de la ciencia de los materiales coloidales submicrométricos y, por lo tanto, proporcionan el primer paso para desarrollar una comprensión más rigurosa de los mecanismos involucrados en la evolución microestructural en sistemas inorgánicos como las cerámicas policristalinas.
El autoensamblaje es el término más común en uso en la comunidad científica moderna para describir la agregación espontánea de partículas (átomos, moléculas, coloides, micelas, etc.) sin la influencia de ninguna fuerza externa. Se sabe que grandes grupos de tales partículas se ensamblan en matrices termodinámicamente estables y estructuralmente bien definidas, que recuerdan bastante a uno de los 7 sistemas cristalinos que se encuentran en metalurgia y mineralogía (por ejemplo, cúbico centrado en las caras , cúbico centrado en el cuerpo , etc.). [ cita requerida ] La diferencia fundamental en la estructura de equilibrio está en la escala espacial de la celda unitaria (o parámetro reticular ) en cada caso particular.
Por lo tanto, el autoensamblaje está surgiendo como una nueva estrategia en la síntesis química y la nanotecnología . El autoensamblaje molecular se ha observado en varios sistemas biológicos y subyace a la formación de una amplia variedad de estructuras biológicas complejas. Los cristales moleculares, los cristales líquidos, los coloides, las micelas, las emulsiones , los polímeros separados en fases, las películas delgadas y las monocapas autoensambladas representan ejemplos de los tipos de estructuras altamente ordenadas que se obtienen utilizando estas técnicas. La característica distintiva de estos métodos es la autoorganización en ausencia de fuerzas externas. [ cita requerida ]
Además, se están reevaluando las principales características mecánicas y estructuras de cerámicas biológicas, compuestos poliméricos , elastómeros y materiales celulares , con énfasis en materiales y estructuras bioinspirados. Los enfoques tradicionales se centran en métodos de diseño de materiales biológicos utilizando materiales sintéticos convencionales. Esto incluye una clase emergente de biomateriales mecánicamente superiores basados en características y diseños microestructurales encontrados en la naturaleza. Los nuevos horizontes se han identificado en la síntesis de materiales bioinspirados a través de procesos que son característicos de los sistemas biológicos en la naturaleza. Esto incluye el autoensamblaje a nanoescala de los componentes y el desarrollo de estructuras jerárquicas . [32] [33] [35]
En los últimos años ha surgido un interés sustancial en la fabricación de compuestos cerámicos. Si bien existe un interés considerable en los compuestos con uno o más componentes no cerámicos, la mayor atención se centra en los compuestos en los que todos los componentes son cerámicos. Estos suelen comprender dos componentes cerámicos: una matriz continua y una fase dispersa de partículas cerámicas, filamentos o fibras cerámicas cortas (cortadas) o continuas . El desafío, como en el procesamiento químico húmedo, es obtener una distribución uniforme u homogénea de la fase de partículas o fibras dispersas. [36] [37]
Consideremos primero el procesamiento de compuestos particulados. La fase particulada de mayor interés es la zirconia tetragonal debido al endurecimiento que se puede lograr a partir de la transformación de fase de la fase tetragonal metaestable a la fase cristalina monoclínica, también conocida como endurecimiento por transformación. También existe un interés sustancial en la dispersión de fases duras, no oxidantes, como SiC, TiB, TiC, boro , carbono y especialmente matrices de óxido como alúmina y mullita . También existe interés en incorporar otras partículas cerámicas, especialmente aquellas de expansión térmica altamente anisotrópica. Los ejemplos incluyen Al2O3 , TiO2 , grafito y nitruro de boro. [36] [ 37]
En el procesamiento de compuestos particulados, la cuestión no es solo la homogeneidad del tamaño y la distribución espacial de las fases dispersas y de la matriz, sino también el control del tamaño del grano de la matriz. Sin embargo, existe cierto autocontrol incorporado debido a la inhibición del crecimiento del grano de la matriz por la fase dispersa. Los compuestos particulados, aunque generalmente ofrecen una mayor resistencia a los daños, las fallas o ambos, siguen siendo bastante sensibles a las inhomogeneidades de la composición, así como a otros defectos de procesamiento, como los poros. Por lo tanto, necesitan un buen procesamiento para ser efectivos. [1] [5]
Los compuestos particulados se han fabricado a nivel comercial simplemente mezclando polvos de los dos componentes. Aunque este enfoque está inherentemente limitado en la homogeneidad que se puede lograr, es el más fácilmente adaptable a la tecnología de producción de cerámica existente. Sin embargo, otros enfoques son de interés. [1] [5]
Desde el punto de vista tecnológico, un enfoque particularmente deseable para fabricar compuestos particulados es recubrir la matriz o su precursor sobre partículas finas de la fase dispersa con un buen control del tamaño de partícula dispersa inicial y el espesor de recubrimiento de la matriz resultante. En principio, se debería poder lograr la máxima homogeneidad de distribución y, de ese modo, optimizar el rendimiento del compuesto. Esto también puede tener otras ramificaciones, como permitir que se logre un rendimiento más útil del compuesto en un cuerpo que tenga porosidad, lo que podría ser deseable por otros factores, como limitar la conductividad térmica.
También existen algunas oportunidades para utilizar el procesamiento de fusión para la fabricación de compuestos cerámicos, particulados, de fibras cortas y de fibras continuas. Claramente, tanto los compuestos particulados como los de fibras cortas son concebibles mediante precipitación en estado sólido después de la solidificación de la fusión. Esto también se puede obtener en algunos casos mediante sinterización, como en el caso de la zirconia parcialmente estabilizada y endurecida por precipitación. De manera similar, se sabe que se pueden solidificar direccionalmente mezclas eutécticas cerámicas y, por lo tanto, obtener compuestos de fibra alineados uniaxialmente. Este procesamiento de compuestos se ha limitado típicamente a formas muy simples y, por lo tanto, sufre de serios problemas económicos debido a los altos costos de mecanizado. [36] [37]
Es evidente que existen posibilidades de utilizar la fundición en muchos de estos métodos. Es incluso más deseable utilizar partículas derivadas de la fundición. En este método, el temple se realiza en una solución sólida o en una estructura eutéctica fina, en la que las partículas se procesan a continuación mediante métodos de procesamiento de polvo cerámico más típicos para obtener un cuerpo útil. También ha habido intentos preliminares de utilizar la pulverización de la fundición como medio para formar compuestos mediante la introducción de la fase de partículas dispersas, filamentos o fibras junto con el proceso de pulverización de la fundición.
Otros métodos además de la infiltración en estado fundido para fabricar compuestos cerámicos con refuerzo de fibras largas son la infiltración química de vapor y la infiltración de preformas de fibra con precursor orgánico , que tras la pirólisis dan lugar a una matriz cerámica amorfa , inicialmente de baja densidad. Con ciclos repetidos de infiltración y pirólisis se produce uno de esos tipos de compuestos de matriz cerámica . La infiltración química de vapor se utiliza para fabricar compuestos de carbono/carbono y carburo de silicio reforzados con fibras de carbono o carburo de silicio.
Además de las numerosas mejoras de los procesos, la primera de las dos principales necesidades de los compuestos de fibra es la reducción de los costes de la misma. La segunda necesidad importante son las composiciones o revestimientos de fibra, o el procesamiento de los compuestos, para reducir la degradación que resulta de la exposición de los compuestos a altas temperaturas en condiciones oxidantes. [36] [37]
Los productos de cerámica técnica incluyen baldosas utilizadas en el programa del transbordador espacial , boquillas de quemadores de gas , protección balística , pellets de óxido de uranio para combustible nuclear, implantes biomédicos , álabes de turbinas de motores a reacción y conos de nariz de misiles .
Sus productos suelen estar elaborados con materiales distintos de la arcilla, elegidos por sus propiedades físicas particulares. Estos pueden clasificarse de la siguiente manera:
La cerámica se puede utilizar en muchas industrias tecnológicas. Una de ellas son las baldosas cerámicas del transbordador espacial de la NASA , que se utilizan para protegerlo y proteger a los futuros aviones espaciales supersónicos del calor abrasador de la reentrada en la atmósfera terrestre. También se utilizan ampliamente en electrónica y óptica. Además de las aplicaciones enumeradas aquí, la cerámica también se utiliza como revestimiento en diversos casos de ingeniería. Un ejemplo sería un revestimiento cerámico para cojinetes sobre un armazón de titanio utilizado para una aeronave. Recientemente, el campo ha llegado a incluir los estudios de monocristales o fibras de vidrio, además de los materiales policristalinos tradicionales, y las aplicaciones de estos se han ido superponiendo y cambiando rápidamente.
La silicificación es bastante común en el mundo biológico y se produce en bacterias, organismos unicelulares, plantas y animales (invertebrados y vertebrados). Los minerales cristalinos formados en dicho entorno suelen mostrar propiedades físicas excepcionales (por ejemplo, resistencia, dureza, tenacidad a la fractura) y tienden a formar estructuras jerárquicas que exhiben un orden microestructural en un rango de escalas espaciales o de longitud. Los minerales se cristalizan en un entorno que está subsaturado con respecto al silicio y en condiciones de pH neutro y baja temperatura (0–40 °C). La formación del mineral puede ocurrir dentro o fuera de la pared celular de un organismo, y existen reacciones bioquímicas específicas para la deposición de minerales que incluyen lípidos, proteínas y carbohidratos.
La mayoría de los materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos cuyas propiedades mecánicas suelen ser excepcionales, teniendo en cuenta los débiles componentes que los componen. Estas estructuras complejas, que han surgido a partir de cientos de millones de años de evolución, están inspirando el diseño de nuevos materiales con propiedades físicas excepcionales para un alto rendimiento en condiciones adversas. Sus características definitorias, como la jerarquía, la multifuncionalidad y la capacidad de autocuración, se están investigando actualmente. [41]
Los bloques de construcción básicos comienzan con los 20 aminoácidos y continúan hasta los polipéptidos, polisacáridos y polipéptidos-sacáridos. Estos, a su vez, componen las proteínas básicas, que son los constituyentes primarios de los "tejidos blandos" comunes a la mayoría de los biominerales. Con más de 1000 proteínas posibles, la investigación actual enfatiza el uso de colágeno, quitina, queratina y elastina. Las fases "duras" a menudo se fortalecen con minerales cristalinos, que se nuclean y crecen en un entorno biomediado que determina el tamaño, la forma y la distribución de los cristales individuales. Las fases minerales más importantes se han identificado como hidroxiapatita, sílice y aragonito . Utilizando la clasificación de Wegst y Ashby, se han presentado las principales características mecánicas y estructuras de cerámicas biológicas, compuestos poliméricos, elastómeros y materiales celulares. Se están investigando sistemas seleccionados en cada clase con énfasis en la relación entre su microestructura en un rango de escalas de longitud y su respuesta mecánica.
Así, la cristalización de los materiales inorgánicos en la naturaleza ocurre generalmente a temperatura y presión ambiente. Sin embargo, los organismos vitales a través de los cuales se forman estos minerales son capaces de producir constantemente estructuras extremadamente precisas y complejas. Comprender los procesos mediante los cuales los organismos vivos controlan el crecimiento de minerales cristalinos como el sílice podría conducir a avances significativos en el campo de la ciencia de los materiales y abrir la puerta a nuevas técnicas de síntesis para materiales compuestos a escala nanométrica, o nanocompositos.
Se realizaron observaciones con microscopio electrónico de barrido (MEB) de alta resolución de la microestructura de la porción de nácar (o madreperla ) de la concha de abulón . Esas conchas exhiben la mayor resistencia mecánica y tenacidad a la fractura de cualquier sustancia no metálica conocida. El nácar de la concha de abulón se ha convertido en una de las estructuras biológicas estudiadas más intensivamente en la ciencia de los materiales. Claramente visibles en estas imágenes son las baldosas minerales prolijamente apiladas (u ordenadas) separadas por láminas orgánicas delgadas junto con una macroestructura de bandas de crecimiento periódico más grandes que colectivamente forman lo que los científicos actualmente denominan una estructura compuesta jerárquica. (El término jerarquía simplemente implica que hay una gama de características estructurales que existen en una amplia gama de escalas de longitud). [42]
Los desarrollos futuros residen en la síntesis de materiales bioinspirados mediante métodos y estrategias de procesamiento característicos de los sistemas biológicos, que implican el autoensamblaje a escala nanométrica de los componentes y el desarrollo de estructuras jerárquicas. [32] [33] [35] [43]
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