Una cerámica es cualquiera de los diversos materiales duros, quebradizos , resistentes al calor y a la corrosión que se obtienen moldeando y luego cociendo un material inorgánico no metálico, como la arcilla , a alta temperatura. [1] [2] Ejemplos comunes son la loza , la porcelana y el ladrillo .
Las primeras cerámicas elaboradas por el hombre fueron objetos de alfarería (ollas, vasijas o jarrones) o figurillas elaboradas a partir de arcilla , ya sea sola o mezclada con otros materiales como la sílice , endurecida y sinterizada al fuego. Más tarde, las cerámicas se vidriaron y cocieron para crear superficies lisas y coloreadas, disminuyendo la porosidad mediante el uso de revestimientos cerámicos amorfos y vítreos sobre los sustratos cerámicos cristalinos. [3] La cerámica ahora incluye productos domésticos, industriales y de construcción, así como una amplia gama de materiales desarrollados para su uso en ingeniería cerámica avanzada, como los semiconductores .
La palabra cerámica proviene de la palabra griega antigua κεραμικός ( keramikós ), que significa "de o para la cerámica" [4] (de κέραμος ( kéramos ) 'arcilla de alfarero, teja, cerámica'). [5] La primera mención conocida de la raíz ceram- es el griego micénico ke-ra-me-we , trabajadores de la cerámica, escrito en escritura silábica lineal B. [6] La palabra cerámica puede usarse como adjetivo para describir un material, producto o proceso, o puede usarse como sustantivo, ya sea en singular o, más comúnmente, como sustantivo plural cerámica . [7]
El material cerámico es un material inorgánico, de óxido, nitruro o carburo metálico. Algunos elementos, como el carbono o el silicio , pueden considerarse cerámicos. Los materiales cerámicos son quebradizos, duros, resistentes a la compresión y débiles al corte y la tensión. Resisten la erosión química que se produce en otros materiales sometidos a ambientes ácidos o cáusticos. La cerámica generalmente puede soportar temperaturas muy altas, que van desde 1000 °C a 1600 °C (1800 °F a 3000 °F).
La cristalinidad de los materiales cerámicos varía ampliamente. La mayoría de las veces, la cerámica cocida está vitrificada o semivitrificada, como es el caso de la loza, el gres y la porcelana. La cristalinidad variable y la composición electrónica de los enlaces iónicos y covalentes hacen que la mayoría de los materiales cerámicos sean buenos aislantes térmicos y eléctricos (investigado en ingeniería cerámica ). Con una gama tan amplia de opciones posibles para la composición/estructura de una cerámica (casi todos los elementos, casi todos los tipos de unión y todos los niveles de cristalinidad), la amplitud del tema es enorme y los atributos identificables ( dureza , dureza , conductividad eléctrica ) son difíciles de especificar para el grupo en su conjunto. Propiedades generales como alta temperatura de fusión, alta dureza, mala conductividad, altos módulos de elasticidad , resistencia química y baja ductilidad son la norma, [8] con excepciones conocidas a cada una de estas reglas ( cerámica piezoeléctrica , temperatura de transición vítrea , cerámica superconductora). ).
Los compuestos como la fibra de vidrio y la fibra de carbono , aunque contienen materiales cerámicos, no se consideran parte de la familia cerámica. [9]
Los materiales cerámicos cristalinos altamente orientados no son susceptibles de una gran variedad de procesamiento. Los métodos para tratarlos tienden a caer en una de dos categorías: hacer la cerámica con la forma deseada mediante reacción in situ o "formar" polvos con la forma deseada y luego sinterizarlos para formar un cuerpo sólido. Las técnicas de formado de cerámica incluyen el moldeado a mano (que a veces incluye un proceso de rotación llamado "lanzamiento"), fundición en barbotina , fundición en cinta (utilizada para fabricar condensadores cerámicos muy delgados), moldeo por inyección , prensado en seco y otras variaciones.
Muchos expertos en cerámica no consideran que los materiales con un carácter amorfo (no cristalino) (es decir, el vidrio) sean cerámicos, aunque la fabricación de vidrio implica varios pasos del proceso cerámico y sus propiedades mecánicas son similares a las de los materiales cerámicos. Sin embargo, los tratamientos térmicos pueden convertir el vidrio en un material semicristalino conocido como vitrocerámica . [10] [11]
Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales arcillosos como la caolinita , mientras que los materiales más recientes incluyen el óxido de aluminio, más comúnmente conocido como alúmina . Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen el carburo de silicio y el carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, se utilizan en aplicaciones como placas de desgaste de equipos de trituración en operaciones mineras. La cerámica avanzada también se utiliza en las industrias médica, eléctrica, electrónica y de armaduras.
Los seres humanos parecen haber estado fabricando sus propias cerámicas durante al menos 26.000 años, sometiendo la arcilla y la sílice a un calor intenso para fusionarlas y formar materiales cerámicos. Los primeros encontrados hasta ahora se encontraban en el sur de Europa central y eran figuras esculpidas, no platos. [12] La cerámica más antigua conocida se fabricaba mezclando productos animales con arcilla y cociéndola a una temperatura de hasta 800 °C (1500 °F). Si bien se han encontrado fragmentos de cerámica de hasta 19.000 años de antigüedad, no fue hasta unos 10.000 años después que la cerámica normal se volvió común. Un pueblo primitivo que se extendió por gran parte de Europa lleva el nombre de su uso de la cerámica: la cultura Corded Ware . Estos primeros pueblos indoeuropeos decoraban su cerámica envolviéndola con una cuerda mientras aún estaba húmeda. Cuando se coció la cerámica, la cuerda se quemó pero dejó un patrón decorativo de surcos complejos en la superficie.
La invención del torno finalmente condujo a la producción de cerámica más suave y uniforme utilizando la técnica de formación de torno (lanzamiento), como el torno de alfarería . Las primeras cerámicas eran porosas y absorbían agua fácilmente. Se volvió útil para más artículos con el descubrimiento de técnicas de vidriado , que implicaban recubrir la cerámica con silicio, ceniza de hueso u otros materiales que podían derretirse y reformarse en una superficie vítrea, haciendo que un recipiente fuera menos permeable al agua.
Los artefactos cerámicos tienen un papel importante en la arqueología para comprender la cultura, la tecnología y el comportamiento de los pueblos del pasado. Se encuentran entre los artefactos más comunes que se encuentran en un sitio arqueológico, generalmente en forma de pequeños fragmentos de cerámica rota llamados tiestos . El procesamiento de los tiestos recolectados puede ser consistente con dos tipos principales de análisis: el técnico y el tradicional.
El análisis tradicional implica clasificar artefactos cerámicos, tiestos y fragmentos más grandes en tipos específicos según el estilo, la composición, la fabricación y la morfología. Al crear estas tipologías, es posible distinguir entre diferentes estilos culturales, la finalidad de la cerámica y el estado tecnológico de las personas, entre otras conclusiones. Además, al observar los cambios estilísticos de la cerámica a lo largo del tiempo, es posible separar (seriar) las cerámicas en distintos grupos de diagnóstico (ensamblajes). Una comparación de artefactos cerámicos con conjuntos fechados conocidos permite una asignación cronológica de estas piezas. [13]
El enfoque técnico del análisis cerámico implica un examen más detallado de la composición de los artefactos y tiestos cerámicos para determinar el origen del material y, a través de éste, el posible lugar de fabricación. Los criterios clave son la composición de la arcilla y el temple utilizado en la fabricación del artículo en estudio: el temple es un material que se añade a la arcilla durante la etapa inicial de producción y se utiliza para ayudar en el posterior proceso de secado. Los tipos de temple incluyen trozos de concha , fragmentos de granito y fragmentos de tiestos molidos llamados " grog ". El templado generalmente se identifica mediante un examen microscópico del material templado. La identificación de la arcilla se determina mediante un proceso de volver a cocer la cerámica y asignarle un color utilizando la notación Munsell Soil Color . Al estimar la composición de la arcilla y del temple y ubicar una región donde se sabe que ocurren ambas, se puede hacer una asignación de la fuente del material. Según la asignación de origen del artefacto, se pueden realizar más investigaciones sobre el lugar de fabricación.
Las propiedades físicas de cualquier sustancia cerámica son resultado directo de su estructura cristalina y composición química. La química del estado sólido revela la conexión fundamental entre la microestructura y las propiedades, como las variaciones localizadas de densidad, la distribución del tamaño de grano, el tipo de porosidad y el contenido de la segunda fase, que pueden correlacionarse con propiedades cerámicas como la resistencia mecánica σ según Hall- Ecuación de Petch, dureza , tenacidad , constante dieléctrica y propiedades ópticas que exhiben los materiales transparentes .
La ceramografía es el arte y la ciencia de la preparación, examen y evaluación de microestructuras cerámicas. La evaluación y caracterización de microestructuras cerámicas a menudo se implementan en escalas espaciales similares a las que se utilizan comúnmente en el campo emergente de la nanotecnología: desde nanómetros hasta decenas de micrómetros (μm). Suele estar entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución del ojo desnudo.
La microestructura incluye la mayoría de los granos, fases secundarias, límites de grano, poros, microfisuras, defectos estructurales y microindentaciones de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas se ven significativamente afectadas por la microestructura observada. El método de fabricación y las condiciones del proceso generalmente están indicados por la microestructura. La causa fundamental de muchas fallas cerámicas es evidente en la microestructura escindida y pulida. Las propiedades físicas que constituyen el campo de la ciencia e ingeniería de materiales incluyen las siguientes:
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Las propiedades mecánicas son importantes en materiales estructurales y de construcción, así como en tejidos textiles. En la ciencia de materiales moderna , la mecánica de fractura es una herramienta importante para mejorar el rendimiento mecánico de materiales y componentes. Aplica la física de la tensión y la deformación , en particular las teorías de la elasticidad y la plasticidad , a los defectos cristalográficos microscópicos encontrados en materiales reales para predecir las fallas mecánicas macroscópicas de los cuerpos. La fractografía se usa ampliamente con la mecánica de fracturas para comprender las causas de las fallas y también verificar las predicciones de fallas teóricas con fallas de la vida real.
Los materiales cerámicos suelen ser materiales con enlaces iónicos o covalentes . Un material mantenido unido por cualquier tipo de unión tenderá a fracturarse antes de que se produzca cualquier deformación plástica , lo que da como resultado una tenacidad deficiente en estos materiales. Además, debido a que estos materiales tienden a ser porosos, los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como concentradores de tensión , disminuyendo aún más la tenacidad y reduciendo la resistencia a la tracción . Estos se combinan para producir fallas catastróficas , a diferencia de los modos de falla más dúctiles de los metales.
Estos materiales sí presentan deformación plástica . Sin embargo, debido a la estructura rígida del material cristalino, hay muy pocos sistemas de deslizamiento disponibles para que las dislocaciones se muevan, por lo que se deforman muy lentamente.
Para superar el comportamiento frágil, el desarrollo de materiales cerámicos ha introducido la clase de materiales compuestos de matriz cerámica , en los que las fibras cerámicas están incrustadas y con recubrimientos específicos forman puentes de fibras a través de cualquier grieta. Este mecanismo aumenta sustancialmente la tenacidad a la fractura de dichas cerámicas. Los frenos de disco cerámicos son un ejemplo del uso de un material compuesto de matriz cerámica fabricado con un proceso específico.
Si una cerámica se somete a una carga mecánica sustancial, puede someterse a un proceso llamado plantilla de hielo , que permite cierto control de la microestructura del producto cerámico y, por lo tanto, cierto control de las propiedades mecánicas. Los ingenieros cerámicos utilizan esta técnica para ajustar las propiedades mecánicas a la aplicación deseada. Específicamente, la fuerza aumenta cuando se emplea esta técnica. La plantilla de hielo permite la creación de poros macroscópicos en una disposición unidireccional. Las aplicaciones de esta técnica de fortalecimiento de óxidos son importantes para pilas de combustible de óxido sólido y dispositivos de filtración de agua . [14]
Para procesar una muestra mediante plantilla de hielo, se prepara una suspensión coloidal acuosa que contiene el polvo cerámico disuelto uniformemente disperso por todo el coloide, [ se necesita aclaración ] por ejemplo , circonia estabilizada con itria (YSZ). Luego, la solución se enfría de abajo hacia arriba en una plataforma que permite el enfriamiento unidireccional. Esto obliga a los cristales de hielo a crecer de acuerdo con el enfriamiento unidireccional, y estos cristales de hielo fuerzan a las partículas de YSZ disueltas al frente de solidificación [ se necesita aclaración ] del límite de la interfase sólido-líquido, lo que da como resultado cristales de hielo puro alineados unidireccionalmente junto a bolsas concentradas de partículas coloidales. Luego, la muestra se calienta y, al mismo tiempo, la presión se reduce lo suficiente como para obligar a los cristales de hielo a sublimarse y las bolsas de YSZ comienzan a recocerse para formar microestructuras cerámicas alineadas macroscópicamente. Luego, la muestra se sinteriza aún más para completar la evaporación del agua residual y la consolidación final de la microestructura cerámica. [ cita necesaria ]
Durante la creación de plantillas con hielo, se pueden controlar algunas variables para influir en el tamaño de los poros y la morfología de la microestructura. Estas variables importantes son la carga inicial de sólidos del coloide, la velocidad de enfriamiento, la temperatura y duración de la sinterización y el uso de ciertos aditivos que pueden influir en la morfología microestructural durante el proceso. Una buena comprensión de estos parámetros es esencial para comprender las relaciones entre el procesamiento, la microestructura y las propiedades mecánicas de los materiales anisotrópicamente porosos. [15]
Algunas cerámicas son semiconductores . La mayoría de estos son óxidos de metales de transición que son semiconductores II-VI, como el óxido de zinc . Si bien existen perspectivas de producir en masa LED azules a partir de óxido de zinc, los ceramistas están más interesados en las propiedades eléctricas que muestran los efectos de los límites de grano . Uno de los más utilizados es el varistor. Estos son dispositivos que exhiben la propiedad de que la resistencia cae bruscamente a un cierto umbral de voltaje . Una vez que el voltaje a través del dispositivo alcanza el umbral, se produce una ruptura de la estructura eléctrica [ se necesita aclaración ] en las proximidades de los límites de los granos, lo que da como resultado que su resistencia eléctrica caiga de varios megaohmios a unos pocos cientos de ohmios . La principal ventaja de estos es que pueden disipar mucha energía y se reinician automáticamente; Después de que el voltaje a través del dispositivo cae por debajo del umbral, su resistencia vuelve a ser alta. Esto los hace ideales para aplicaciones de protección contra sobretensiones ; Como existe control sobre el voltaje umbral y la tolerancia energética, encuentran uso en todo tipo de aplicaciones. La mejor demostración de su capacidad la podemos encontrar en las subestaciones eléctricas , donde se emplean para proteger la infraestructura de la caída de rayos . Tienen una respuesta rápida, requieren poco mantenimiento y no se degradan apreciablemente con el uso, lo que los convierte en dispositivos prácticamente ideales para esta aplicación. Las cerámicas semiconductoras también se utilizan como sensores de gas . Cuando varios gases pasan sobre una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Si se adaptan las posibles mezclas de gases, se pueden fabricar dispositivos muy económicos.
En algunas condiciones, como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas exhiben superconductividad a altas temperaturas . [ se necesita aclaración ] No se comprende el motivo de esto, pero existen dos familias principales de cerámicas superconductoras.
La piezoelectricidad , un vínculo entre la respuesta eléctrica y mecánica, se manifiesta en una gran cantidad de materiales cerámicos, incluido el cuarzo utilizado para medir el tiempo en relojes y otros dispositivos electrónicos. Dichos dispositivos utilizan ambas propiedades de los piezoeléctricos: usan electricidad para producir un movimiento mecánico (alimentando el dispositivo) y luego usan este movimiento mecánico para producir electricidad (generando una señal). La unidad de tiempo medida es el intervalo natural necesario para que la electricidad se convierta en energía mecánica y viceversa.
El efecto piezoeléctrico es generalmente más fuerte en materiales que también exhiben piroelectricidad , y todos los materiales piroeléctricos también son piezoeléctricos. Estos materiales se pueden utilizar para interconvertir energía térmica, mecánica o eléctrica; por ejemplo, después de la síntesis en un horno, un cristal piroeléctrico que se deja enfriar sin aplicar tensión generalmente acumula una carga estática de miles de voltios. Estos materiales se utilizan en sensores de movimiento , donde el pequeño aumento de temperatura de un cuerpo caliente que entra en la habitación es suficiente para producir un voltaje mensurable en el cristal.
A su vez, la piroelectricidad se ve con mayor fuerza en materiales que también muestran el efecto ferroeléctrico , en los que un dipolo eléctrico estable puede orientarse o invertirse aplicando un campo electrostático. La piroelectricidad también es una consecuencia necesaria de la ferroelectricidad. Esto se puede utilizar para almacenar información en condensadores ferroeléctricos , elementos de la RAM ferroeléctrica .
Los materiales más comunes son el titanato de circonato de plomo y el titanato de bario . Aparte de los usos mencionados anteriormente, su fuerte respuesta piezoeléctrica se explota en el diseño de altavoces de alta frecuencia , transductores para sonar y actuadores para microscopios de fuerza atómica y de efecto túnel .
Los aumentos de temperatura pueden hacer que los límites de los granos se vuelvan repentinamente aislantes en algunos materiales cerámicos semiconductores, principalmente mezclas de titanatos de metales pesados . La temperatura de transición crítica se puede ajustar en un amplio rango mediante variaciones químicas. En tales materiales, la corriente pasará a través del material hasta que el calentamiento por julios lo lleve a la temperatura de transición, momento en el cual el circuito se interrumpirá y el flujo de corriente cesará. Estas cerámicas se utilizan como elementos calefactores autocontrolados, por ejemplo, en los circuitos de descongelación de las ventanillas traseras de los automóviles.
A la temperatura de transición, la respuesta dieléctrica del material se vuelve teóricamente infinita. Si bien la falta de control de la temperatura descartaría cualquier uso práctico del material cerca de su temperatura crítica, el efecto dieléctrico sigue siendo excepcionalmente fuerte incluso a temperaturas mucho más altas. Los titanatos con temperaturas críticas muy por debajo de la temperatura ambiente se han convertido en sinónimo de "cerámica" en el contexto de los condensadores cerámicos precisamente por esta razón.
Los materiales ópticamente transparentes se centran en la respuesta de un material a las ondas de luz entrantes de una variedad de longitudes de onda. Se pueden utilizar filtros ópticos selectivos de frecuencia para alterar o mejorar el brillo y el contraste de una imagen digital. La transmisión de ondas de luz guiada a través de guías de ondas selectivas de frecuencia implica el campo emergente de la fibra óptica y la capacidad de ciertas composiciones vítreas como medio de transmisión para un rango de frecuencias simultáneamente ( fibra óptica multimodo ) con poca o ninguna interferencia entre longitudes de onda o frecuencias en competencia. Este modo resonante de transmisión de energía y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (luz) , aunque de baja potencia, prácticamente no produce pérdidas. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (por ejemplo, diodos emisores de luz , LED) o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica locales y de larga distancia . También es de valor para los científicos de materiales emergentes la sensibilidad de los materiales a la radiación en la porción infrarroja térmica (IR) del espectro electromagnético . Esta capacidad de búsqueda de calor es responsable de fenómenos ópticos tan diversos como la visión nocturna y la luminiscencia IR .
Por lo tanto, existe una necesidad creciente en el sector militar de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz ( ondas electromagnéticas ) en las regiones visible (0,4 – 0,7 micrómetros) e infrarroja media (1 – 5 micrómetros). el espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren transparencia y translucidez de armaduras transparentes , incluidos misiles y cápsulas de alta velocidad de próxima generación , así como protección contra dispositivos explosivos improvisados (IED).
En la década de 1960, los científicos de General Electric (GE) descubrieron que, en las condiciones de fabricación adecuadas, algunas cerámicas, especialmente el óxido de aluminio (alúmina), podían volverse translúcidas . Estos materiales translúcidos eran lo suficientemente transparentes como para usarse para contener el plasma eléctrico generado en las farolas de sodio de alta presión . Durante las últimas dos décadas, se han desarrollado tipos adicionales de cerámicas transparentes para aplicaciones como conos de nariz para misiles buscadores de calor , ventanas para aviones de combate y contadores de centelleo para escáneres de tomografía computarizada . Otros materiales cerámicos, que generalmente requieren mayor pureza en su composición que los anteriores, incluyen formas de varios compuestos químicos, que incluyen:
Por conveniencia, los productos cerámicos se suelen dividir en cuatro tipos principales; estos se muestran a continuación con algunos ejemplos: [17]
Con frecuencia, las materias primas de la cerámica moderna no incluyen arcillas. [19] Los que sí lo hacen se han clasificado en:
La cerámica también se puede clasificar en tres categorías de materiales distintas:
Cada una de estas clases se puede desarrollar en propiedades materiales únicas.
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