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 y no metálico, como la arcilla , a alta temperatura. [1] [2] Algunos ejemplos comunes son la loza , la porcelana y el ladrillo .
Las primeras cerámicas fabricadas por los seres humanos eran ladrillos de arcilla cocida que se utilizaban para construir paredes de casas y otras estructuras. Otros objetos de cerámica, como ollas, vasijas, jarrones y figurillas, se fabricaban con arcilla , ya sea sola o mezclada con otros materiales como sílice , endurecida por sinterización en el fuego. Más tarde, la cerámica se esmaltaba y se cocía para crear superficies lisas y coloreadas, disminuyendo la porosidad mediante el uso de recubrimientos 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 semiconductores .
La palabra cerámica proviene del griego antiguo κεραμικός ( keramikós ), que significa "de o para la cerámica" [4] (de κέραμος ( kéramos ) 'arcilla de alfarero, azulejo, cerámica'). [5] La mención más antigua 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 se puede utilizar como adjetivo para describir un material, producto o proceso, o puede usarse como sustantivo, ya sea singular o, más comúnmente, como el sustantivo plural cerámicas . [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 frágiles, duros, resistentes a la compresión y débiles al cizallamiento y la tensión. Resisten la erosión química que se produce en otros materiales sometidos a entornos ácidos o cáusticos. La cerámica generalmente puede soportar temperaturas muy altas, que van desde los 1000 °C a los 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 en los enlaces iónicos y covalentes hacen que la mayoría de los materiales cerámicos sean buenos aislantes térmicos y eléctricos (investigados en ingeniería cerámica ). Con una gama tan grande de opciones posibles para la composición/estructura de una cerámica (casi todos los elementos, casi todos los tipos de enlace y todos los niveles de cristalinidad), la amplitud del tema es vasta y los atributos identificables ( dureza , tenacidad , conductividad eléctrica ) son difíciles de especificar para el grupo en su conjunto. Las 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 , si bien contienen materiales cerámicos, no se consideran parte de la familia de las cerámicas. [9]
Los materiales cerámicos cristalinos altamente orientados no son susceptibles a una gran variedad de procesos. Los métodos para trabajar con ellos tienden a caer en una de dos categorías: o bien fabricar la cerámica en la forma deseada mediante reacción in situ o bien "formar" polvos en la forma deseada y luego sinterizarlos para formar un cuerpo sólido. Las técnicas de formación de cerámica incluyen el moldeado a mano (que a veces incluye un proceso de rotación llamado "lanzamiento"), el moldeado en barbotina , el moldeado en cinta (utilizado para fabricar condensadores cerámicos muy delgados), el moldeo por inyección , el 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 cerámicas, a pesar de que la fabricación del 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]
Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales arcillosos como la caolinita , mientras que los materiales más recientes incluyen óxido de aluminio, más comúnmente conocido como alúmina . Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, se utilizan en aplicaciones como las placas de desgaste de los equipos de trituración en operaciones mineras. Las cerámicas avanzadas también se utilizan en las industrias médica, eléctrica, electrónica y de blindaje.
Los seres humanos parecen haber estado fabricando su propia cerámica durante al menos 26.000 años, sometiendo arcilla y sílice a un calor intenso para fusionar y formar materiales cerámicos. Los primeros encontrados hasta ahora fueron en el sur de Europa central y eran figuras esculpidas, no platos. [11] La cerámica más antigua conocida se hizo mezclando productos animales con arcilla y cociéndola hasta 800 °C (1.500 °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 regular se volvió común. Un pueblo primitivo que se extendió por gran parte de Europa recibe su nombre por su uso de cerámica: la cultura de la cerámica cordada . Estos primeros pueblos indoeuropeos decoraban su cerámica envolviéndola con cuerda mientras aún estaba húmeda. Cuando se horneaban las cerámicas, la cuerda se quemaba pero dejaba un patrón decorativo de ranuras complejas en la superficie.
La invención del torno condujo finalmente a la producción de cerámica más lisa y uniforme mediante la técnica del torneado, como el torno de alfarería . Las primeras cerámicas eran porosas y absorbían el agua fácilmente. Se volvieron útiles para más artículos con el descubrimiento de las técnicas de esmaltado , que implicaban recubrir la cerámica con silicio, ceniza de hueso u otros materiales que pudieran fundirse y reformarse en una superficie vítrea, lo que hacía que la vasija 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: técnico y tradicional.
El análisis tradicional implica clasificar los artefactos cerámicos, los tiestos y los fragmentos de mayor tamaño en tipos específicos según el estilo, la composición, la fabricación y la morfología. Al crear estas tipologías, es posible distinguir entre diferentes estilos culturales, el propósito de la cerámica y el estado tecnológico de las personas, entre otras conclusiones. Además, al observar los cambios estilísticos en la cerámica a lo largo del tiempo, es posible separar (seriar) la cerámica en grupos diagnósticos distintos (conjuntos). Una comparación de los artefactos cerámicos con conjuntos fechados conocidos permite una asignación cronológica de estas piezas. [12]
El enfoque técnico del análisis cerámico implica un examen más detallado de la composición de los artefactos y fragmentos cerámicos para determinar la fuente del material y, a través de esto, el posible sitio 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 añadido a la arcilla durante la etapa inicial de producción y se utiliza para ayudar al proceso de secado posterior. Los tipos de temple incluyen piezas de concha , fragmentos de granito y piezas de fragmentos molidos llamados " grog ". El temple se identifica generalmente mediante el examen microscópico del material templado. La identificación de la arcilla se determina mediante un proceso de recalentamiento de la cerámica y asignación de un color utilizando la notación Munsell Soil Color . Al estimar tanto la composición de la arcilla como del temple y localizar una región donde se sabe que se encuentran ambos, se puede realizar una asignación de la fuente del material. Con base en la asignación de la fuente del artefacto, se pueden realizar más investigaciones sobre el sitio de fabricación.
Las propiedades físicas de cualquier sustancia cerámica son un 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 segunda fase, que pueden correlacionarse con las propiedades cerámicas, como la resistencia mecánica σ mediante la ecuación de Hall-Petch, la dureza , la tenacidad , la constante dieléctrica y las propiedades ópticas que exhiben los materiales transparentes .
La ceramografía es el arte y la ciencia de la preparación, el examen y la evaluación de microestructuras cerámicas. La evaluación y caracterización de microestructuras cerámicas se implementan a menudo en escalas espaciales similares a las que se utilizan comúnmente en el campo emergente de la nanotecnología: desde nanómetros hasta decenas de micrómetros (µm). Esto suele estar en algún punto 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 microhendiduras de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas en masa se ven afectadas significativamente por la microestructura observada. El método de fabricación y las condiciones del proceso generalmente se indican mediante la microestructura. La causa principal de muchas fallas de cerámica es evidente en la microestructura hendida 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 los materiales estructurales y de construcción, así como en los tejidos textiles. En la ciencia de los materiales modernos , la mecánica de fracturas es una herramienta importante para mejorar el rendimiento mecánico de los 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 que se encuentran en los materiales reales para predecir el fallo mecánico macroscópico de los cuerpos. La fractografía se utiliza ampliamente con la mecánica de fracturas para comprender las causas de los fallos y también para verificar las predicciones de fallos teóricos con fallos de la vida real.
Los materiales cerámicos suelen ser materiales unidos por enlaces iónicos o covalentes . Un material unido por cualquiera de estos tipos de enlaces 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 dar lugar a fallos catastróficos , a diferencia de los modos de fallo más dúctiles de los metales.
Estos materiales 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 desplacen, 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 se incrustan fibras cerámicas y, con recubrimientos específicos, se forman puentes de fibra 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.
Los científicos están trabajando en el desarrollo de materiales cerámicos que puedan soportar una deformación significativa sin romperse. El primer material de este tipo que puede deformarse a temperatura ambiente se descubrió en 2024. [13]
Si una cerámica se somete a una carga mecánica sustancial, puede sufrir un proceso llamado temple con 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. En concreto, la resistencia aumenta cuando se emplea esta técnica. El temple con hielo permite la creación de poros macroscópicos en una disposición unidireccional. Las aplicaciones de esta técnica de fortalecimiento con óxido son importantes para las pilas de combustible de óxido sólido y los dispositivos de filtración de agua . [14]
Para procesar una muestra a través de la formación de plantillas de hielo, se prepara una suspensión coloidal acuosa para contener el polvo cerámico disuelto uniformemente disperso en todo el coloide, [ aclaración necesaria ] por ejemplo, zirconia estabilizada con itrio (YSZ). Luego, la solución se enfría desde abajo hacia arriba en una plataforma que permite un 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 hacia el frente de solidificación [ aclaración necesaria ] del límite de interfase sólido-líquido, lo que da como resultado cristales de hielo puros alineados unidireccionalmente junto con bolsas concentradas de partículas coloidales. Luego, la muestra se calienta y, al mismo tiempo, la presión se reduce lo suficiente para obligar a los cristales de hielo a sublimar y las bolsas de YSZ comienzan a recocerse entre sí 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 requerida ]
Durante la formación de moldes de 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 la 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 entender las relaciones entre el procesamiento, la microestructura y las propiedades mecánicas de los materiales porosos anisotrópicamente. [15]
Algunas cerámicas son semiconductores . La mayoría de ellos son óxidos de metales de transición que son semiconductores II-VI, como el óxido de zinc . Si bien existen perspectivas de producir LED azules en masa a partir de óxido de zinc, los ceramistas están más interesados en las propiedades eléctricas que muestran efectos de límite 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 voltaje umbral . Una vez que el voltaje a través del dispositivo alcanza el umbral, hay una ruptura de la estructura eléctrica [ aclaración necesaria ] en la proximidad de los límites de grano, lo que hace 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 hay control sobre el voltaje umbral y la tolerancia a la energía, encuentran uso en todo tipo de aplicaciones. La mejor demostración de su capacidad la encontramos 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 emplean como sensores de gas . Al pasar varios gases sobre una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Con la adaptación a las posibles mezclas de gases, se pueden producir dispositivos muy económicos.
En determinadas condiciones, como por ejemplo temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas presentan superconductividad de alta temperatura (en superconductividad, "alta temperatura" significa por encima de los 30 K). No se entiende por qué esto ocurre, 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 que se utiliza para medir el tiempo en relojes y otros dispositivos electrónicos. Estos dispositivos utilizan ambas propiedades de la piezoelectricidad: utilizan electricidad para producir un movimiento mecánico (que alimenta el dispositivo) y luego utilizan este movimiento mecánico para producir electricidad (que genera 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 presentan piroelectricidad , y todos los materiales piroeléctricos también son piezoeléctricos. Estos materiales se pueden utilizar para realizar interconversiones entre 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. Dichos materiales se utilizan en sensores de movimiento , donde el pequeño aumento de temperatura de un cuerpo cálido que entra en la habitación es suficiente para producir un voltaje medible en el cristal.
A su vez, la piroelectricidad se observa con mayor fuerza en materiales que también presentan el efecto ferroeléctrico , en el que un dipolo eléctrico estable puede orientarse o invertirse mediante la aplicación de un campo electrostático. La piroelectricidad también es una consecuencia necesaria de la ferroelectricidad. Esta puede utilizarse para almacenar información en condensadores ferroeléctricos , elementos de la RAM ferroeléctrica .
Los materiales más comunes son el titanato zirconato de plomo y el titanato de bario . Además de los usos mencionados anteriormente, su fuerte respuesta piezoeléctrica se aprovecha en el diseño de altavoces de alta frecuencia , transductores para sonares y actuadores para microscopios de fuerza atómica y de efecto túnel .
Los aumentos de temperatura pueden hacer que los límites de grano se vuelvan repentinamente aislantes en algunos materiales cerámicos semiconductores, principalmente mezclas de titanatos de metales pesados . La temperatura crítica de transición se puede ajustar en un amplio rango mediante variaciones en la química. En tales materiales, la corriente pasará a través del material hasta que el calentamiento Joule lo lleve a la temperatura de transición, momento en el que el circuito se interrumpirá y el flujo de corriente cesará. Estas cerámicas se utilizan como elementos de calefacción autocontrolados en, por ejemplo, los circuitos de descongelación de la ventana trasera de los automóviles.
En 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 inferiores a 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 un rango de longitudes de onda. Los filtros ópticos selectivos de frecuencia se pueden utilizar para alterar o mejorar el brillo y el contraste de una imagen digital. La transmisión de ondas de luz guiadas a través de guías de onda selectivas de frecuencia involucra 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 (de luz) , aunque de baja potencia, es virtualmente sin pérdidas. Las guías de onda 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 local y de larga distancia . También es de valor para el científico de materiales emergente la sensibilidad de los materiales a la radiación en la porción infrarroja (IR) térmica 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 ello, en el sector militar existe una creciente necesidad 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) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente , incluidos los 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 otros tipos de cerámicas transparentes para aplicaciones como conos de ojiva para misiles termoguiados , ventanas para aviones de combate y contadores de centelleo para escáneres de tomografía computarizada . Otros materiales cerámicos, que generalmente requieren una mayor pureza en su composición que los anteriores, incluyen formas de varios compuestos químicos, entre ellos:
Para mayor comodidad, los productos cerámicos suelen dividirse en cuatro tipos principales, que se muestran a continuación con algunos ejemplos: [17]
Con frecuencia, las materias primas de la cerámica moderna no incluyen arcillas. [19] Las que sí las contienen se han clasificado como:
La cerámica también se puede clasificar en tres categorías de materiales distintas:
Cada una de estas clases puede desarrollarse hasta convertirse en propiedades materiales únicas.
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