La ingeniería cerámica es la ciencia y la tecnología de la creación de objetos a partir de materiales inorgánicos y no metálicos. Esto se hace mediante la acción del calor o a temperaturas más bajas mediante reacciones de precipitación de soluciones químicas de alta pureza. El término incluye la purificación de materias primas, el estudio y producción de los compuestos químicos de que se trate, 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 orden de largo alcance a escala atómica. Las vitrocerámicas pueden tener una estructura amorfa o vítrea, con orden atómico limitado o de corto 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 .
El carácter especial de los materiales cerámicos da lugar a numerosas aplicaciones en la ingeniería de materiales , la ingeniería eléctrica , la ingeniería química y la 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, las refinerías, 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 cerámica . Está relacionado con la antigua raíz del idioma indoeuropeo "quemar". [2] "Cerámica" puede usarse como sustantivo en singular para referirse a un material cerámico o al producto de fabricación 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 en ciencias de materiales se agrupa hasta el día de hoy con la ingeniería cerámica. [ cita necesaria ]
Abraham Darby utilizó por primera vez el coque en 1709 en Shropshire, Inglaterra, para mejorar el rendimiento de un proceso de fundición. [ cita necesaria ] El coque se utiliza ahora ampliamente para producir cerámicas de carburo. El alfarero Josiah Wedgwood abrió la primera fábrica de cerámica moderna en Stoke-on-Trent , Inglaterra, en 1759. El químico austriaco 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 utiliza para purificar alúmina para las industrias de cerámica y aluminio. [ cita necesaria ] 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 .
EG Acheson calentó una mezcla de coque y arcilla en 1893 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 aproximadamente 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 cementado (unidos por metal) aumentan en gran medida la durabilidad de las herramientas de corte de acero endurecido . WH Nernst desarrolló la circona cúbica estabilizada en los años 20 en Berlín. Este material se utiliza como sensor de oxígeno en sistemas de escape. La principal limitación del uso de la cerámica en ingeniería es su fragilidad. [1]
Los requisitos militares de la Segunda Guerra Mundial fomentaron el desarrollo, lo que creó la necesidad de materiales de alto rendimiento y ayudó a acelerar el desarrollo de la ciencia y la ingeniería cerámicas. A lo largo de las décadas de 1960 y 1970, se desarrollaron nuevos tipos de cerámica en respuesta a los avances en la energía atómica, la electrónica, las comunicaciones y los viajes espaciales. El descubrimiento de los superconductores cerámicos en 1986 ha estimulado una intensa investigación para desarrollar piezas cerámicas superconductoras para dispositivos electrónicos, motores eléctricos y equipos de transporte. [ cita necesaria ]
Existe una necesidad cada vez mayor en el sector militar de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz alrededor de las regiones visibles (0,4 a 0,7 micrómetros) e infrarrojas medias (1 a 5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren armadura transparente . La armadura transparente es un material o sistema de materiales diseñados para ser ópticamente transparentes y, al mismo tiempo, proteger contra fragmentaciones o impactos balísticos. El requisito principal para un sistema de blindaje transparente es no sólo derrotar la amenaza designada sino también proporcionar una capacidad de múltiples impactos con una distorsión mínima de las áreas circundantes. Las ventanas blindadas transparentes también deben ser compatibles con equipos de visión nocturna. Se buscan nuevos materiales que sean más finos, ligeros y que ofrezcan mejores prestaciones balísticas. [3]
Dichos componentes de estado sólido han encontrado un uso generalizado para diversas aplicaciones en el campo electroóptico, que incluyen: fibras ópticas para la transmisión de ondas de luz guiadas, interruptores ópticos , amplificadores y lentes láser, hosts para láseres de estado sólido y materiales de ventanas ópticas para láseres de gas, y Dispositivos de búsqueda de calor por infrarrojos (IR) para sistemas de guía de misiles y visión nocturna por infrarrojos . [4]
Actualmente, la ingeniería y la investigación cerámica, una industria que mueve miles de millones de dólares al año, se ha consolidado como un importante campo de la ciencia. Las aplicaciones continúan expandiéndose a medida que los investigadores desarrollan nuevos tipos de cerámicas para diferentes propósitos. [ 15]
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades tanto con el vidrio como con la cerámica. Las vitrocerámicas tienen una fase amorfa y una o más fases cristalinas y se producen mediante la denominada "cristalización controlada", que normalmente se evita en la fabricación de vidrio. Las vitrocerámicas a menudo contienen una fase cristalina que constituye entre el 30% [m/m] y el 90% [m/m] de su composición en volumen, lo que produce una variedad de materiales con interesantes propiedades termomecánicas. [5]
En el procesamiento de vitrocerámica, el vidrio fundido se enfría gradualmente antes de recalentarlo 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. Debido a que generalmente no hay prensado ni sinterización, las vitrocerámicas no contienen la fracción de volumen de porosidad típicamente 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 desde el punto de vista comercial tienen la particularidad de ser resistentes al choque térmico. Así, la vitrocerámica se ha vuelto extremadamente útil para cocinar en encimera. El coeficiente de expansión térmica (TEC) negativo de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el TEC positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino), la vitrocerámica tiene un TEC neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos hasta 1000 °C. [ 15]
El proceso cerámico tradicional generalmente sigue esta secuencia: Fresado → Dosificación → Mezclado → Conformado → Secado → Cocción → Ensamblaje. [7] [8] [9] [10]
Las técnicas de conformación de cerámica incluyen lanzamiento, fundición deslizante , fundición en cinta , fundición por congelación , moldeo por inyección, prensado en seco, prensado isostático, prensado isostático en caliente (HIP), impresión 3D y otras. Los métodos para formar polvos cerámicos en formas complejas son deseables en muchas áreas de la tecnología. Estos métodos son necesarios para producir piezas estructurales avanzadas de alta temperatura, como turbinas y componentes de motores térmicos . 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 al cocer. [7] A veces se utiliza un epoxi relleno de cerámica , como Martyte, para proteger el acero estructural en condiciones de impacto de gases de escape de cohetes. [11]
Estas técnicas de conformado son bien conocidas por proporcionar herramientas y otros componentes con estabilidad dimensional, calidad superficial, alta densidad (casi teórica) y uniformidad microestructural. El uso cada vez mayor y la diversidad de formas especiales de cerámica se suma a la diversidad de tecnologías de proceso que se utilizarán. [7]
Por lo tanto, las fibras y filamentos de refuerzo se fabrican principalmente mediante procesos de polímero, sol-gel o CVD, pero el procesamiento por fusión también tiene aplicabilidad. La forma especializada más utilizada son las estructuras en capas, siendo preeminente la fundición en cinta para sustratos y paquetes electrónicos. La fotolitografía es de creciente interés para el modelado preciso de conductores y otros componentes para dicho embalaje. Los procesos de moldeado o fundición de cintas también son de creciente interés para otras aplicaciones, que van desde estructuras abiertas como pilas de combustible hasta compuestos cerámicos. [7]
La otra estructura de capa importante es el recubrimiento, donde la pulverización en estado fundido es muy importante, pero la deposición física y química de vapor y los métodos químicos (por ejemplo, sol-gel y pirólisis de polímeros) están experimentando un uso cada vez mayor. Además de las estructuras abiertas a partir de cinta formada, se utilizan cada vez más estructuras extruidas, tales como soportes de catalizador en forma de panal, y estructuras altamente porosas, incluidas diversas espumas, por ejemplo, espuma reticulada . [7]
La densificación de cuerpos de polvo consolidados se sigue logrando principalmente mediante sinterización (desplacentera). 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 mayor calidad (principalmente homogeneidad microestructural), y un tamaño más grande o múltiples piezas por prensado pueden ser una ventaja. [7]
Los principios de los métodos basados en la sinterización son simples ("sinter" tiene sus raíces en el inglés " cinder "). La cocción se realiza a una temperatura inferior al punto de fusión de la cerámica. Una vez que se fabrica un objeto toscamente unido 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, dando como resultado un producto más denso con una resistencia y 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 del grano, dependiendo este crecimiento de la temperatura y la duración del proceso de sinterización. El crecimiento de los granos dará como resultado alguna forma de distribución del tamaño de los granos , lo que tendrá un impacto significativo en las propiedades físicas finales del material. En particular, el crecimiento anormal de granos en el que ciertos granos crecen muy grandes 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 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 de procesamiento.
La microestructura final (y por tanto las propiedades físicas) del producto final estará limitada y sujeta 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 numerosas mejoras posibles del proceso de sinterización. Algunos de los más comunes implican presionar el cuerpo verde para darle ventaja a la densificación y reducir el tiempo de sinterización necesario. A veces se añaden 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 añaden lubricantes orgánicos durante el prensado para aumentar la densificación. Es común combinarlos y agregar aglutinantes y lubricantes hasta obtener un polvo y luego presionar. (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 utilizan por miles de millones en electrónica , en condensadores, inductores , sensores , etc.)
Se puede utilizar una suspensión en lugar de un polvo y luego darle la forma deseada, secarla y luego sinterizarla. De hecho, la alfarería tradicional se elabora 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 está por encima del 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 de estado sólido. [12] Esta sinterización en fase líquida implica procesos de difusión más rápidos y puede provocar 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 el límite elástico se maximiza al disminuir el tamaño de grano, en última instancia, tamaños de grano muy pequeños hacen que el material se vuelva quebradizo. Considerado junto con el hecho de que el límite elástico es el parámetro que predice la deformación plástica en el material, se pueden tomar decisiones informadas sobre cómo aumentar la resistencia de un material dependiendo 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 el límite elástico.
En teoría, un material podría hacerse infinitamente fuerte si los granos se hicieran infinitamente pequeños. Desafortunadamente, esto es imposible porque el límite inferior del tamaño de grano es una sola celda unitaria del material. Incluso entonces, si los granos de un material tienen el tamaño de una sola celda unitaria, entonces el material es en realidad amorfo, no cristalino, ya que no existe un orden de largo alcance y las dislocaciones no se pueden definir en un material amorfo. Se ha observado experimentalmente que la microestructura con el límite elástico más alto es un tamaño de grano de aproximadamente 10 nanómetros, porque los granos más pequeños que éste sufren otro mecanismo de fluencia, el deslizamiento de los límites del grano. [13] Producir materiales de ingeniería con este tamaño de grano ideal es difícil debido a las limitaciones de los tamaños de partículas iniciales inherentes a los nanomateriales y la nanotecnología.
El modelo de Faber-Evans , desarrollado por Katherine Faber y Anthony G. Evans , fue desarrollado para predecir el aumento de la tenacidad a la fractura en cerámicas debido a la deflexión de la grieta alrededor de las partículas de la segunda fase que son propensas a microfisuras en una matriz. [14] 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 de la intensidad de la tensión local en la punta de la grieta cuando la grieta se desvía o el plano de la grieta se curva. La tortuosidad real de la grieta se obtiene mediante técnicas de imágenes, que permiten la entrada directa de ángulos de deflexión y de inclinación en el modelo.
El modelo calcula la tasa promedio de liberación de energía de deformación y compara el aumento resultante en la tenacidad a la fractura con el de una grieta plana a través de la matriz plana. La magnitud del endurecimiento está determinada por la deformación por desajuste causada por la incompatibilidad de la contracción térmica y la resistencia a la microfractura de la interfaz partícula/matriz. El endurecimiento se vuelve notable con una distribución de tamaño estrecha de partículas de tamaño apropiado, y los investigadores generalmente aceptan que los efectos de la deflexión en materiales con granos aproximadamente equiaxiales pueden aumentar la tenacidad a la fractura en aproximadamente el doble del valor del límite del grano. [15]
El modelo revela que el aumento de la tenacidad depende de la forma de las partículas y de la fracción de volumen de la segunda fase, siendo la morfología más efectiva 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 grieta entre las partículas, como lo indican los perfiles de deflexión. Las partículas en forma de disco y las esferas son menos efectivas para endurecerse. 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. Sólo para las partículas en 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. [dieciséis]
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 espaciado entre partículas ejerce una influencia significativa sobre el endurecimiento de las partículas esféricas; Se consigue un mayor endurecimiento cuando las esferas casi hacen contacto de modo que los ángulos de torsión se acercan 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, debería estar presente en cantidades del 10 al 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 un 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 rendimiento mejorado. [17] [18]
En el procesamiento de cerámicas finas, 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 de atracción de Van der Waals también puede dar lugar a faltas de homogeneidad microestructural. [7] [19]
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 solvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad. Tales tensiones se han asociado con una transición de plástico a frágil en cuerpos consolidados, [20] y pueden provocar la propagación de grietas en el cuerpo sin cocer si no se alivian.
Además, cualquier fluctuación en la densidad del empaquetamiento en el compacto mientras se prepara para el horno a menudo se amplifica durante el proceso de sinterización, produciendo una densificación no homogénea. [21] [22] Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con variaciones de densidad desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al aumentar y, por lo tanto, limitar las densidades finales. [23] 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 fallas que controlan la resistencia. [24]
Por lo tanto, parecería deseable procesar un material de tal manera que sea físicamente uniforme con respecto a la distribución de componentes y porosidad, en lugar de usar distribuciones de tamaño de partículas que maximizarán la densidad 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 proporcionan este potencial. [25]
Por lo tanto, los polvos monodispersos de sílice coloidal , por ejemplo, pueden estabilizarse suficientemente para asegurar 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 permitidos para establecer correlaciones de mayor alcance. [26] [27]
Estas estructuras coloidales policristalinas defectuosas parecen 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 implicados en la evolución microestructural en sistemas inorgánicos como las cerámicas policristalinas.
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 fuerzas externas. Se sabe que grandes grupos de tales partículas se ensamblan en conjuntos termodinámicamente estables y estructuralmente bien definidos, que recuerdan bastante a uno de los siete sistemas cristalinos que se encuentran en metalurgia y mineralogía (por ejemplo , cúbico centrado en las caras , cúbico centrado en el cuerpo , etc.). [ cita necesaria ] La diferencia fundamental en la estructura de equilibrio está en la escala espacial de la celda unitaria (o parámetro de red ) en cada caso particular.
Así, el autoensamblaje se perfila como una nueva estrategia en síntesis química y nanotecnología . El autoensamblaje molecular se ha observado en varios sistemas biológicos y es la base de la formación de una amplia variedad de estructuras biológicas complejas. Los cristales moleculares, los cristales líquidos, los coloides, las micelas, las emulsiones , los polímeros de fases separadas, 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 necesaria ]
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 bioinspiradas. 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 que se encuentran en la naturaleza. Se han identificado nuevos horizontes en la síntesis de materiales bioinspirados a través de procesos propios de los sistemas biológicos de la naturaleza. Esto incluye el autoensamblaje a nanoescala de los componentes y el desarrollo de estructuras jerárquicas . [26] [27] [29]
En los últimos años ha surgido un gran interés en la fabricación de composites cerámicos. Si bien existe un interés considerable en los composites con uno o más componentes no cerámicos, la mayor atención se centra en los composites en los que todos los constituyentes son cerámicos. Por lo general, comprenden dos constituyentes cerámicos: una matriz continua y una fase dispersa de partículas cerámicas, bigotes o fibras cerámicas cortas (picadas) o continuas . El desafío, al igual que en el procesamiento químico húmedo, es obtener una distribución uniforme u homogénea de la partícula dispersa o fase de fibra. [30] [31]
Consideremos primero el procesamiento de compuestos particulados. La fase particulada de mayor interés es la circona tetragonal debido al endurecimiento que se puede lograr a partir de la transformación de fase de la fase cristalina tetragonal metaestable a la monoclínica, también conocida como endurecimiento por transformación. También existe un interés sustancial en la dispersión de fases duras que no son óxidos, 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 Al 2 O 3 , TiO 2 , grafito y nitruro de boro. [30] [31]
En el procesamiento de compuestos particulados, la cuestión no es sólo la homogeneidad del tamaño y la distribución espacial de las fases dispersa y matricial, 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 parte de la fase dispersa. Los compuestos particulados, aunque generalmente ofrecen una mayor resistencia al daño, falla o ambos, siguen siendo bastante sensibles a las faltas de homogeneidad de la composición, así como a otros defectos de procesamiento, como los poros. Por tanto, necesitan un buen procesamiento para ser eficaces. [ 15]
Se han fabricado compuestos particulados a nivel comercial simplemente mezclando polvos de los dos constituyentes. Aunque este enfoque está inherentemente limitado en la homogeneidad que se puede lograr, es el más fácilmente adaptable a la tecnología de producción cerámica existente. Sin embargo, otros enfoques son de interés. [ 15]
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 del recubrimiento de matriz resultante. En principio, deberíamos poder conseguir lo último en homogeneidad de distribución y, por tanto, optimizar el rendimiento del compuesto. Esto también puede tener otras ramificaciones, como permitir que se logre un rendimiento compuesto más útil en un cuerpo que tiene porosidad, lo que podría ser deseable por otros factores, como limitar la conductividad térmica.
También existen algunas oportunidades para utilizar el procesamiento por fusión para la fabricación de compuestos cerámicos, particulados, de bigotes y de fibra corta y de fibra continua. Claramente son concebibles tanto compuestos en partículas como en forma de bigotes mediante precipitación en estado sólido después de la solidificación de la masa fundida. Esto también se puede obtener en algunos casos mediante sinterización, como en el caso del circonio parcialmente estabilizado y endurecido por precipitación. De manera similar, se sabe que se pueden solidificar direccionalmente mezclas eutécticas cerámicas y, por tanto, obtener compuestos de fibras alineados uniaxialmente. Este tipo de procesamiento de compuestos se ha limitado típicamente a formas muy simples y, por lo tanto, adolece de serios problemas económicos debido a los altos costos de mecanizado. [30] [31]
Claramente, existen posibilidades de utilizar la fundición por fusión para muchos de estos enfoques. Potencialmente aún más deseable es utilizar partículas derivadas de fusión. En este método, el enfriamiento se realiza en una solución sólida o en una estructura eutéctica fina, en la que las partículas luego se procesan mediante métodos de procesamiento de polvo cerámico más típicos hasta obtener un cuerpo útil. También ha habido intentos preliminares de utilizar la pulverización en estado fundido como medio para formar compuestos introduciendo la fase de partículas dispersas, bigotes o fibras junto con el proceso de pulverización en estado fundido.
Otros métodos además de la infiltración en fusión 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 después de la pirólisis producen una matriz cerámica amorfa , inicialmente con una baja densidad. Con ciclos repetidos de infiltración y pirólisis se produce uno de esos tipos de compuestos de matriz cerámica . La infiltración de vapor químico se utiliza para fabricar carbono/carbono y carburo de silicio reforzado con fibras de carbono o carburo de silicio.
Además de muchas mejoras en los procesos, la primera de las dos necesidades principales de los compuestos de fibra es reducir los costos de la fibra. La segunda necesidad importante son las composiciones o recubrimientos de fibras, o el procesamiento de compuestos, para reducir la degradación que resulta de la exposición del compuesto a altas temperaturas en condiciones oxidantes. [30] [31]
Los productos de cerámica técnica incluyen baldosas utilizadas en el programa del transbordador espacial , boquillas de quemadores de gas , protección balística , pastillas de óxido de uranio para combustible nuclear, implantes biomédicos , álabes de turbinas de motores a reacción y conos de ojivas de misiles .
Sus productos suelen estar fabricados con materiales distintos de la arcilla, elegidos por sus particulares propiedades físicas. Estos pueden clasificarse de la siguiente manera:
La cerámica se puede utilizar en muchas industrias tecnológicas. Una aplicación son las baldosas de cerámica del transbordador espacial de la NASA , que se utilizan para protegerlo y los futuros aviones espaciales supersónicos del calor abrasador del reingreso a 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 una estructura de titanio utilizada en un avión. 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 superpuesto y cambiado rápidamente.
La silicificación es bastante común en el mundo biológico y ocurre en bacterias, organismos unicelulares, plantas y animales (invertebrados y vertebrados). Los minerales cristalinos formados en dicho entorno a menudo muestran 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 longitud o escalas espaciales. Los minerales se cristalizan en un ambiente infrasaturado 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 sobresalientes, considerando los componentes débiles a partir de los cuales se ensamblan. Estas estructuras complejas, que han surgido a partir de cientos de millones de años de evolución, están inspirando el diseño de materiales novedosos con propiedades físicas excepcionales para un alto rendimiento en condiciones adversas. Actualmente se están investigando sus características definitorias, como la jerarquía, la multifuncionalidad y la capacidad de autocuración. [35]
Los componentes básicos comienzan con los 20 aminoácidos y continúan con 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, las investigaciones actuales enfatizan el uso de colágeno, quitina, queratina y elastina. Las fases "duras" suelen verse reforzadas por 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 han sido identificadas como hidroxiapatita, sílice y aragonita . 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 de cada clase con énfasis en la relación entre su microestructura en una variedad de escalas de longitud y su respuesta mecánica.
Así, la cristalización de 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 la sílice podría conducir a avances significativos en el campo de la ciencia de materiales y abrir la puerta a nuevas técnicas de síntesis de materiales compuestos a nanoescala o nanocompuestos.
Se realizaron observaciones con microscopio electrónico de barrido (SEM) de alta resolución de la microestructura de la porción de nácar (o nácar ) de la concha de abulón . Esas carcasas exhiben la mayor resistencia mecánica y tenacidad a la fractura de cualquier sustancia no metálica conocida. El nácar de la concha del abulón se ha convertido en una de las estructuras biológicas más estudiadas en la ciencia de los materiales. En estas imágenes son claramente visibles las baldosas minerales cuidadosamente apiladas (u ordenadas) separadas por finas láminas orgánicas junto con una macroestructura de bandas de crecimiento periódicas más grandes que en conjunto forman lo que los científicos llaman actualmente una estructura compuesta jerárquica. (El término jerarquía simplemente implica que existe una variedad de características estructurales que existen en una amplia gama de escalas de longitud). [36]
Los desarrollos futuros residen en la síntesis de materiales bioinspirados mediante métodos y estrategias de procesamiento característicos de los sistemas biológicos. Se trata de un autoensamblaje a nanoescala de los componentes y del desarrollo de estructuras jerárquicas. [26] [27] [29] [37]
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