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Tema 6. Materiales metálicos, cerámicos y polímeros (II)

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Autor: Javier Pozuelo de Diego

QUIMICA DE MATERIALES

TEMA 6. MATERIALES METÁLICOS, CERÁMICOS Y POLÍMEROS

Estructura de los materiales cerámicos

 

Enlace en Cerámicos

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Porcentaje de carácter iónico y covalente del enlace para algunos materiales cerámicos

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Empaquetamiento de iones en estructura iónicas

Estructura iónica: Empaquetamiento de aniones y cationes en posiciones de red e intersticios. Los iones tienden a empaquetarse densamente para disminuir la energía total.

Factores que determinan empaquetamiento:

 

Rcatión/Ranión
Electroneutralidad
Indice de coordinación.
Cuanto mayor es el índice de coordinación mayor es la estabilidad

 

Compartición de poliedros (compartir vértices antes que aristas o caras)

 

Posiciones intersticiales en redes compactas

Huecos tetraédricos
Huecos octaédricos

intersticio-octaedrointersticio-tetraedro

Principales Estructuras Cristalinas

Estructura cristalina tipo NaCl

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Estructura cristalina tipo CsCl

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Estructura cristalina tipo blenda (ZnS)

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Estructura cristalina tipo fluorita (CaF2)

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Estructura cristalina tipo Antifluorita (Li2O)

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Estructura cristalina tipo Corindón (Al2O3)

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Estructura cristalina tipo Espinela (MgAl2O4)

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Estructura cristalina tipo Perovskita (CaTiO3)

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Cerámicas Covalentes

 

Diamante

 

Todos los átomos con hibridación sp3

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Grafito

Todos los átomos con hibridación sp2

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Si3N4

 

El Si hibridación sp3, origina Tetraedros SiN4
El N hibridación sp2. Estructura abierta

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Estructura de los silicatos

 

Unidad básica estructural: formula123

  • Si está en coordinación tetraédrica

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  • Tipo de enlace: 50% iónico-50% covalente
  • rcatión/ranión= 0.29, origina estructructura estable con una coordinación tetraédrica
  • Los tetraedros están unidos por los vértices.


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Estructuras

Estructuras de silicatos aislados.

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Estructuras de silicatos En cadena. Los tetraedros están unidos por dos oxígenos.

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Estructuras de silicatos En planos. Los tetraedros están unidos por tres oxígenos de un mismo plano.

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Estructuras tridimensionales (Sílice). Los tetraedros están unidos por los cuatro oxígenos del tetraedro.

a_lz_ceramicos27 Cuarzo



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Feldespatos

Estructura similar a la Sílice, se reemplaza el silicio por aluminio, se compensa la carga negativa con cationes volumnosos Na+, K+, Ca2+, Ba2+, en las posiciones intersticiales.

Es el componente principal de cerámica tradicionales

Vidrios

 

Producto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido sin experimentar cristalización

Son sustancias no cristalinas: ausencia de orden a larga distancia

Propiedades especiales:
Transparencia
Dureza
Resistencia a la corrosión

Aplicaciones:
Construcción
Automoción
Industria química,...

Comportamiento del vídrio frente a solidificación:

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Sustancias constituyentes de vídrios

Destacan 3 tipos de óxidos:

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Tipos de Vidrio

Vidrios Sodo-cálcicos.

Son alrededor del 90% de los vidrios fabricados
71.73% SiO3; 12-14% Na2O; 10-12% CaO
Disminuyen la temperatura de transición vítrea de 1600 a 730ºC

Vidrios Borosilicatos

Al sustituir óxidos alcalinos por óxido de boro origina vidrios de baja expansión
Aumenta la temperatura de transición vítrea
Se denominan vidrio Pyrex
Uso: Hornos, vitrocerámicas, material de laboratorio, etc…

Vidrios al plomo

Funden fácilmente y se utilizan para soldar otros vidrios
Pueden proteger de la radiación

Propiedades de los materiales cerámicos

 

Propiedades eléctricas de los cerámicos

Muchos se utilizan como aislantes eléctricos para corrientes de alto y bajo voltaje. En condensadores especialmente cuando se requiere minituarización. Como piezoeléctricos que pueden convertir débiles señales de presión en señales eléctricas y viceversa.



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Propiedades básicas de los dieléctricos

Constante dieléctrica. Supongamos un condensador sencillo de placas paralelas.

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Si consideramos dos placas a las que se le aplica una diferencia de potencial, estas placas se cargan, una con cargas positivas y otra con cargas negativas. La carga que se crea es proporcional al voltaje que se aplica, la constante de proporcionalidad es la capacidad del condensador

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Para un condensador de placas paralelas:

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Si existe un dieléctrico

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Rigidez dieléctica. Es el campo máximo que el dieléctrico puede mantener sin romperse.

Factor de pérdida de un dieléctrico. Es la cantidad de energía eléctrica perdida, como energía calorífica, por un condensador en un circuito de corriente alterna.



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Materiales cerámicos aislantes

Porcelana Eléctrica

50%arcilla (Al2O3·2SiO2·H2O); 25% de SiO2 y 25% de feldespato (K2O·Al2O3·6SiO2), son varatos pero su factor de pérdida es alto.

Esteatita

90% de Talco(3MgO·4SiO2·H2O) y un 10% de arcilla (Al2O3·2SiO2·H2O), son buenos aislantes eléctricos por tener un factor de pérdida es bajo.

Fosterita

Mg2SiO4, tiene mayor resistividad y menores factores de pérdida

Alúmina

Al2O3, tiene alta resistividad y bajos factores de pérdida



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Materiales Cerámicos para condensadores.

Se usa como base: BaTiO3 por su elevada constante dieléctrica

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Materiales cerámicos ferroeléctricos

Efecto piezoeléctrico.

Son materiales que tienen mantienen momentos dipolares alineados con el campo. Si se aplica sobre ellos una fuerza de compresión disminuye la distancia entre los dipolos unitarios. Esto genera una diferencia de potencial.

De la misma forma, si se les aplica una diferencia de potencial cambian de tamaño.

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Propiedades mecánicas

Dureza

Sólidos muy duros
La Dureza (Covalentes) es mayor que la Dureza (Iónicos)

Módulo de elasticidad

El módulo elástico no es función del tiempo de aplicación de la carga
Es mayor que el de los metales por lo que se emplea en forma de fibras en Materiales Compuestos

Resistencia a la fractura

 

Se caracterizan por baja Tenacidad a la fractura.

Suelen tener alta porosidad, que actúa como concentrador de tensiones.
Rotura frágil y catastrófica
Formación de poros durante fabricación (mala sinterización)

Choque térmico

Fractura parcial o total debido a cambios de bruscos de temperatura
Las Variaciones de temperatura rápidas originan gradientes fuertes de temperatura que originan grandes tensiones residuales que provocan la fractura

Procesado de materiales cerámicos

 

Fabricación de polvo cerámico

  • Producción y síntesis de polvos cerámicos

Métodos Físicos (Molienda)
Métodos Químicos:

Descomposición de sales
Co-precipitación de sales
Sol-gel
Descomposición de compompuestos organometálicos
Evaporación-condensación

  • Caracterización de polvos:

Química, estructural, morfológica, propiedades de masa,...

Conformado

Acondicionamiento de producto
Compactación de polvos

Tratamiento térmicos

Secado y eliminación de aglutinante
Sinterización



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Conformado de materiales cerámicos

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Prensado uniaxial

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Prensado isostático en frío

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Prensado isostático en caliente (HIP)

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Moldeo en barbotina

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Colada en cinta

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Extrusión

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Moldeo por inyección

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Tratamientos térmicos

 

Secado

Consiste en la eliminación del agua o del aglutinante a temperaturas bajas y durante tiempos altos.

Para el agua: temperaturas < 100ºC durante tiempos de ~ 24 h



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Sinterización

Consiste en la transformación de un producto compacto y poroso en uno denso y coherente.

Las partículas coalescen por difusión a temperaturas altas pero menores a la temperatura de fusión

Con el tiempo de sinterización aumenta los tamaños de grano y disminuye la porosidad



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Vitrificación

Algunos cerámicos tienen una fase vítrea, esta fase sirve como medio de reacción para que la difusión pueda ocurrir a menor temperatura que en el resto del material cerámico.

En el tratamiento a altas temperaturas la fase vítrea puede licuar y así rellenar los poros.

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