Las propiedades físicas de cualquier sustancia cerámica son el resultado directo de su estructura cristalina y composición química. La química de estado sólido revela la conexión fundamental entre la microestructura y las propiedades, como las variaciones de densidad localizadas, la distribución del tamaño de grano, el tipo de porosidad y el contenido de segunda fase, que se pueden correlacionar 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 exhibidas por 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 a menudo se implementan en escalas espaciales similares a las utilizadas comúnmente en el campo emergente de la nanotecnología: desde decenas de angstroms (A) hasta decenas de micrómetros (µm). Esto suele estar en algún lugar entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución a simple vista.
La microestructura incluye la mayoría de los granos, fases secundarias, límites de grano, poros, microfisuras, defectos estructurales y micro muescas de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas a granel se ven afectadas significativamente por la microestructura observada. El método de fabricación y las condiciones del proceso se indican generalmente por la microestructura. La causa raíz de muchas fallas cerámicas 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:
Mecánica propertiesEdit
propiedades Mecánicas son importantes en estructurales y materiales de construcción así como de tejidos textiles. En la ciencia moderna de los materiales, la mecánica de fracturas es una herramienta importante para mejorar el rendimiento mecánico de materiales y componentes. Aplica la física del estrés y la deformación, en particular las teorías de elasticidad y plasticidad, a los defectos cristalográficos microscópicos encontrados en materiales reales para predecir el fallo mecánico macroscópico 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 teóricas de fallas con fallas de la vida real.
Los materiales cerámicos son generalmente materiales enlazados iónicos o covalentes, y pueden ser cristalinos o amorfos. Un material unido por cualquier tipo de unión tenderá a fracturarse antes de que se produzca cualquier deformación plástica, lo que resulta en una resistencia 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 muestran deformación plástica. Sin embargo, debido a la estructura rígida de los materiales cristalinos, hay muy pocos sistemas de deslizamiento disponibles para que las dislocaciones se muevan, por lo que se deforman muy lentamente. Con los materiales no cristalinos (vítreos), el flujo viscoso es la fuente dominante de deformación plástica, y también es muy lento. Por lo tanto, se descuida en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.
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 fibra a través de cualquier grieta. Este mecanismo aumenta sustancialmente la resistencia a la fractura de dichas cerámicas. Los frenos de disco cerámicos son un ejemplo de uso de un material compuesto de matriz cerámica fabricado con un proceso específico.
Plantillas de hielo para propiedades mecánicas mejoradaseditar
Si la cerámica se somete a una carga mecánica sustancial, puede someterse a un proceso llamado plantillas 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 su aplicación deseada. Específicamente, se aumenta la fuerza, 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 refuerzo de óxido son importantes para las pilas de combustible de óxido sólido y los dispositivos de filtración de agua.
Para procesar una muestra a través de plantillas de hielo, se prepara una suspensión coloidal acuosa para contener el polvo cerámico disuelto dispersado uniformemente por todo el coloide, por ejemplo, zirconia estabilizada con itria (YSZ). 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 las partículas YSZ disueltas al frente de solidificación del límite de la interfase sólido-líquido, lo que resulta en cristales de hielo puros alineados unidireccionalmente junto a bolsas concentradas de partículas coloidales. La muestra se calienta simultáneamente y la presión se reduce lo suficiente para forzar a los cristales de hielo a sublimarse y las bolsas YSZ comienzan a recocirse para formar microestructuras cerámicas alineadas macroscópicamente. La muestra se sinteriza posteriormente para completar la evaporación del agua residual y la consolidación final de la microestructura cerámica.
Durante la creación de plantillas 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 duración de 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.
Eléctrica propertiesEdit
SemiconductorsEdit
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 hay perspectivas de producción masiva de led azules 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 determinado voltaje de umbral. Una vez que el voltaje a través del dispositivo alcanza el umbral, se produce una ruptura de la estructura eléctrica en las proximidades de los límites de grano, lo que resulta en que su resistencia eléctrica caiga de varios megohmios a unos pocos cientos de ohmios. La principal ventaja de estos es que pueden disipar una gran cantidad de 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 de umbral y la tolerancia de energía, se usan en todo tipo de aplicaciones. La mejor demostración de su capacidad se puede encontrar en subestaciones eléctricas, donde se emplean para proteger la infraestructura de los rayos. Tienen una respuesta rápida, son de bajo mantenimiento y no se degradan apreciablemente por el uso, lo que los convierte en dispositivos prácticamente ideales para esta aplicación. Las cerámicas semiconductoras también se emplean como sensores de gas. Cuando se pasan 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.
Superconductividadeditar
En algunas condiciones, como la temperatura extremadamente baja, algunas cerámicas exhiben superconductividad de alta temperatura. La razón de esto no se entiende, pero hay dos familias principales de cerámicas superconductoras.
Ferroelectricidad y superseteseditar
La piezoelectricidad, un vínculo entre la respuesta eléctrica y mecánica, se exhibe en un gran número de materiales cerámicos, incluido el cuarzo utilizado para medir el tiempo en relojes y otros dispositivos electrónicos. Estos dispositivos usan ambas propiedades de los piezoeléctricos, usando electricidad para producir un movimiento mecánico (alimentar el dispositivo) y luego usando este movimiento mecánico para producir electricidad (generar una señal). La unidad de tiempo medida es el intervalo natural requerido 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 usar para inter-convertir entre energía térmica, mecánica o eléctrica; por ejemplo, después de la síntesis en un horno, un cristal piroeléctrico que se permite enfriar sin esfuerzo aplicado 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 medible en el cristal.
A su vez, la piroelectricidad se ve más fuertemente en materiales que también muestran el efecto ferroeléctrico, en el que un dipolo eléctrico estable puede orientarse o invertirse aplicando un campo electrostático. La piroelectricidad es también una consecuencia necesaria de la ferroelectricidad. Esto se puede usar para almacenar información en condensadores ferroeléctricos, elementos de RAM ferroeléctrico.
Los materiales más comunes son titanato de zirconato de plomo y titanato de bario. Aparte de los usos mencionados anteriormente, su fuerte respuesta piezoeléctrica se aprovecha en el diseño de altavoces de alta frecuencia, transductores para sonar y actuadores para microscopios de fuerza atómica y túnel de barrido.
Positivo térmica coefficientEdit
Los aumentos de temperatura pueden causar que los límites de grano se conviertan repentinamente en 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 por variaciones en la química. En tales materiales, la corriente pasará a través del material hasta que el calentamiento de julios lo lleve a la temperatura de transición, momento en el que el circuito se romperá y cesará el flujo de corriente. Estas cerámicas se utilizan como elementos calefactores autocontrolados, por ejemplo, en los circuitos de descongelación de las lunetas 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 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.
Propiedades opticaseditar
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 guiada de ondas de luz a través de guías de onda 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 competidoras. Este modo resonante de transmisión de energía y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas (de luz), aunque de baja potencia, es prácticamente sin pérdidas. Las guías de onda ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados (p. ej. 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 el científico 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 creciente necesidad en el sector militar de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz (ondas electromagnéticas) en el visible (0.4-0.7 micrómetros) y regiones del espectro del infrarrojo medio (1-5 micrómetros). Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente, incluidos misiles y vainas de alta velocidad de próxima generación, así como protección contra artefactos 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 hacerse translúcidas. Estos materiales translúcidos eran lo suficientemente transparentes como para ser utilizados para contener el plasma eléctrico generado en farolas de sodio de alta presión. Durante las últimas dos décadas, se han desarrollado tipos adicionales de cerámica transparente para aplicaciones como conos de nariz para misiles que buscan calor, ventanas para aviones de combate y contadores de centelleo para escáneres de tomografía computarizada.
A principios de la década de 1970, Thomas Soules fue pionero en el modelado por computadora de la transmisión de luz a través de alúmina cerámica translúcida. Su modelo mostró que los poros microscópicos en cerámica, principalmente atrapados en las uniones de granos microcristalinos, hacían que la luz se dispersara y evitaban una verdadera transparencia. La fracción de volumen de estos poros microscópicos tenía que ser inferior al 1% para una transmisión óptica de alta calidad.
Esto es básicamente un efecto de tamaño de partícula. La opacidad resulta de la dispersión incoherente de la luz en superficies e interfaces. Además de los poros, la mayoría de las interfaces en un objeto metálico o cerámico típico tienen la forma de bordes de grano que separan pequeñas regiones de orden cristalino. Cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión ya no se produce en una medida significativa.
En la formación de materiales policristalinos (metales y cerámica), el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la formación (o prensado) del objeto. Además, el tamaño de los límites de grano se escala directamente con el tamaño de partícula. Por lo tanto, una reducción del tamaño de partícula original por debajo de la longitud de onda de la luz visible (~ 0,5 micrómetros para violeta de onda corta) elimina cualquier dispersión de luz, lo que resulta en un material transparente.
Recientemente, científicos japoneses han desarrollado técnicas para producir piezas cerámicas que rivalizan con la transparencia de los cristales tradicionales (cultivados a partir de una sola semilla) y superan la resistencia a la fractura de un solo cristal. En particular, los científicos de la empresa japonesa Konoshima Ltd., un productor de materiales de construcción cerámicos y productos químicos industriales, ha estado buscando mercados para sus cerámicas transparentes.
Los investigadores de Livermore se dieron cuenta de que estas cerámicas podrían beneficiar en gran medida a los láseres de alta potencia utilizados en la Dirección de Programas de la Instalación Nacional de Encendido (NIF). En particular, un equipo de investigación de Livermore comenzó a adquirir cerámicas transparentes avanzadas de Konoshima para determinar si podían cumplir con los requisitos ópticos necesarios para el Láser de Capacidad Térmica de Estado Sólido (SSHCL) de Livermore. Los investigadores de Livermore también han estado probando aplicaciones de estos materiales para aplicaciones como controladores avanzados para plantas de energía de fusión impulsadas por láser.