Estructuras cerámicas (continuación)
Vidrio cerámico
Las cerámicas con una estructura completamente vítrea tienen ciertas propiedades que son bastante diferentes de las de los metales. Recuerde que cuando el metal en estado líquido se enfría, un sólido cristalino precipita cuando se alcanza el punto de congelación de fusión. Sin embargo, con un material vítreo, a medida que el líquido se enfría, se vuelve más y más viscoso. No hay punto de fusión o congelación bruscos. Pasa de líquido a sólido de plástico blando y finalmente se vuelve duro y quebradizo. Debido a esta propiedad única, se puede soplar en formas, además de fundirse, enrollarse, dibujarse y procesarse de otro modo como un metal.
El comportamiento vítreo está relacionado con la estructura atómica del material. Si la sílice pura (SiO2) se fusiona, se forma un vidrio llamado sílice vítrea al enfriarse. La estructura de unidad básica de este vidrio es el tetraedro de sílice, que se compone de un solo átomo de silicio rodeado de cuatro átomos de oxígeno equidistantes. Los átomos de silicio ocupan las aberturas (intersticiales) entre los átomos de oxígeno y comparten cuatro electrones de valencia con los átomos de oxígeno a través de enlaces covalentes. El átomo de sílice tiene cuatro electrones de valencia y cada uno de los átomos de oxígeno tiene dos electrones de valencia, por lo que el tetraedro de sílice tiene cuatro electrones de valencia adicionales para compartir con el tetraédrico adyacente. Las estructuras de silicato se pueden unir al compartir los átomos en dos esquinas de los tetraedros de SiO2, formando estructuras de cadena o anillo. Se forma una red de cadenas tetraédricas de sílice, y a altas temperaturas estas cadenas se deslizan fácilmente entre sí. A medida que la masa fundida se enfría, la energía vibratoria térmica disminuye y las cadenas no se pueden mover con tanta facilidad, por lo que la estructura se vuelve más rígida. La sílice es el componente más importante del vidrio, pero se agregan otros óxidos para cambiar ciertas características físicas o para reducir el punto de fusión.
Material cerámico Cristalino o Parcialmente Cristalino
La mayoría de las cerámicas generalmente contienen elementos metálicos y no metálicos con enlaces iónicos o covalentes. Por lo tanto, se debe considerar la estructura de los átomos metálicos, la estructura de los átomos no metálicos y el equilibrio de cargas producidas por los electrones de valencia. Al igual que con los metales, la célula unitaria se utiliza para describir la estructura atómica de la cerámica. Las celdas cúbicas y hexagonales son las más comunes. Además, la diferencia de radios entre los iones metálicos y no metálicos juega un papel importante en la disposición de la célula unitaria.
En los metales, la disposición regular de los átomos en planos densamente empaquetados llevó a la aparición de deslizamiento bajo estrés, lo que le da al metal su ductilidad característica. En cerámica, la fractura frágil en lugar de deslizamiento es común porque tanto la disposición de los átomos como el tipo de unión son diferentes. Los planos de fractura o escisión de la cerámica son el resultado de planos de átomos dispuestos regularmente.
Los criterios de construcción para la estructura de cristal son:
- mantener la neutralidad
- el equilibrio de carga dicta la fórmula química
- lograr el embalaje más cercano
A continuación se describen algunos de los diferentes tipos de materiales cerámicos fuera de la familia de vidrio.
Cerámica de silicato
Como se mencionó anteriormente, la estructura de sílice es la estructura básica para muchas cerámicas, así como para el vidrio. Tiene una disposición interna que consiste en unidades piramidales (tetraédricas o de cuatro lados). Cuatro átomos grandes de oxígeno (0) rodean a cada átomo de silicio (Si) más pequeño. Cuando los tetraedros de sílice comparten tres átomos de esquina, producen silicatos en capas (talco, arcilla de caolinita, mica). La arcilla es la materia prima básica para muchos productos de construcción, como ladrillos y baldosas. Cuando los tetraedros de sílice comparten cuatro átomos de comer, producen silicatos de estructura (cuarzo, tridimita). El cuarzo se forma cuando los tetraedros de este material están dispuestos de manera regular y ordenada. Si la sílice en estado fundido se enfría muy lentamente, se cristaliza en el punto de congelación. Pero si la sílice fundida se enfría más rápidamente, el sólido resultante es una disposición desordenada que es vidrio.
Cemento
El cemento (cemento portland) es uno de los ingredientes principales del hormigón. Hay una serie de diferentes grados de cemento, pero un cemento portland típico contendrá de 19 a 25% de SiO2, de 5 a 9% de Al2O3, de 60 a 64% de CaO y de 2 a 4% de FeO. Los cementos se preparan moliendo las arcillas y la piedra caliza en la proporción adecuada, cociendo en un horno y rectificando. Cuando se agrega agua, los minerales se descomponen o se combinan con el agua, y una nueva fase crece en toda la masa. La reacción es solución, recristalización y precipitación de una estructura de silicato. Es importante controlar la cantidad de agua para evitar un exceso que no sería parte de la estructura y la debilitaría. El calor de hidratación (calor de reacción en la adsorción de agua) en el fraguado del cemento puede ser grande y puede causar daños en estructuras grandes.
Cerámica de nitruro
Los nitruros combinan la dureza superior de la cerámica con una alta estabilidad térmica y mecánica, lo que los hace adecuados para aplicaciones como herramientas de corte, piezas resistentes al desgaste y componentes estructurales a altas temperaturas. El estaño tiene una estructura cúbica que es quizás el tipo de estructura más simple y conocido. Ambos cationes y aniones se encuentran en los nodos de redes fcc separadas. La estructura no cambia si los átomos Ti y N (redes) se intercambian.
Cerámica ferroeléctrica
Dependiendo de la estructura cristalina, en algunas celosías de cristal, los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden incluso sin la aplicación de campo eléctrico externo. En este caso, se dice que existe polarización espontánea en el cristal. Cuando la polarización del dieléctrico puede ser alterada por un campo eléctrico, se llama ferroeléctrico. Un ferroeléctrico cerámico típico es el titanato de bario, BaTiO3. Los materiales ferroeléctricos, especialmente las cerámicas policristalinas, son muy prometedores para variedades de campos de aplicación, como transductores piezoeléctricos/electrostrictivos y electroópticos.
Diagrama de fases
El diagrama de fases es importante para comprender la formación y el control de la microestructura de la microestructura de cerámica polifásica, al igual que lo es con los materiales metálicos polifásicos. Además, las estructuras sin equilibrio son aún más frecuentes en la cerámica porque las estructuras de cristal más complejas son más difíciles de nuclear y crecer a partir de la masa fundida.
Imperfecciones en cerámica
Las imperfecciones en cristales cerámicos incluyen defectos puntuales e impurezas como en metales. Sin embargo, en la cerámica, la formación de defectos se ve fuertemente afectada por la condición de neutralidad de la carga, ya que la creación de áreas de cargas desequilibradas requiere un gasto de una gran cantidad de energía. En los cristales iónicos, la neutralidad de la carga a menudo resulta en defectos que vienen como pares de iones con carga opuesta o varios defectos de puntos cercanos en los que la suma de todas las cargas es cero. Los defectos neutros de carga incluyen los defectos Frenkel y Schottky. Un defecto de Frenkel ocurre cuando un átomo huésped se mueve a una posición intersticial cercana para crear un par de cationes intersticiales vacantes. Un defecto de Schottky es un par de vacantes cercanas de cationes y aniones. El defecto de Schottky ocurre cuando un átomo huésped deja su posición y se mueve a la superficie creando un par de vacantes.
A veces, la composición puede alterarse ligeramente para llegar a una carga atómica más equilibrada. Los sólidos como el SiO2, que tienen una fórmula química bien definida, se denominan compuestos estequiométricos. Cuando la composición de un sólido se desvía de la fórmula química estándar, se dice que el sólido resultante es no estequiométrico. La no-tiometría y la existencia de defectos puntuales en un sólido a menudo están estrechamente relacionados. Las vacantes de aniones son la fuente de la noequiometría en SiO2-x,
La introducción de átomos de impureza en la red es probable en condiciones donde se mantiene la carga. Este es el caso de las impurezas electronegativas que sustituyen a un anión reticular o impurezas sustitutivas electropositivas. Esto es más probable para radios iónicos similares, ya que minimiza la energía requerida para la distorsión de la red. Los defectos aparecerán si la carga de las impurezas no está equilibrada.
