Cerámica: definición, tipos, propiedades y aplicaciones

Por comodidad, los productos cerámicos suelen dividirse en cuatro sectores, que se muestran a continuación con algunos ejemplos:

• Estructurales, incluidos los ladrillos, las tuberías y las tejas
• Refractarios, como revestimientos de hornos, radiantes de gas, crisoles de acero y vidrio
• Artículos blancos, incluyendo vajilla, azulejos, objetos de arte decorativo y artículos sanitarios
• La cerámica técnica también se conoce como cerámica de ingeniería, avanzada, especial y, en Japón, cerámica fina. Entre estos artículos se encuentran las baldosas utilizadas en el programa del transbordador espacial, las toberas de los quemadores de gas, los chalecos antibalas, las pastillas de óxido de uranio para combustible nuclear, los implantes biomédicos, los álabes de las turbinas de los motores a reacción y los conos de ojiva de los misiles. A menudo las materias primas no incluyen arcillas.

Ejemplos de cerámica

• Porcelana
• Porcelana de pasta dura, cocida a mayor temperatura.
• Porcelana de pasta blanda, cocida a menor temperatura: La porcelana de hueso
• La loza, que suele estar hecha de arcilla, cuarzo y feldespato
• Gres

Clasificación de la cerámica técnica

La cerámica técnica también puede clasificarse en tres categorías de materiales distintas:

• Óxidos: alúmina, circonio
• No óxidos: carburos, boruros, nitruros, siliciuros
• Compuestos: reforzados con partículas, combinaciones de óxidos y no óxidos

Cada una de estas clases puede desarrollar propiedades materiales únicas.

Propiedades mecánicas

Los materiales cerámicos suelen ser materiales con enlaces iónicos o covalentes, y pueden ser cristalinos o amorfos. Un material unido por cualquiera de los dos tipos de enlace tenderá a fracturarse (romperse) antes de que se produzca cualquier deformación plástica, lo que da lugar a una escasa tenacidad en estos materiales. Además, como estos materiales tienden a tener muchos poros, éstos y otras imperfecciones microscópicas actúan como concentradores de tensión, disminuyendo aún más la tenacidad y reduciendo la resistencia a la tracción. Estos factores se combinan para provocar fallos catastróficos, a diferencia de los modos de fallo normalmente más suaves de los metales.

Estos materiales presentan una 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. En los materiales no cristalinos (vítreos), el flujo viscoso es la principal fuente de deformación plástica, y también es muy lento. Por ello, se ignora en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Propiedades eléctricas

Semiconductores

Hay una serie de cerámicas que son semiconductoras. La mayoría son óxidos de metales de transición que son semiconductores II-VI, como el óxido de zinc.

Aunque se habla de fabricar LEDs azules con óxido de zinc, los ceramistas están más interesados en las propiedades eléctricas que muestran los efectos de los límites de grano. Una de las más utilizadas es el varistor.

Las cerámicas semiconductoras también se emplean como sensores de gas. Cuando se hacen pasar varios gases por una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Con la sintonización de las posibles mezclas de gases, se pueden fabricar dispositivos muy baratos.

Superconductividad

En algunas condiciones, como la temperatura extremadamente baja, algunas cerámicas muestran superconductividad. No se conoce la razón exacta de ello, pero existen dos grandes familias de cerámicas superconductoras.

La ferroelectricidad y sus parientes

La piezoelectricidad, un vínculo entre la respuesta eléctrica y la mecánica, la presentan un gran número de materiales cerámicos, entre ellos el cuarzo utilizado para medir el tiempo en los relojes y otros aparatos electrónicos. Estos dispositivos convierten la electricidad en movimientos mecánicos y viceversa, formando un oscilador estable.

El efecto piezoeléctrico es generalmente más fuerte en los materiales que también muestran piroelectricidad, y todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos. Estos materiales pueden utilizarse para interconvertir la energía térmica, mecánica y/o eléctrica; por ejemplo, después de la síntesis en un horno, un cristal piroeléctrico que se deja enfriar sin tensión aplicada suele acumular una carga estática de miles de voltios. Este tipo de materiales se utilizan en sensores de movimiento, en los que el minúsculo aumento de temperatura de un cuerpo caliente que entra en la habitación es suficiente para producir una tensión medible en el cristal.

A su vez, la piroelectricidad se observa con mayor intensidad en materiales que también presentan 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. Se puede utilizar para almacenar información en condensadores ferroeléctricos, elementos de la memoria RAM ferroeléctrica.

Los materiales más comunes son el titanato de circonato de plomo y el titanato de bario. Además de los usos mencionados, 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 barrido de túneles.

Coeficiente térmico positivo

Los aumentos de temperatura pueden hacer que los límites de los granos se conviertan repentinamente en aislantes en algunos materiales cerámicos semiconductores, sobre todo mezclas de titanatos de metales pesados. La temperatura de transición crítica puede ajustarse en un amplio rango mediante variaciones en la química. En estos materiales, la corriente pasa a través del material hasta que el calentamiento por joules lo lleva a la temperatura de transición, momento en el que el circuito se rompe y el flujo de corriente cesa. Estas cerámicas se utilizan como elementos de calefacción autocontrolados, por ejemplo, en los circuitos de descongelación de las ventanillas traseras de los automóviles.

A la temperatura de transición, la respuesta dieléctrica del material se vuelve teóricamente infinita. Aunque 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.

Cerámicas no cristalinas: Las cerámicas no cristalinas, al ser vidrios, tienden a formarse a partir de fundidos. El vidrio se moldea cuando está totalmente fundido, mediante colada, o cuando se encuentra en un estado de viscosidad similar al del caramelo, mediante métodos como el soplado en un molde. Si los tratamientos térmicos posteriores hacen que esta clase se vuelva parcialmente cristalina, el material resultante se conoce como vitrocerámica.

Cerámica cristalina: Los materiales cerámicos cristalinos no se prestan a una gran variedad de tratamientos. Los métodos para tratarlos tienden a caer en una de estas dos categorías: o bien fabricar la cerámica con la forma deseada, por reacción in situ, o bien "formar" polvos con la forma deseada, y luego sinterizarlos para formar un cuerpo sólido. Las técnicas de conformación de la cerámica incluyen el moldeado a mano (que a veces incluye un proceso de rotación llamado "lanzamiento"), el moldeado por deslizamiento, el moldeado en cinta (utilizado para fabricar condensadores cerámicos muy finos, etc.), el moldeado por inyección, el prensado en seco y otras variaciones. (Véase también Técnicas de conformación de la cerámica. Los detalles de estos procesos se describen en los dos libros citados a continuación). Algunos métodos utilizan un híbrido entre los dos enfoques.

Fabricación in situ

El uso más común de este método es en la producción de cemento y hormigón. Aquí, los polvos deshidratados se mezclan con agua. Así se inician las reacciones de hidratación, que dan lugar a la formación de cristales largos y entrelazados alrededor de los agregados. Con el tiempo, éstos dan lugar a una cerámica sólida.

El mayor problema de este método es que la mayoría de las reacciones son tan rápidas que no es posible una buena mezcla, lo que suele impedir la construcción a gran escala. Sin embargo, se pueden fabricar sistemas a pequeña escala mediante técnicas de deposición, en las que los distintos materiales se introducen por encima de un sustrato, y reaccionan y forman la cerámica sobre el mismo. Esto toma prestadas técnicas de la industria de los semiconductores, como la deposición química de vapor, y es muy útil para los revestimientos.

Estos tienden a producir cerámicas muy densas, pero lo hacen lentamente.

Métodos basados en la sinterización

El principio de los métodos basados en la sinterización es sencillo. Una vez que se ha fabricado un objeto tosco (llamado "cuerpo verde"), se cuece en un horno, donde los procesos de difusión hacen que el cuerpo verde se contraiga. Los poros del objeto se cierran, dando lugar a un producto más denso y resistente. La cocción se realiza a una temperatura inferior al punto de fusión de la cerámica. Prácticamente siempre queda algo de porosidad, pero la verdadera ventaja de este método es que el cuerpo verde puede producirse de cualquier forma imaginable, y seguir siendo sinterizado. Esto lo convierte en una vía muy versátil.

Hay miles de refinamientos posibles de este proceso. Algunos de los más comunes consisten en prensar el cuerpo verde para adelantar 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; éstos se queman durante la cocción (a 200-350 °C). A veces se añaden lubricantes orgánicos durante el prensado para aumentar la densificación. No es infrecuente combinarlos y añadir aglutinantes y lubricantes a un polvo, y luego prensar. (La formulación de estos aditivos químicos orgánicos es un arte en sí mismo. Esto es especialmente importante en la fabricación de cerámicas de alto rendimiento, como las que se utilizan por miles de millones para la electrónica, en condensadores, inductores, sensores, etc. Las formulaciones especializadas más utilizadas en electrónica se detallan en el libro "Tape Casting", de R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Un libro completo sobre el tema, tanto para aplicaciones mecánicas como electrónicas, es "Organic Additives and Ceramic Processing", de D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Se puede utilizar una pasta en lugar de un polvo, y luego moldearla con la forma deseada, secarla y sinterizarla. De hecho, la cerámica tradicional se realiza con este tipo de método, utilizando una mezcla plástica trabajada con las manos.

Si se utiliza una mezcla de diferentes materiales en una cerámica, la temperatura de sinterización está a veces por encima del punto de fusión de uno de los componentes menores - una sinterización en fase líquida. Esto da lugar a tiempos de sinterización más cortos en comparación con la sinterización en estado sólido.

• Algunos cuchillos son de cerámica. La hoja del cuchillo de cerámica se mantendrá afilada durante mucho más tiempo que la del acero, aunque es más frágil y puede romperse al dejarla caer sobre una superficie dura.

• Cerámicas como la alúmina y el carburo de boro se han utilizado en blindajes corporales para repeler las balas. Un material similar se utiliza para proteger las cabinas de algunos aviones militares, debido a su bajo peso.

• Las bolas de cerámica pueden sustituir al acero en los rodamientos de bolas. Su mayor dureza hace que duren tres veces más. También se deforman menos bajo carga, lo que significa que tienen menos contacto con las paredes del soporte del rodamiento y pueden rodar más rápido. En aplicaciones de muy alta velocidad, el calor producido por la fricción durante la rodadura puede causar problemas a los rodamientos metálicos; problemas que se reducen con el uso de la cerámica. La cerámica también es más resistente químicamente y puede utilizarse en entornos húmedos donde los rodamientos de acero se oxidarían. El mayor inconveniente del uso de la cerámica es su elevado coste.

• A principios de la década de 1980, Toyota investigó un motor cerámico adiabático que puede funcionar a una temperatura de más de 6000 °F (3300 °C). Los motores cerámicos no necesitan un sistema de refrigeración y, por tanto, permiten una importante reducción de peso y, por ende, una mayor eficiencia de combustible. La eficiencia del combustible del motor más caliente también es mayor por el teorema de Carnot. En un motor metálico, gran parte de la energía liberada por el combustible debe disiparse como calor residual para que no funda las piezas metálicas. A pesar de todas estas propiedades deseables, este tipo de motores no se producen porque la fabricación de piezas cerámicas con la precisión y la durabilidad necesarias es difícil. Las imperfecciones de la cerámica provocan grietas que pueden destrozar el motor, posiblemente por explosión. La producción en serie no es factible con la tecnología actual.

• Las piezas cerámicas para los motores de turbina de gas pueden ser prácticas. En la actualidad, incluso los álabes fabricados con aleaciones metálicas avanzadas que se utilizan en la sección caliente de los motores requieren refrigeración y una cuidadosa limitación de las temperaturas de funcionamiento. Los motores de turbina fabricados con cerámica podrían funcionar de forma más eficiente, proporcionando a los aviones una mayor autonomía y carga útil con una cantidad determinada de combustible.

• La biocerámica incluye implantes dentales y huesos sintéticos. La hidroxiapatita, el componente mineral natural del hueso, se ha fabricado sintéticamente a partir de una serie de fuentes biológicas y químicas y se puede convertir en materiales cerámicos. Los implantes ortopédicos fabricados con estos materiales se adhieren fácilmente al hueso y a otros tejidos del cuerpo sin que se produzcan rechazos ni reacciones inflamatorias. Por ello, son de gran interés para el suministro de genes y los andamios de ingeniería tisular. La mayoría de las cerámicas de hidroxiapatita son muy porosas y carecen de resistencia mecánica, por lo que se utilizan para recubrir dispositivos ortopédicos metálicos con el fin de ayudar a formar una unión con el hueso o como rellenos óseos. También se utilizan como relleno de tornillos ortopédicos de plástico para ayudar a reducir la inflamación y aumentar la absorción de estos materiales plásticos. Se está trabajando en la fabricación de materiales cerámicos de hidroxiapatita nanocristalina, fuertes y totalmente densos, para dispositivos ortopédicos de soporte de peso, sustituyendo los materiales ortopédicos metálicos y plásticos extraños por un mineral óseo sintético, pero de origen natural. En última instancia, estos materiales cerámicos podrán utilizarse como sustitutos óseos o, con la incorporación de colágenos proteicos, como huesos sintéticos.

• La cerámica de alta tecnología se utiliza en las cajas de los relojes. Este material se valora por su ligereza, resistencia a los arañazos, durabilidad y tacto suave. IWC es una de las marcas que inició el uso de la cerámica en la relojería.