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Materiales cerámicos

Los cerámicos son compuestos de elementos metálicos y no metálicos (Óxidos, nitruros y carburos), se caracterizan por tener resistencia a elevadas temperaturas, alta dureza, ser inertes químicamente a sustancia químicas, alimentos y al medio ambiente, resistentes al desgaste y a la corrosión, tienen baja conductividad térmica y eléctrica.

Historia

El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina cocción. El uso más antiguo de los cerámicos se conoce del año 4000 a.c. en alfarería y ladrillos. Durante mucho tiempo se utilizaron como materiales aislantes eléctricos en bujías y cada vez son más importantes como material para herramientas y matrices, motores térmicos y partes automotores.

Clasificación: pueden dividirse en dos categorías generales

  • Cerámicos tradicionales: utilizados en objetos de cerámica blanca, ladrillos, tuberías, utensilios de cocina y discos abrasivos.
  • Cerámicos industriales o de ingeniería: componentes de turbinas y aeroespaciales, intercambiadores calor, sellos, prótesis y herramientas de corte.

Cerámicos a base de óxido

Alúmina: es óxido de aluminio (Al2O3), es el más utilizado y se conoce que fue producido por primera vez en 1893 mediante la fusión de la bauxita (mineral de óxido de aluminio), limaduras de hierro y coque en hornos eléctricos. El producto es enfriado, se tritura y tamiza, las piezas hechas con este óxido se comprimen en frio y se sinterizan. Su uso principal se da en aislantes térmicos, eléctricos y en herramientas de corte y abrasivos, debido a su alta dureza y resistencia a elevadas temperaturas.

Zirconia: es el óxido de Zirconio (ZrO2), presentan buena tenacidad, resistencia al impacto térmico, al desgaste y a la corrosión, baja conductividad térmica y coeficiente de fricción. La zirconia estabilizada es la más utilizada (dopada con óxidos de calcio, itrio o magnesio). Se usan para matrices para la extrusión en caliente de metales, pinturas base, películas superficiales, en automóviles e impresiones en los empaques flexibles de alimentos, componentes de motores térmicos, revestimientos de cilindros y bujías de válvulas.

Cerámicos no óxidos

Carburos: se utilizan para herramientas de corte y materiales para matrices, hechos con tungsteno y titano y se utilizan como abrasivos unidos con Silicio, siendo los más usados: Carburo de tungsteno (WC) consiste en partículas de WC aglutinados con Cobalto, Carburo de titanio (TiC) con níquel y molibdeno como aglutinante y el carburo de silicio (SiC) el cual presenta una buena resistencia al desgaste, al impacto térmico y a la corrosión.

Nitruros: los más utilizados son el nitruro de boro cúbico(cBN), se aplica en herramientas de corte y como abrasivos de discos de esmerilado, no existe en forma natural y se produjo de manera sintética en 1970, el nitruro de Titanio (TiN), se utiliza como recubrimiento en herramientas de corte y el nitruro de silicio (Si3N4), posee una alta resistencia al impacto térmico, utilizado en componentes de motores de automóviles, turbinas de gas, rodamientos y boquillas, entre otros.

Sialón: consiste en nitruro de silicio con adiciones de óxido de aluminio, es utilizado en herramientas de corte.

Cermets: formados por una fase cerámica y otra metálica, son cerámicos prensados en caliente. Diseñados para aplicaciones a altas temperaturas como boquillas para motores de reacción y frenos de aeronaves, contienen óxidos, carburos y nitruros.

Sílice: la mayoría de los vidrios contienen un 50% de sílice, la forma más común de encontrarlo es el cuarzo, usado por su efecto piezoeléctrico. Por otro lado, los silicatos son producto de la reacción del Sílice con óxidos de aluminio, magnesio, calcio, potasio, sodio y hierro, como por ejemplo las arcillas, asbesto, la mica y los vidrios de silicato.

Biocerámicos: debido a su resistencia y a que son inertes, los cerámicos se utilizan como biomateriales para reemplazar las articulaciones del cuerpo humano, como dispositivos protésicos y en trabajos dentales. Los más usados son el oxido de aluminio, la hidroxiapatita, fosfato tricálcico, nitruro de silicio y compuestos de sílice. Los implantes cerámicos pueden fabricarse porosos, por lo que el hueso puede crecer dentro de ellos.

Cerámicas en la fabricación aditiva:

Una de las tecnologías principales para procesar cerámica técnica es la estereolitografía. Los procesos estereolitográficos de cerámica utilizan lechadas hechas de polvos cerámicos y una matriz polimérica, resinas, para producir piezas en verde. Se utiliza la Fotopolimerización en tanque_Vat photopolymerization_VPP , tanto con curado por exposición a rayos ultravioleta_UVL (SLA), como con curado por exposición a luz ultravioleta que brilla de forma selectiva a través de una máscara_UVM (DLP). Se comenzó a imprimir piezas biomédicas, implantes de cráneo, entre otras, especialmente con cerámicas técnicas.

Binder Jetting (BJT) o Proyección de Aglutinante es una de las tecnologías que comenzaron a fabricar con polvos cerámicos. Sus inicios se remontan a la década de los 90. La técnica consiste en la fabricación a través de polvos cerámicos gracias a un aglutinante que sobre un lecho de polvo se solidifica en sección transversal, en general, proporciona una solución más rápida y escalable en comparación con otras tecnologías de impresión 3D. Se ha utilizado principalmente para procesar cerámicas tradicionales como arena y cemento, pero los enfoques más recientes han visto su viabilidad para cerámicas técnicas como la alúmina, como carburo de silicio y Carburo de boro ya que son materiales oscuros, resistentes al calor que no absorben bien la luz que utilizan estos procesos.

Deposición de Material o Liquid Deposition Modeling, es una técnica de deposición de material que consiste en la deposición de capas de material cerámico hasta conformar la pieza o modelo, siguiendo las bases de la técnica de extrusión de material_MEX (FDM) pero con extrusores adaptados al material. Está técnica es igualmente la de menor coste, ya que la arcilla y los polímeros de relleno son sus principales materiales.

NanoParticle Jetting, donde las suspensiones líquidas que contienen nanopartículas sólidas de materiales de soporte y construcción seleccionados se inyectan en la bandeja de impresión para fabricar de forma aditiva piezas detalladas. Las suspensiones líquidas se entregan e instalan en cartuchos sellados sin problemas. La precisión de los cabezales de impresión de inyección de tinta más el uso de capas ultrafinas, que crean una resolución Z súper nítida, son importantes facilitadores de piezas de forma casi completas con los sistemas XJet. Esto es crucial para que la cerámica impresa en 3D logre una excelente forma y tolerancia dimensional.

Se ha conocido que algunos fabricantes han utilizado cerámicas en máquinas de Sinterizado Selectivo por Láser, fusión de lecho de polvo. Se espera que en los próximos años más empresas se sigan sumando a la evolución de esta tecnología.

Referencias: