Cerámica técnica para niños

Un freno de disco de carbono-cerámica en un Mercedes-AMG.

La cerámica técnica se refiere al uso de materiales cerámicos en aplicaciones de tecnología avanzada. La palabra cerámica viene del griego keramos, que significa "quemar". Originalmente, se usaba para hablar de la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, hoy en día, el término incluye a todos los materiales que no son metales ni orgánicos, y que se forman con calor (un proceso llamado sinterización).

Hasta mediados del siglo XX, los materiales cerámicos más comunes eran las arcillas tradicionales. Estas se usaban para hacer alfarería, ladrillos, azulejos, cemento y vidrio. El arte de la cerámica tradicional se puede ver en la alfarería. También existe una técnica antigua de Oriente llamada rakú.

Históricamente, los productos cerámicos eran duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica busca mejorar estos materiales para que sean más resistentes y tengan nuevos usos. También se combinan con otros materiales, como en los cermets, que mezclan metales y cerámicas.

¿Qué tipos de materiales cerámicos existen?

Los materiales cerámicos se usan en muchas cosas diferentes. Aquí te mostramos algunos ejemplos:

• Nitruro de silicio (Si₃N₄): Se usa como polvo para pulir o lijar.
• Carburo de boro (B₄C): Se encuentra en algunas partes de helicópteros y en el blindaje de tanques.
• Carburo de silicio (SiC): Se usa en hornos de microondas, como material abrasivo y para soportar altas temperaturas.
• Diboruro de magnesio (MgB₂): Es un material que conduce la electricidad de forma especial a bajas temperaturas (superconductor).
• Óxido de zinc (ZnO): Es un material que puede conducir la electricidad bajo ciertas condiciones (semiconductor).
• Ferrita (Fe₃O₄): Se usa en partes de transformadores eléctricos y en memorias magnéticas.
• Esteatita: Se utiliza como aislante para la electricidad.
• Óxido de uranio (UO₂): Se emplea como material especial en ciertas aplicaciones de energía.
• Óxido de itrio, bario y cobre (YBa₂Cu₃O_7-x): Otro material superconductor que funciona a temperaturas más altas.

¿Cómo se comportan los materiales cerámicos?

Propiedades mecánicas de la cerámica

Los materiales cerámicos suelen ser frágiles o parecidos al vidrio. Se rompen fácilmente cuando se estiran y no son muy elásticos, porque suelen tener pequeños agujeros (poros). Estos poros y otras imperfecciones hacen que el material sea más débil.

Los cerámicos son muy rígidos. Por ejemplo, el carburo de titanio (TiC) es muy duro. Su dureza cambia un poco con la temperatura, volviéndose menos rígido si hace mucho calor.

Aunque son rígidos, pueden deformarse un poco, pero lo hacen muy lentamente. Esto se debe a que su estructura interna es muy fuerte. En los materiales que no son cristalinos (como el vidrio), la deformación ocurre por un flujo lento, casi como un líquido muy espeso.

Los cerámicos son muy resistentes a la compresión, incluso a temperaturas muy altas (hasta 1500 °C). Esto significa que soportan muy bien cuando se les aprieta. Sin embargo, si se les estira o se les tuerce, las grietas se abren y se rompen.

No son muy resistentes a la rotura repentina, pero se pueden mejorar añadiendo fibras o cambiando su estructura interna.

Una ventaja importante es que mantienen sus propiedades duras incluso a temperaturas elevadas. Por su gran dureza, se usan mucho como abrasivos y en las puntas de herramientas de corte.

Comportamiento refractario

Sistema de protección térmica de un transbordador espacial.

Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin derretirse. A estos se les llama materiales refractarios. Generalmente, no conducen bien el calor, por lo que se usan como aislantes. Por ejemplo, las naves espaciales tienen azulejos cerámicos que las protegen del calor extremo cuando regresan a la atmósfera de la Tierra.

Los cerámicos suelen funcionar bien a altas temperaturas, pero pueden romperse si la temperatura cambia muy rápido (esto se llama choque térmico).

• Resistencia al calor extremo: Mantener las propiedades a altas temperaturas es muy importante en industrias como la aeroespacial. Los cerámicos suelen ser muy resistentes a la deformación por calor, porque tienen puntos de fusión muy altos y necesitan mucha energía para que sus partículas se muevan.

• Choque térmico: Es cuando un material se rompe por un cambio brusco de temperatura. Esto crea tensiones en la superficie que pueden causar fracturas. La cantidad de poros en el material afecta su resistencia al choque térmico. Menos poros (más densidad) significa menos resistencia al choque térmico y menos aislamiento, pero más resistencia mecánica. A menudo se usan materiales combinados: una capa porosa para aislar y una capa más densa para dar resistencia.

Es sorprendente que estos materiales puedan usarse a temperaturas donde incluso se ablandan un poco. Por ejemplo, los ladrillos de dióxido de silicio (SiO₂) que recubren los hornos para fundir acero funcionan a más de 1650 °C, ¡cuando algunos de ellos empiezan a ablandarse!

¿Cómo se comportan eléctricamente?

La cerámica ha avanzado mucho en aplicaciones eléctricas, donde puede mostrar propiedades sorprendentes.

Aislamiento eléctrico y propiedades dieléctricas

La mayoría de los materiales cerámicos no permiten que las cargas eléctricas se muevan, por lo que no conducen la electricidad. Esto se debe a que sus enlaces químicos (iónicos y covalentes) impiden el movimiento de electrones. Por eso, son excelentes aislantes eléctricos. Combinados con su resistencia, esto los hace útiles en la generación y transmisión de energía.

Las torres de alta tensión, por ejemplo, usan discos de porcelana para sostener los cables. Estos discos aíslan lo suficiente como para resistir rayos y son lo bastante fuertes para soportar el peso de los cables.

Una propiedad relacionada es la dieléctrica. Un material dieléctrico puede almacenar energía eléctrica sin perderla. Esto es muy importante para fabricar condensadores eléctricos.

La cerámica dieléctrica se usa principalmente en dos áreas: para aplicaciones de alta frecuencia (como microondas y transmisores de radio) y para materiales con alta capacidad de almacenamiento eléctrico (ferroeléctricos).

Superconductividad

Bajo ciertas condiciones, como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas pueden volverse superconductoras. Esto significa que conducen la electricidad sin ninguna resistencia. La razón exacta de este fenómeno aún se está investigando.

Un compuesto muy conocido es el YBCO (YBa₂Cu₃O_7-x). Es fácil de fabricar y se vuelve superconductor a 90 K (que es más cálido que el nitrógeno líquido, 77 K).

Otro grupo de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio. Es diferente a otros superconductores porque no es un óxido de cobre ni un metal. Estudiarlo podría ayudar a entender mejor la superconductividad.

Semiconductividad

Algunas cerámicas son semiconductoras. La mayoría son óxidos de metales de transición, como el óxido de zinc.

Las cerámicas semiconductoras se usan como sensores de gas. Cuando diferentes gases pasan por una cerámica, su resistencia eléctrica cambia. Ajustando las mezclas de gases, se pueden crear sensores de gas económicos.

Ferroelectricidad, piezoelectricidad y piroelectricidad

Un material ferroeléctrico tiene una carga eléctrica interna que se puede cambiar aplicando un campo eléctrico. Estos materiales se usan en memorias de computadora. Su carga interna también puede cambiar con campos eléctricos (electrostricción), con presión (piezoelectricidad) o con cambios de temperatura (piroelectricidad).

Un material piezoeléctrico genera electricidad cuando se le aplica presión, o se deforma cuando se le aplica un campo eléctrico. Si el campo eléctrico es alterno, el material vibra. Se usan mucho como sensores, por ejemplo, en micrófonos, generadores de ultrasonido y medidores de presión. Todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero no todos los piezoeléctricos son ferroeléctricos.

Un material piroeléctrico produce un campo eléctrico cuando se calienta. Algunas cerámicas piroeléctricas son tan sensibles que pueden detectar pequeños cambios de temperatura, como cuando una persona entra a una habitación. Estos dispositivos se usan en visión nocturna y detectores de movimiento.

¿Cómo se fabrican los materiales cerámicos?

Las cerámicas que no son cristalinas (como el vidrio) suelen formarse a partir de materiales fundidos. El vidrio se moldea soplando, prensando, laminando, estirando o vertiendo.

Los materiales cerámicos cristalinos se procesan de dos maneras principales: 1. Haciendo que los materiales reaccionen en el lugar para formar la cerámica. 2. Dando forma a polvos y luego calentándolos (sinterización) para que se vuelvan sólidos. Algunos métodos combinan ambas formas.

Fabricación in situ

El ejemplo más común es la producción de cemento y concreto. Se mezclan polvos secos con agua. Esto inicia reacciones que forman cristales grandes y conectados alrededor de otros materiales, creando una cerámica sólida.

El problema es que estas reacciones suelen ser muy rápidas, lo que dificulta hacer mezclas grandes. Sin embargo, se pueden hacer piezas pequeñas depositando diferentes materiales sobre una superficie, donde reaccionan y forman la cerámica.

Moldeado de polvos

El objetivo principal es dar forma y densidad a los polvos para mejorar sus propiedades. Esto se puede hacer aplicando presión y/o calor.

• Prensado uniaxial: Se aplica presión en una sola dirección para compactar los polvos. La pieza toma la forma del molde.
• Prensado isostático: Los polvos se encierran en moldes elásticos (de goma, látex) y se les aplica presión con un líquido (agua o aceite). Esto compacta el material de manera uniforme en todas las direcciones.
• Moldeo por barbotina (Slip Casting): Se usa una mezcla líquida de cerámica (barbotina) y moldes porosos para crear piezas delgadas, como en la alfarería tradicional.

Métodos basados en la sinterización

Los métodos de sinterización son sencillos: la materia prima se calienta en un horno. El calor hace que las partículas se unan y se compacten.

Los poros se hacen más pequeños, y el producto final es más denso y fuerte. El calentamiento se hace a una temperatura por debajo del punto de fusión de la cerámica. Siempre quedan algunos poros, pero la ventaja es que se puede dar cualquier forma a la pieza antes de sinterizarla.

Hay muchas formas de mejorar este proceso. A veces, se presiona la pieza antes de calentarla para que sea más densa. También se pueden añadir materiales orgánicos que se disuelven durante el calentamiento, o lubricantes para aumentar la densidad. Es común combinar estas técnicas. Esto es muy importante para fabricar cerámicas de alto rendimiento, como las que se usan en electrónica (condensadores, sensores).

También se pueden mezclar diferentes componentes en lugar de usar un solo polvo, verter la mezcla en un molde, dejarla secar y luego sinterizarla. Así es como se hace la alfarería tradicional, usando una mezcla plástica que se moldea con las manos.

Si se usan varios materiales en una cerámica, a veces la temperatura de sinterización es más alta que el punto de fusión de alguno de sus componentes (sinterización en fase líquida). Esto hace que el proceso sea más rápido.

Otras aplicaciones de la cerámica

Hace algunas décadas, Toyota investigó la creación de un motor cerámico que podría funcionar a temperaturas muy altas (más de 3300 °C). Los motores cerámicos no necesitarían sistemas de enfriamiento, lo que los haría más ligeros y eficientes en el uso de combustible. Cuanto más alta es la temperatura de un motor, más eficiente es. En un motor de metal, mucha energía se pierde como calor para evitar que las partes se derritan.

A pesar de estas ventajas, estos motores no se producen en masa porque es muy difícil fabricar piezas cerámicas perfectas. Las pequeñas imperfecciones pueden causar roturas. Aunque se han logrado en laboratorios, las dificultades de fabricación impiden su producción a gran escala.

Nuevos materiales cerámicos

La cerámica, aunque a menudo se asocia con el arte, es un material muy versátil con muchas aplicaciones.

• Científicos del Instituto Balseiro en Argentina han desarrollado cerámicas (vítreas o vitrocerámicas) en forma sólida o en capas delgadas, con usos específicos en el campo de la salud y la energía. En salud, han creado microesferas de vidrio que se usan en aplicaciones médicas. También pueden usarse en odontología para unir restauraciones dentales. Para el área de energía, han trabajado en cerámicas para construir celdas de combustible que convierten energía química en eléctrica de forma eficiente y limpia.
• Los ladrillos cerámicos impresos en 3D son un nuevo material que permite hacer construcciones personalizadas, como muros, columnas y bóvedas. Estos ladrillos se fabrican rápidamente (entre 15 y 20 minutos) y luego se apilan. Las impresoras 3D portátiles pueden llevarse a la obra para crear los materiales allí mismo. Esto permite a arquitectos y constructores crear cientos de ladrillos estándar o personalizados, adaptándose a cualquier diseño.
• El mecanizado por descarga eléctrica (EDM) es un proceso para trabajar metales duros que conducen electricidad. Permite hacer piezas pequeñas y complejas con precisión. Para usar EDM en cerámica, se necesitan nuevas cerámicas que conduzcan electricidad y una tecnología EDM adaptada. Con la nanotecnología, los investigadores han descubierto que los nanopolvos (partículas a escala atómica y molecular) mejoran las propiedades de los productos cerámicos.

Véase también

En inglés: Ceramic engineering Facts for Kids