Cerámicas: Composición, Propiedades y Aplicaciones Esenciales de Materiales Avanzados

Cerámicas: Composición y Estructura Fundamental

Las cerámicas son compuestos químicos constituidos por metales y no metales. Dentro de este grupo de materiales se incluyen, por ejemplo, el cemento y el vidrio. Por lo general, se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos, y que a elevadas temperaturas y en ambientes agresivos, demuestran ser más resistentes que los metales y los polímeros.

Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son materiales duros, rígidos y muy frágiles, aunque su ductilidad es limitada. Al igual que los metales, las cerámicas poseen una estructura atómica: puede ser cristalina (si son cristalinos) o amorfa (si son vítreos). Además, presentan una microestructura a una escala mayor, definida por la forma y disposición de sus granos o fases, así como por el tamaño y la fracción en volumen de los poros que contienen (la mayoría de las cerámicas son porosas).

Enlaces Químicos en Cerámicas

La mayoría de los enlaces químicos presentes en las cerámicas son de tipo iónico, covalente o una combinación intermedia entre ambos.

Cerámicas Iónicas

Son normalmente compuestos de un metal con un no-metal. El metal y el no-metal poseen cargas eléctricas diferentes. En el cloruro de sodio (la sal común), por ejemplo, cada átomo de sodio tiene una carga positiva y cada átomo de cloro tiene una carga negativa. La atracción electrostática entre estas cargas opuestas contribuye a la mayor parte del enlace. Así, los iones se empaquetan densamente (para mantener juntas tantas cargas positivas y negativas como sea posible), pero con la restricción de que los iones del mismo tipo no deben tocarse, ya que poseen la misma carga.

Cerámicas Covalentes

Son compuestos de dos no metales (como el sílice, SiO₂) o, en ocasiones, elementos puros (como el diamante, C, o el silicio, Si). Los átomos se enlazan por compartición de electrones, dando lugar a enlaces direccionales. Con frecuencia, estas cerámicas no son cristalinas.

Propiedades Mecánicas de las Cerámicas

Módulo Elástico

El módulo elástico es superior en cerámicas que en metales, debido a la mayor rigidez de los enlaces iónicos y covalentes.

Resistencia Mecánica

• En cerámicas covalentes (Diamante, SiC, silicatos, etc.): Presentan una alta resistencia mecánica.
• En cerámicas iónicas (NaCl, ZrO₂, Al₂O₃, etc.): Su resistencia mecánica es alta, aunque inferior a la de las cerámicas covalentes.

Dureza

Las cerámicas son los materiales más duros, por lo que son ampliamente utilizados como abrasivos.

Tenacidad a la Fractura

Los materiales cerámicos tienen una tenacidad a la fractura muy baja, lo que se debe a varios factores:

• Baja plasticidad en la punta de la grieta.
• Generalmente presentan grietas y microdefectos (generados durante la fabricación): la tenacidad también estará condicionada por la longitud de estas microgrietas.

A pesar de su elevada resistencia mecánica teórica, un material cerámico sometido a tracción rompe a una tensión muy inferior a la de los metales.

Tipos Específicos de Cerámicas y Materiales Relacionados

Cerámicas Formadas por Silicatos

Los silicatos son materiales compuestos principalmente por silicio y oxígeno, los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre. Por consiguiente, la mayor parte de suelos, rocas, arcillas y arenas son clasificados como silicatos. De todos los materiales empleados por el ser humano, la sílice y sus compuestos son los más extendidos, abundantes y económicos.

Los átomos de silicio se enlazan fuertemente a cuatro átomos de oxígeno para formar una unidad tetraédrica (SiO₄). Este tetraedro estable es la unidad básica en todos los silicatos. En la estructura cúbica del diamante, cada átomo de carbono es reemplazado por una unidad SiO₄.

Vidrios

Los vidrios son materiales transparentes, duros y resistentes a la corrosión. También son muy buenos aislantes de la electricidad. Sin embargo, resultan muy frágiles y aguantan mejor los esfuerzos de compresión que los de tracción. El vidrio es un material obtenido a partir de la fusión de arena, álcali y óxidos metálicos (que aportan color y estabilidad). En construcción, el vidrio se emplea en ventanas, en recubrimientos de exteriores y como aislante en forma de lana de vidrio.

Los vidrios comerciales están basados principalmente en la sílice.