Materials Ceràmics: Estructures i Propietats Clau

Materials Ceràmics: Introducció i Estructures

Definició i Origen

La majoria dels ceràmics són compostos formats per elements metàl·lics i no metàl·lics amb enllaç iònic i, en algun cas, covalent. El terme ceràmic prové de la paraula grega keramikos, que significa 'cosa cremada', indicant que les propietats desitjades d'aquests materials generalment s'aconsegueixen després d'un tractament tèrmic a altes temperatures de cocció.

Productes Ceràmics Comuns

Els productes d'aquesta família inclouen:

• Porcellana fina
• Porcellana elèctrica
• Maons
• Rajoles
• Vidres
• Ceràmiques refractàries

Noves Generacions de Ceràmics

En els últims anys, gràcies a l'estudi dels materials, ha sorgit una nova generació de ceràmics que tenen interès en camps com l'electrònica, la informàtica, etc. Són principalment derivats del silici.

Tipus d'Estructures Cristal·lines

Determinants de l'Estructura

Les estructures cristal·lines dels materials ceràmics estan formades per cations (ions positius) i anions (ions negatius). L'estructura cristal·lina ve determinada per la càrrega elèctrica dels ions i per la mida relativa dels anions i cations. Cal tenir en compte que l'estructura és elèctricament neutra.

Estructura Cristal·lina Tipus AX

La més comuna és la de NaCl (clorur de sodi). La cel·la unitat d'aquesta estructura té els anions centrats a les cares i els cations al centre del cub i de les arestes.

L'estructura del CsCl (clorur de cesi): en aquest cas, els anions estan col·locats a cada un dels vèrtexs del cub i al centre del cub hi ha un catió.

L'estructura del ZnS (sulfur de zinc): en aquest tipus d'estructura, tots els ions estan en coordinació tetraèdrica. A la cel·la unitat, les posicions de les cares estan ocupades pels àtoms de sofre i els àtoms de zinc se situen a l'interior en posicions tetraèdriques.

Estructura Cristal·lina Tipus AmXp

Un exemple d'aquest cas és la fluorita (CaF2). Una cel·la unitat està constituïda per 8 cubs. Els cations estan situats al mig del cub i els anions als vèrtexs.

Estructura Cristal·lina Tipus AmBnXp

Es tracta de compostos ceràmics que tenen més d'un tipus de catió. Un material representatiu és el que té l'estructura típica de la perovskita (CaTiO3). Els ions bari (Ba, si fos BaTiO3) es poden situar als 8 vèrtexs del cub, un ió de titani al mig i els anions oxigen a cada una de les cares del cub.

Ceràmiques Formades per Silicats

El silicat més senzill és SiO2 o sílice. El silici i l'oxigen són els dos elements més abundants de l'escorça terrestre. La major part dels sòls, roques, argiles i sorres es classifiquen com a silicats.

Estructura dels Silicats

En aquest cas, l'estructura cristal·lina no es caracteritza simplement en termes de cel·la unitat. Un, dos o tres àtoms d'oxigen del tetraedre [SiO4]4- són compartits per altres tetraedres, formant estructures complexes. Els cations com Ca2+, Mg2+ i Al3+ compensen les càrregues negatives de les unitats de SiO4 4- i serveixen d'enllaç iònic amb altres unitats.

Defectes i Impureses en Materials Ceràmics

Defectes Atòmics Puntuals

En els compostos ceràmics poden existir vacants i àtoms intersticials. Com que tenim dos tipus d'ions (cations i anions), poden existir defectes de cada tipus d'ió, mantenint la neutralitat elèctrica (defectes de Schottky i Frenkel).

Impureses i Dissolucions Sòlides

Els àtoms d'impureses poden formar dissolucions sòlides en els materials ceràmics, igual que en el cas dels metalls. En el cas dels àtoms substitucionals, l'ió que substitueix algun ió del dissolvent ha de tenir un comportament elèctric similar i també un radi atòmic similar per mantenir l'estabilitat de l'estructura.

Propietats Mecàniques dels Ceràmics

Fractura Fràgil

A temperatura ambient, les ceràmiques cristal·lines i no cristal·lines gairebé sempre es trenquen abans de patir deformació plàstica significativa. El procés de fractura fràgil consisteix en la formació i propagació de fissures a través de la secció d'un material en direcció perpendicular a la càrrega aplicada.

Comportament Tensió-Deformació

El comportament tensió-deformació dels ceràmics habitualment no es descriu mitjançant assajos de tracció. És difícil preparar i assajar provetes de tracció adequades, i existeix una diferència significativa entre els resultats obtinguts amb assajos de compressió. Els assaigs de flexió són els més utilitzats. Es flexiona per 3 o 4 punts una proveta amb forma de barra amb secció circular o rectangular. En el punt d'aplicació de càrrega, la superfície superior està sotmesa a un estat de compressió i la inferior a un estat de tracció. La tensió màxima o tensió de fractura s'anomena mòdul de ruptura o resistència a la flexió.

Mecanismes de Deformació Plàstica

A temperatura ambient, la major part dels ceràmics experimenten fractura abans que comenci la deformació plàstica. Els possibles mecanismes de deformació plàstica són diferents per a les ceràmiques cristal·lines i per a les no cristal·lines. La deformació plàstica de les ceràmiques no cristal·lines (vidres) no té lloc per moviment de dislocacions, ja que no tenen una estructura atòmica regular.

Duresa

Els ceràmics es caracteritzen per la seva elevada duresa. Per això, es poden utilitzar com a materials abrasius o per a eines de desbastament.

Corrosió de Materials Ceràmics

Les ceràmiques són, en general, molt resistents a la corrosió en comparació amb els metalls. La corrosió dels ceràmics, quan es produeix, té a veure principalment amb processos de dissolució química simple o selectiva en l'entorn exposat.