Ingeniería cerámica

La ingeniería cerámica es la ciencia de crear objetos a partir de materiales inorgánicos no metálicos. Esto se logra mediante reacciones de calor o precipitación en soluciones químicas de alta pureza a bajas temperaturas. El término abarca la purificación de materias primas, el estudio y la producción de compuestos químicos, su transformación en componentes y el estudio de su estructura, composición y propiedades.

Los materiales cerámicos pueden tener una estructura cristalina o parcialmente cristalina, con orden de largo alcance a escala atómica. Las vitrocerámicas pueden tener una estructura amorfa o vítrea. Se pueden formar a partir de una masa fundida que se solidifica al enfriarse o sintetizarse químicamente a bajas temperaturas mediante métodos como la síntesis hidrotermal .

Los materiales cerámicos se utilizan en los campos de la ingeniería de materiales , la ingeniería eléctrica , la ingeniería química y la ingeniería mecánica . Las cerámicas son resistentes al calor, por lo que pueden utilizarse para tareas en las que materiales como los metales y los polímeros no son adecuados. ^{[ 1 ]}

La ingeniería cerámica, como muchas ciencias, evolucionó a partir de una disciplina diferente. La ciencia e ingeniería de materiales se consideran comúnmente los orígenes de la ingeniería cerámica. ^{[ 2 ]}

Abraham Darby utilizó coque por primera vez en 1709 en Shropshire, Inglaterra, para mejorar el rendimiento de un proceso de fundición. ^{[ 3 ]} El coque ahora se utiliza ampliamente para producir cerámicas de carburo. El alfarero Josiah Wedgwood abrió la primera fábrica de cerámica moderna en Stoke-on-Trent , Inglaterra, en 1759. El químico austriaco Carl Josef Bayer , que trabajaba para la industria textil en Rusia, desarrolló un proceso para separar la alúmina del mineral de bauxita en 1888. El proceso Bayer todavía se utiliza para purificar la alúmina para las industrias cerámica y del aluminio. ^{[ 4 ]} Los hermanos Pierre y Jacques Curie descubrieron la piezoelectricidad en la sal de Rochelle alrededor de 1880. La piezoelectricidad es una de las propiedades clave de las electrocerámicas .

EG Acheson calentó una mezcla de coque y arcilla en 1893 e inventó el carborundo, o carburo de silicio sintético . Henri Moissan también sintetizó carburo de silicio y carburo de tungsteno en su horno de arco eléctrico en París casi al mismo tiempo que Acheson. Karl Schröter utilizó la sinterización en fase líquida para unir o "cementar" las partículas de carburo de tungsteno de Moissan con cobalto en 1923 en Alemania. Los bordes de carburo cementados (unidos con metal) aumentan considerablemente la durabilidad de las herramientas de corte de acero endurecido . WH Nernst desarrolló la zirconia cúbica estabilizada en la década de 1920 en Berlín. Este material se utiliza como sensor de oxígeno en sistemas de escape. La principal limitación en el uso de cerámicas en ingeniería es su fragilidad. ^{[ 1 ]}

Militar

Las exigencias militares de la Segunda Guerra Mundial impulsaron la innovación, lo que generó la necesidad de materiales de alto rendimiento y aceleró el desarrollo de la ciencia y la ingeniería cerámicas. A lo largo de las décadas de 1960 y 1970, se desarrollaron nuevos tipos de cerámicas en respuesta a los avances en energía atómica, electrónica, comunicaciones y viajes espaciales. El descubrimiento de los superconductores cerámicos en 1986 ha impulsado la investigación para desarrollar componentes cerámicos superconductores para dispositivos electrónicos, motores eléctricos y equipos de transporte. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Existe una creciente necesidad en el sector militar de materiales robustos y de alta resistencia capaces de transmitir luz en las regiones visible (0,4–0,7 micrómetros) e infrarroja media (1–5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren blindaje transparente . El blindaje transparente es un material o sistema de materiales diseñado para ser ópticamente transparente, pero que a la vez protege contra la fragmentación o los impactos balísticos. El requisito principal para un sistema de blindaje transparente es no solo neutralizar la amenaza designada, sino también proporcionar capacidad de impacto múltiple con mínima distorsión de las áreas circundantes. Las ventanas del blindaje transparente también deben ser compatibles con equipos de visión nocturna. Se buscan nuevos materiales más delgados, ligeros y con mejor rendimiento balístico. ^{[ 7 ]}

Estos componentes de estado sólido se han utilizado ampliamente en el campo electroóptico, incluyendo fibras ópticas para la transmisión de ondas de luz guiadas, conmutadores ópticos , amplificadores y lentes láser, matrices para láseres de estado sólido y materiales de ventanas ópticas para láseres de gas, y dispositivos de búsqueda de calor infrarrojo (IR) para sistemas de guiado de misiles y visión nocturna IR . ^{[ 8 ]}

Actualmente, las aplicaciones de la ingeniería cerámica incluyen las siguientes:

• La cerámica de dióxido de circonio se utiliza en la fabricación de cuchillos. La hoja de un cuchillo de cerámica se mantiene afilada durante mucho más tiempo que la de un cuchillo de acero, aunque es más frágil y puede romperse si se cae sobre una superficie dura.
• Cerámicas como la alúmina, el carburo de boro y el carburo de silicio se han utilizado en chalecos antibalas para repeler disparos de fusiles de pequeño calibre . Estas placas se conocen comúnmente como placas balísticas . Un material similar se utiliza para proteger las cabinas de algunos aviones militares, debido a su bajo peso.
• Las piezas de nitruro de silicio se utilizan en rodamientos de bolas cerámicos. Su mayor dureza implica que son mucho menos susceptibles al desgaste y pueden ofrecer una vida útil más del triple. También se deforman menos bajo carga, lo que significa que tienen menos contacto con las paredes de retención del rodamiento y pueden rodar más rápido. En aplicaciones de muy alta velocidad, el calor generado por la fricción durante el rodamiento puede causar problemas en los rodamientos metálicos; el uso de cerámica reduce estos problemas. La cerámica también es más resistente químicamente y puede utilizarse en entornos húmedos donde los rodamientos de acero se oxidarían. En muchos casos, sus propiedades de aislamiento eléctrico también pueden ser valiosas en los rodamientos. La principal desventaja de usar cerámica es su coste significativamente más elevado.
• A principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor cerámico adiabático capaz de funcionar a temperaturas superiores a 3300  °C (6000  °F). Los motores cerámicos no requieren sistema de refrigeración, lo que permite una importante reducción de peso y, por consiguiente, una mayor eficiencia de combustible. La eficiencia de combustible del motor también es mayor a altas temperaturas, como demuestra el teorema de Carnot . En un motor metálico convencional, gran parte de la energía liberada por el combustible debe disiparse como calor residual para evitar la fusión de las piezas metálicas. A pesar de todas estas propiedades deseables, estos motores no se producen en serie debido a la dificultad de fabricar piezas cerámicas con la precisión y durabilidad requeridas. Las imperfecciones en la cerámica provocan grietas, que pueden causar fallos potencialmente peligrosos en el equipo. Si bien estos motores son posibles en entornos de laboratorio, la producción en masa no es viable con la tecnología actual.
• Se está trabajando en el desarrollo de componentes cerámicos para motores de turbina de gas . Actualmente, incluso las palas fabricadas con aleaciones metálicas avanzadas utilizadas en la sección caliente de los motores requieren refrigeración y una limitación cuidadosa de las temperaturas de funcionamiento. Los motores de turbina fabricados con cerámica podrían funcionar de forma más eficiente, lo que proporcionaría a las aeronaves mayor autonomía y capacidad de carga con una cantidad determinada de combustible. ^{[ 9 ]}

• Recientemente, se han producido avances en cerámica, incluyendo biocerámicas, como implantes dentales y huesos sintéticos . La hidroxiapatita , el componente mineral natural del hueso, se ha sintetizado a partir de diversas fuentes biológicas y químicas, y puede transformarse en materiales cerámicos. Los implantes ortopédicos fabricados con estos materiales se integran fácilmente al hueso y otros tejidos del cuerpo sin rechazo ni reacciones inflamatorias. Por ello, resultan de gran interés para la administración de genes y la creación de andamios para ingeniería de tejidos . 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 facilitar la integración ósea o como rellenos óseos. También se emplean como rellenos para tornillos ortopédicos de plástico, ayudando a reducir la inflamación y a aumentar la absorción de estos materiales plásticos. Se está trabajando en la creación de materiales cerámicos de hidroxiapatita nanocristalina, resistentes y de alta densidad, para dispositivos ortopédicos de soporte de peso, sustituyendo los materiales ortopédicos metálicos y plásticos por un mineral óseo sintético, pero de origen natural. En última instancia, estos materiales cerámicos pueden utilizarse como sustitutos óseos o, con la incorporación de colágenos proteicos, como huesos sintéticos.
• Los materiales cerámicos duraderos que contienen actínidos tienen aplicaciones como en combustibles nucleares para la combustión del exceso de Pu y en fuentes químicamente inertes de irradiación alfa para el suministro de energía a vehículos espaciales no tripulados o para producir electricidad para dispositivos microelectrónicos. Tanto el uso como la eliminación de actínidos radiactivos requieren su inmovilización en un material huésped duradero. Los radionúclidos de larga vida de los residuos nucleares, como los actínidos, se inmovilizan utilizando materiales cristalinos químicamente duraderos basados ​​en cerámicas policristalinas y grandes monocristales. ^{[ 10 ]}

• Las cerámicas de alúmina se utilizan en la industria química debido a su estabilidad química y alta resistencia a la corrosión . Se emplean como impulsores y cuerpos de bombas resistentes a los ácidos, lo que garantiza un rendimiento duradero en la transferencia de fluidos agresivos. ^{[ 11 ] [ 12 ]} También se utilizan en revestimientos de tuberías que transportan ácidos para prevenir la contaminación y mantener la pureza del fluido, lo cual es crucial en industrias como la farmacéutica y la alimentaria . ^{[ 13 ]} Las válvulas fabricadas con cerámica de alúmina tienen alta durabilidad y resistencia al ataque químico, lo que las hace útiles para controlar el flujo de líquidos corrosivos. ^{[ 14 ]}

Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades con los vidrios y las cerámicas. Los vitrocerámicos poseen una fase amorfa y una o más fases cristalinas, y se producen mediante una denominada "cristalización controlada", que generalmente se evita en la fabricación de vidrio. Los vitrocerámicos suelen contener una fase cristalina que constituye entre el 30 % [m/m] y el 90 % [m/m] de su composición en volumen, lo que da lugar a una variedad de materiales con propiedades termomecánicas inusuales. ^{[ 15 ]}

En el procesamiento de vitrocerámicas, el vidrio fundido se enfría gradualmente antes de recalentarlo y recocerlo. Durante este tratamiento térmico, el vidrio cristaliza parcialmente . En muchos casos, se añaden los llamados «agentes de nucleación» para regular y controlar el proceso de cristalización. Dado que generalmente no se realiza prensado ni sinterización, las vitrocerámicas no contienen la fracción volumétrica de porosidad típicamente presente en las cerámicas sinterizadas. ^{[ 1 ]}

El término se refiere principalmente a una mezcla de litio y aluminosilicatos . Los más importantes comercialmente se distinguen por ser resistentes al choque térmico. Por lo tanto, las vitrocerámicas se han vuelto útiles para cocinar sobre encimeras. El coeficiente de expansión térmica (CET) negativo de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el CET positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino), la vitrocerámica tiene un CET neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica exhibe excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos de hasta 1000  °C. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

El proceso cerámico tradicional generalmente sigue esta secuencia: Molienda → Mezclado → Conformado → Secado → Cocción → Ensamblaje. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

• La molienda es el proceso mediante el cual los materiales se reducen de un tamaño grande a uno más pequeño. La molienda puede implicar la ruptura de material cementado (en cuyo caso las partículas individuales conservan su forma) o la pulverización (que implica moler las partículas mismas a un tamaño más pequeño). La molienda generalmente se realiza por medios mecánicos, incluyendo la atrición (que es la colisión partícula a partícula que resulta en la ruptura de aglomerados o cizallamiento de partículas), la compresión (que aplica una fuerza que resulta en fractura) y el impacto (que emplea un medio de molienda o las propias partículas para causar fractura). El equipo de molienda por atrición incluye el lavador húmedo (también llamado molino planetario o molino de atrición húmedo), que tiene paletas en agua que crean vórtices en los que el material colisiona y se rompe. Los molinos de compresión incluyen la trituradora de mandíbulas , la trituradora de rodillos y la trituradora de cono. Los molinos de impacto incluyen el molino de bolas , que tiene medios que giran y fracturan el material, o el mezclador acústico resonante. ^{[ 20 ]} Los impactadores de eje causan atrición partícula a partícula y compresión.
• El proceso de dosificación consiste en pesar los óxidos según las recetas y prepararlos para su mezcla y secado.
• La mezcla se realiza después de la dosificación y se lleva a cabo con varias máquinas, como mezcladoras de cinta de mezcla en seco , mezcladoras acústicas resonantes, ^{[ 21 ]} mezcladoras Mueller y amasadoras . La mezcla en húmedo generalmente implica el mismo equipo.
• El conformado consiste en dar forma al material mezclado, desde tazas de inodoro hasta aisladores de bujías. El conformado puede incluir: (1) Extrusión, como la extrusión de "barriles" para hacer ladrillos, (2) Prensado para hacer piezas con forma, (3) Moldeo por colada , como en la fabricación de tazas de inodoro, lavabos y objetos ornamentales como estatuas de cerámica. El conformado produce una pieza "verde", lista para secar. Las piezas verdes son blandas, maleables y con el tiempo perderán su forma. Manipular el producto verde alterará su forma. Por ejemplo, un ladrillo verde se puede "apretar" y, después de apretarlo, conservará esa forma.
• El secado consiste en eliminar el agua o el aglutinante del material formado. El secado por pulverización se utiliza ampliamente para preparar el polvo para las operaciones de prensado. Otros tipos de secadores son los secadores de túnel y los secadores periódicos. En este proceso de dos etapas se aplica calor controlado. Primero, el calor elimina el agua. Este paso requiere un control preciso, ya que un calentamiento rápido provoca grietas y defectos superficiales. La pieza seca es más pequeña que la pieza en verde y es quebradiza, por lo que se debe manipular con cuidado, ya que un pequeño impacto puede provocar que se desmorone y se rompa.
• La sinterización consiste en someter las piezas secas a un proceso de calentamiento controlado, donde los óxidos se modifican químicamente para producir enlaces y densificación. La pieza sinterizada será más pequeña que la pieza seca.

Las técnicas de conformado cerámico incluyen torneado, colada en barbotina , colada en cinta , colada por congelación , moldeo por inyección, prensado en seco, prensado isostático, prensado isostático en caliente (HIP), impresión 3D y otras. Los métodos para dar forma a polvos cerámicos en formas complejas son deseables en muchas áreas de la tecnología. Dichos métodos son necesarios para producir piezas estructurales avanzadas de alta temperatura, como componentes de motores térmicos y turbinas . Los materiales distintos de la cerámica que se utilizan en estos procesos pueden incluir: madera, metal, agua, yeso y epoxi, la mayoría de los cuales se eliminarán durante la cocción. ^{[ 16 ]} Un epoxi con relleno cerámico , como Martyte, se utiliza a veces para proteger el acero estructural en condiciones de impacto de gases de escape de cohetes. ^{[ 22 ]}

Estas técnicas de conformado producen herramientas y otros componentes con estabilidad dimensional, calidad superficial, alta densidad (casi teórica) y uniformidad microestructural. El uso cada vez mayor y la diversidad de formas especiales de cerámica aumentan la diversidad de tecnologías de procesamiento que se pueden utilizar. ^{[ 16 ]}

Así, las fibras y filamentos de refuerzo se fabrican principalmente mediante procesos de polímeros, sol-gel o CVD, aunque el procesamiento por fusión también tiene aplicaciones. La forma especializada más utilizada son las estructuras en capas, siendo la fundición en cinta para sustratos y encapsulados electrónicos la más destacada. La fotolitografía despierta un interés creciente para la creación de patrones precisos de conductores y otros componentes para este tipo de encapsulados. Los procesos de fundición o conformado en cinta también son de creciente interés para otras aplicaciones, que van desde estructuras abiertas como pilas de combustible hasta compuestos cerámicos. ^{[ 16 ]}

La otra estructura de capas principal es el recubrimiento, donde la proyección térmica es importante, pero la deposición química y física de vapor y los métodos químicos (por ejemplo, sol-gel y pirólisis de polímeros) están experimentando un uso cada vez mayor. Además de las estructuras abiertas a partir de cintas moldeadas, las estructuras extruidas, como los soportes de catalizadores de panal, y las estructuras altamente porosas, incluidas diversas espumas, por ejemplo, la espuma reticulada , se utilizan cada vez más. ^{[ 16 ]}

La densificación de cuerpos de polvo consolidados se sigue logrando predominantemente mediante sinterización (sin presión). Sin embargo, el uso de la sinterización a presión por prensado en caliente está aumentando, especialmente para materiales no óxidos y piezas de formas simples donde se requiere mayor calidad (principalmente homogeneidad microestructural), y un mayor tamaño o la producción de múltiples piezas por prensado puede ser ventajoso. ^{[ 16 ]}

Los principios de los métodos basados ​​en la sinterización son sencillos (el término "sinter" tiene sus raíces en la palabra inglesa " cinder "). La cocción se realiza a una temperatura inferior al punto de fusión de la cerámica. Una vez que se obtiene un objeto relativamente compacto, denominado "cuerpo verde", se cuece en un horno , donde los procesos de difusión atómica y molecular provocan cambios significativos en las características microestructurales primarias. Esto incluye la eliminación gradual de la porosidad , que suele ir acompañada de una contracción neta y una densificación general del componente. De este modo, los poros del objeto pueden cerrarse, dando como resultado un producto más denso con una resistencia y tenacidad a la fractura significativamente mayores .

Otro cambio importante que se produce en el cuerpo durante el proceso de cocción o sinterización es el establecimiento de la naturaleza policristalina del sólido. Durante la sinterización, tiende a producirse un crecimiento significativo del grano, que depende de la temperatura y la duración del proceso. Este crecimiento de grano da lugar a una distribución granulométrica que influye considerablemente en las propiedades físicas finales del material. En particular, un crecimiento anómalo del grano , en el que ciertos granos alcanzan un tamaño muy elevado dentro de una matriz de granos más finos, altera significativamente las propiedades físicas y mecánicas de la cerámica obtenida. En el cuerpo sinterizado, el tamaño del grano es producto de los parámetros del procesamiento térmico, así como del tamaño inicial de las partículas o, posiblemente, del tamaño de los agregados o cúmulos de partículas que se forman durante las etapas iniciales del procesamiento.

La microestructura (y, por ende, las propiedades físicas) del producto final estará limitada y sujeta a la forma de la plantilla estructural o precursor que se crea en las etapas iniciales de la síntesis química y el conformado físico. De ahí la importancia del procesamiento químico de polvos y polímeros en la síntesis de cerámicas, vidrios y vitrocerámicas industriales.

Existen numerosas posibilidades para mejorar el proceso de sinterización. Algunas de las más comunes consisten en prensar la pieza en verde para acelerar la densificación y reducir el tiempo de sinterización. En ocasiones, se añaden aglutinantes orgánicos , como el alcohol polivinílico , para mantener la pieza en verde; estos se queman durante la cocción a temperaturas entre 200  °C y 350  °C. A veces, se añaden lubricantes orgánicos durante el prensado para aumentar la densificación. Es habitual combinar estos métodos, añadiendo aglutinantes y lubricantes a un polvo y luego prensándolo. (La formulación de estos aditivos químicos orgánicos es una ciencia en sí misma. Esto es especialmente importante en la fabricación de cerámicas de alto rendimiento, como las que se utilizan por miles de millones en electrónica , en condensadores, inductores , sensores , etc.).

Se puede usar una pasta en lugar de un polvo, y luego moldearla en la forma deseada, secarla y luego sinterizarla. De hecho, la cerámica tradicional se hace con este tipo de método, usando una mezcla plástica trabajada a mano. Si se usa una mezcla de diferentes materiales juntos en una cerámica, la temperatura de sinterización a veces está por encima del punto de fusión de un componente menor: una sinterización en fase líquida . Esto da como resultado tiempos de sinterización más cortos en comparación con la sinterización en estado sólido. ^{[ 23 ]} Dicha sinterización en fase líquida implica procesos de difusión más rápidos y puede dar como resultado un crecimiento anormal del grano .

La resistencia de un material depende de su microestructura, la cual puede modificarse mediante los procesos de ingeniería a los que se somete. Entre los diversos mecanismos de endurecimiento que alteran la resistencia de un material se encuentra el endurecimiento por límites de grano . Por lo tanto, si bien el límite elástico se maximiza al disminuir el tamaño de grano, en última instancia, los granos muy pequeños hacen que el material sea frágil. Teniendo en cuenta que el límite elástico es el parámetro que predice la deformación plástica del material, se pueden tomar decisiones informadas sobre cómo aumentar su resistencia en función de sus propiedades microestructurales y el efecto final deseado.

La relación entre el límite elástico y el tamaño del grano se describe matemáticamente mediante la ecuación de Hall-Petch, que es

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}}$

donde k _y es el coeficiente de fortalecimiento (una constante única para cada material), σ _o es una constante del material para la tensión inicial para el movimiento de dislocaciones (o la resistencia de la red al movimiento de dislocaciones), d es el diámetro del grano y σ _y es la tensión de fluencia.

Teóricamente, un material podría hacerse infinitamente resistente si los granos fueran infinitamente pequeños. Esto, desafortunadamente, es imposible porque el límite inferior del tamaño de grano es una sola celda unitaria del material. Incluso entonces, si los granos de un material tienen el tamaño de una sola celda unitaria, entonces el material es de hecho amorfo, no cristalino, ya que no hay orden de largo alcance y las dislocaciones no se pueden definir en un material amorfo. Se ha observado experimentalmente que la microestructura con la mayor resistencia a la fluencia es un tamaño de grano de aproximadamente 10 nanómetros, porque los granos más pequeños que este experimentan otro mecanismo de fluencia llamado deslizamiento de borde de grano. ^{[ 24 ]} Producir materiales de ingeniería con este tamaño de grano ideal es difícil debido a las limitaciones de los tamaños de partícula iniciales inherentes a los nanomateriales y la nanotecnología.

El modelo de Faber-Evans , desarrollado por Katherine Faber y Anthony G. Evans , puede predecir el aumento de la tenacidad a la fractura en cerámicas debido a la desviación de grietas alrededor de partículas de segunda fase propensas a la microfisuración en una matriz. ^{[ 25 ]} El modelo considera la morfología de las partículas, la relación de aspecto, el espaciado y la fracción de volumen de la segunda fase, así como la reducción de la intensidad de la tensión local en la punta de la grieta cuando esta se desvía o el plano de la grieta se curva. La tortuosidad real de la grieta se obtiene mediante técnicas de imagen, lo que permite la entrada directa de los ángulos de desviación y curvatura en el modelo.

El modelo calcula la tasa promedio de liberación de energía de deformación y compara el aumento resultante en la tenacidad a la fractura con el de una grieta plana a través de la matriz. La magnitud del endurecimiento está determinada por la deformación de desajuste causada por la incompatibilidad de la contracción térmica y la resistencia a la microfractura de la interfaz partícula/matriz. El endurecimiento se hace perceptible con una distribución estrecha del tamaño de partículas adecuadas, y los investigadores suelen aceptar que los efectos de deflexión en materiales con granos aproximadamente equiaxiales pueden aumentar la tenacidad a la fractura aproximadamente al doble del valor del límite de grano. ^{[ 26 ]}

El modelo revela que el aumento de la tenacidad depende de la forma de la partícula y de la fracción volumétrica de la segunda fase, siendo la morfología más eficaz la de varilla de alta relación de aspecto, que puede explicar un aumento de cuatro veces en la tenacidad a la fractura. El endurecimiento surge principalmente de la torsión del frente de la grieta entre las partículas, como indican los perfiles de deflexión. Las partículas en forma de disco y las esferas son menos eficaces para el endurecimiento. La tenacidad a la fractura, independientemente de la morfología, está determinada por la torsión del frente de la grieta en su configuración más severa, en lugar de la inclinación inicial del frente de la grieta. Solo para las partículas en forma de disco la inclinación inicial del frente de la grieta proporciona un endurecimiento significativo; sin embargo, el componente de torsión aún prevalece sobre el endurecimiento derivado de la inclinación. ^{[ 27 ]}

Entre las características importantes del análisis de deflexión, cabe destacar la aparición de un endurecimiento asintótico para las tres morfologías a fracciones volumétricas superiores a 0,2. Asimismo, se observa que la distribución del espaciado entre partículas influye significativamente en el endurecimiento producido por las partículas esféricas; se consigue un mayor endurecimiento cuando las esferas están prácticamente en contacto, de modo que los ángulos de torsión se aproximan a los 90 grados. Estas predicciones constituyen la base para el diseño de materiales cerámicos bifásicos de alta tenacidad.

La segunda fase ideal, además de mantener la compatibilidad química, debe estar presente en cantidades del 10 al 20 por ciento en volumen. Cantidades mayores pueden disminuir el aumento de la tenacidad debido a la superposición de partículas. Las partículas con altas relaciones de aspecto, especialmente aquellas con morfologías en forma de varilla, son las más adecuadas para lograr la máxima tenacidad. Este modelo se utiliza a menudo para determinar los factores que contribuyen al aumento de la tenacidad a la fractura en cerámicas, lo cual resulta útil en última instancia para el desarrollo de materiales cerámicos avanzados con un rendimiento mejorado. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

En el procesamiento de cerámicas finas, los tamaños y formas irregulares de las partículas en un polvo típico suelen dar lugar a morfologías de empaquetamiento no uniformes que resultan en variaciones de la densidad de empaquetamiento en el compacto de polvo. La aglomeración incontrolada de polvos debido a las fuerzas atractivas de van der Waals también puede generar inhomogeneidades microestructurales. ^{[ 16 ] [ 30 ]}

Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado de la contracción por secado no uniforme están directamente relacionadas con la velocidad a la que se puede eliminar el disolvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad. Dichas tensiones se han asociado con una transición de plástico a frágil en cuerpos consolidados ^{[ 31 ]} y pueden provocar la propagación de grietas en el cuerpo sin cocer si no se alivian.

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento en el compacto mientras se prepara para el horno a menudo se amplifica durante el proceso de sinterización, lo que produce una densificación no homogénea. ^{[ 32 ] [ 33 ]} Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con variaciones de densidad juegan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al crecer y, por lo tanto, limitar las densidades finales. ^{[ 34 ]} También se ha demostrado que las tensiones diferenciales que surgen de la densificación no homogénea dan como resultado la propagación de grietas internas, convirtiéndose así en los defectos que controlan la resistencia. ^{[ 35 ]}

Por lo tanto, es deseable procesar un material de manera que sea físicamente uniforme en cuanto a la distribución de componentes y porosidad, en lugar de utilizar distribuciones de tamaño de partícula que maximicen la densidad en verde. La contención de un conjunto uniformemente disperso de partículas que interactúan fuertemente en suspensión requiere un control total sobre las interacciones partícula-partícula. Los coloides monodispersos ofrecen este potencial. ^{[ 36 ]}

Por ejemplo, los polvos monodispersos de sílice coloidal pueden estabilizarse lo suficiente como para asegurar un alto grado de orden en el cristal coloidal o sólido coloidal policristalino resultante de la agregación. El grado de orden parece estar limitado por el tiempo y el espacio disponibles para establecer correlaciones de largo alcance. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Estas estructuras coloidales policristalinas defectuosas parecen ser los elementos básicos de la ciencia de los materiales coloidales submicrométricos y, por lo tanto, constituyen el primer paso para desarrollar una comprensión más rigurosa de los mecanismos involucrados en la evolución microestructural en sistemas inorgánicos como las cerámicas policristalinas.

Estos materiales suelen constar de dos componentes cerámicos: una matriz continua y una fase dispersa de partículas cerámicas, microfibras o fibras cerámicas cortas (troceadas) o continuas . El reto, al igual que en el procesamiento químico húmedo, consiste en obtener una distribución uniforme u homogénea de la fase dispersa de partículas o fibras. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Consideremos primero el procesamiento de compuestos particulados. La fase particulada de mayor interés es la zirconia tetragonal debido al endurecimiento que se puede lograr mediante la transformación de fase de la fase cristalina tetragonal metaestable a la monoclínica, también conocida como endurecimiento por transformación. También existe interés en la dispersión de fases duras no óxidas, como el carburo de silicio , el diboruro de titanio , el carburo de titanio , el boro , el carbono y, especialmente, matrices de óxido como la alúmina y la mullita . Asimismo, existe interés en incorporar otras partículas cerámicas, especialmente aquellas con una expansión térmica altamente anisotrópica, incluyendo óxido de aluminio , dióxido de titanio , grafito y nitruro de boro . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

En el procesamiento de compuestos particulados, el problema no radica únicamente en la homogeneidad del tamaño y la distribución espacial de las fases dispersa y de la matriz, sino también en el control del tamaño de grano de la matriz. Sin embargo, existe cierto autocontrol inherente debido a la inhibición del crecimiento de grano de la matriz por la fase dispersa. Si bien los compuestos particulados generalmente ofrecen mayor resistencia al daño, la falla o ambos, siguen siendo bastante sensibles a las inhomogeneidades de composición, así como a otros defectos de procesamiento, como los poros. Por lo tanto, requieren un buen procesamiento para ser efectivos. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

Los compuestos particulados se han fabricado comercialmente mediante la mezcla de polvos de los dos componentes. Si bien este método presenta limitaciones inherentes en cuanto a la homogeneidad que se puede lograr, es el más fácilmente adaptable a la tecnología de producción cerámica existente. Sin embargo, existen otros métodos de interés. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

Desde el punto de vista tecnológico, un enfoque deseable para la fabricación de compuestos particulados consiste en recubrir la matriz o su precursor sobre partículas finas de la fase dispersa, controlando con precisión el tamaño inicial de las partículas dispersas y el espesor resultante del recubrimiento de la matriz. En principio, debería ser posible lograr una homogeneidad perfecta en la distribución y, por lo tanto, optimizar el rendimiento del compuesto. Esto también puede tener otras implicaciones, como permitir un rendimiento más útil del compuesto en un cuerpo con porosidad, lo cual podría ser deseable por otros motivos, como la limitación de la conductividad térmica.

También existen algunas oportunidades para utilizar el procesamiento por fusión para la fabricación de compuestos cerámicos, particulados, de microfibras y de fibras cortas, y de fibras continuas. Tanto los compuestos particulados como los de microfibras se pueden obtener mediante precipitación en estado sólido tras la solidificación del fundido. Esto también se puede lograr en algunos casos mediante sinterización, como en el caso de la zirconia parcialmente estabilizada y endurecida por precipitación. De manera similar, se sabe que se pueden solidificar direccionalmente mezclas eutécticas cerámicas y, por lo tanto, obtener compuestos de fibras alineadas uniaxialmente. Este tipo de procesamiento de compuestos se ha limitado generalmente a formas muy simples y, por consiguiente, presenta graves problemas económicos debido a los altos costos de mecanizado. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Existe la posibilidad de utilizar la fundición en estado fundido para muchos de estos enfoques. Potencialmente, aún más deseable es el uso de partículas derivadas de la fusión. En este método, el enfriamiento se realiza en una solución sólida o en una estructura eutéctica fina, en la que las partículas se procesan posteriormente mediante métodos más convencionales de procesamiento de polvos cerámicos para obtener un material útil. También se han realizado intentos preliminares de utilizar la pulverización en estado fundido como medio para formar compuestos mediante la introducción de la fase de partículas, filamentos o fibras dispersas junto con el proceso de pulverización en estado fundido.

Además de la infiltración por fusión, otros métodos para fabricar compuestos cerámicos reforzados con fibras largas son la infiltración química en fase vapor y la infiltración de preformas de fibra con precursores orgánicos , que tras la pirólisis dan lugar a una matriz cerámica amorfa , inicialmente de baja densidad. Mediante ciclos repetidos de infiltración y pirólisis se obtiene uno de estos tipos de compuestos de matriz cerámica . La infiltración química en fase vapor se utiliza para fabricar compuestos de carbono/carbono y carburo de silicio reforzados con fibras de carbono o carburo de silicio.

Además de numerosas mejoras en los procesos, la primera de las dos necesidades principales para los compuestos de fibra es la reducción de los costos de la fibra. La segunda necesidad principal son las composiciones o recubrimientos de las fibras, o el procesamiento del compuesto, para reducir la degradación que resulta de la exposición del compuesto a altas temperaturas en condiciones oxidantes. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Entre los productos de cerámica técnica se incluyen baldosas utilizadas en el programa del transbordador espacial , boquillas para quemadores de gas , protección balística , pastillas de óxido de uranio para combustible nuclear, implantes biomédicos , álabes de turbinas de motores a reacción y ojivas de misiles .

Sus productos suelen estar elaborados con materiales distintos a la arcilla, elegidos por sus propiedades físicas particulares. Estos se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Óxidos : sílice, alúmina, zirconia
• No óxidos: carburos, boruros , nitruros , siliciuros
• Materiales compuestos : matrices reforzadas con partículas o fibras, combinaciones de óxidos y no óxidos (por ejemplo, polímeros).

La cerámica se utiliza en numerosas industrias tecnológicas. Un ejemplo son las baldosas cerámicas del transbordador espacial de la NASA , empleadas para protegerlo, así como a los futuros aviones espaciales supersónicos, del intenso calor de la reentrada en la atmósfera terrestre. También se utiliza ampliamente en electrónica y óptica. Además de las aplicaciones aquí mencionadas, la cerámica se emplea como recubrimiento en diversos casos de ingeniería. Un ejemplo sería el recubrimiento cerámico de un cojinete sobre una estructura de titanio utilizada en aeronaves. Recientemente, este campo ha incorporado el estudio de monocristales o fibras de vidrio, además de los materiales policristalinos tradicionales, y sus aplicaciones se han ido superponiendo y evolucionando rápidamente.

Biomédica

Las estructuras cerámicas en aplicaciones biomédicas se han preferido debido a sus propiedades no metálicas y su resistencia mecánica, necesaria para muchas implementaciones de soporte de peso en zonas críticas. Sin embargo, la fabricación de piezas cerámicas debe ser precisa para reducir el desgaste de las prótesis durante largos periodos de uso. ^{[ 49 ]}

• Hueso artificial : Si bien todos los tejidos se recuperan con el tiempo, los tejidos duros como el hueso pueden tardar mucho en autorrepararse. Mediante el injerto óseo, una muestra de cerámica porosa (CO3Ap) actúa como injerto para favorecer la reparación ósea saludable. Una estructura cerámica porosa interconectada es ideal para promover el intercambio de nutrientes, la migración celular, el flujo de fluidos y la vascularización. Sin embargo, estas estructuras presentan menor resistencia mecánica debido a su porosidad y son difíciles de producir. ^{[ 50 ]}

• Aplicaciones en odontología : Los implantes y empastes dentales utilizan materiales cerámicos debido a sus propiedades similares a las del hueso y su resistencia mecánica. Los implantes cerámicos son más duraderos, ya que maximizan la rigidez y soportan las cargas de masticación (fuerza masticatoria). ^{[ 51 ]}

• Férulas biodegradables : Refuerzo de huesos en recuperación de osteoporosis y pacientes VIH positivos con diagnóstico de osteonecrosis. Actualmente no existe cura para el VIH ni para otros trastornos inmunológicos, lo que genera afecciones crónicas cada vez más frecuentes que solo pueden tratarse. Muchos casos de osteonecrosis de la cabeza femoral han requerido reemplazos cerámicos de ambas articulaciones. ^{[ 52 ]}

• Suministro portátil de oxígeno : Mediante el uso de membranas cerámicas y una fuente de alimentación de batería, utilizando dos membranas cerámicas calentadas por efecto Joule, la bomba de oxígeno puede suministrar oxígeno concentrado a pacientes en movilidad. Este dispositivo portátil no requiere calentamiento constante y puede suministrar oxígeno a un flujo constante de 20 ml cm−2 min−1 en condiciones no extremas. ^{[ 53 ]}
• Material de implante

La silicificación es bastante común en el mundo biológico y ocurre en bacterias, organismos unicelulares, plantas y animales (invertebrados y vertebrados). Los minerales cristalinos formados en este entorno suelen presentar propiedades físicas excepcionales (por ejemplo, resistencia, dureza, tenacidad a la fractura) y tienden a formar estructuras jerárquicas que exhiben orden microestructural en diversas escalas espaciales o de longitud. Los minerales se cristalizan a partir de un entorno subsaturado con respecto al silicio, en condiciones de pH neutro y baja temperatura (0–40  °C). La formación del mineral puede ocurrir dentro o fuera de la pared celular del organismo, y existen reacciones bioquímicas específicas para la deposición mineral que involucran lípidos, proteínas y carbohidratos.

La mayoría de los materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos cuyas propiedades mecánicas suelen ser excepcionales, considerando la debilidad de sus componentes. Estas estructuras complejas, surgidas a lo largo de cientos de millones de años de evolución, inspiran el diseño de nuevos materiales con propiedades físicas excepcionales para un alto rendimiento en condiciones adversas. Actualmente se investigan sus características definitorias, como la jerarquía, la multifuncionalidad y la capacidad de autorreparación. ^{[ 56 ]}

Los componentes básicos comienzan con los 20 aminoácidos y continúan con polipéptidos, polisacáridos y polipéptidos-sacáridos. Estos, a su vez, componen las proteínas básicas, que son los constituyentes primarios de los "tejidos blandos" comunes a la mayoría de los biominerales. Con más de 1000 proteínas posibles, la investigación actual enfatiza el uso de colágeno, quitina, queratina y elastina. Las fases "duras" a menudo se refuerzan con minerales cristalinos, que nuclean y crecen en un entorno biomediado que determina el tamaño, la forma y la distribución de los cristales individuales. Las fases minerales más importantes se han identificado como hidroxiapatita, sílice y aragonita . Utilizando la clasificación de Wegst y Ashby, se han presentado las principales características mecánicas y estructuras de cerámicas biológicas, compuestos poliméricos, elastómeros y materiales celulares. Se están investigando sistemas seleccionados en cada clase, haciendo hincapié en la relación entre su microestructura en un rango de escalas de longitud y su respuesta mecánica.

Así, la cristalización de materiales inorgánicos en la naturaleza generalmente ocurre a temperatura y presión ambiente. Sin embargo, los organismos vivos que dan origen a estos minerales son capaces de producir estructuras extremadamente precisas y complejas de forma constante. Comprender los procesos mediante los cuales los organismos vivos controlan el crecimiento de minerales cristalinos como la sílice podría conducir a avances significativos en el campo de la ciencia de los materiales.

La porción de nácar de la concha del abulón presenta la mayor resistencia mecánica y tenacidad a la fractura de cualquier sustancia no metálica conocida. El nácar de la concha del abulón se ha convertido en una de las estructuras biológicas más estudiadas en la ciencia de los materiales. En estas imágenes se aprecian claramente las baldosas minerales ordenadas y apiladas, separadas por finas láminas orgánicas, junto con una macroestructura de bandas de crecimiento periódicas más grandes que, en conjunto, forman lo que los científicos denominan actualmente una estructura compuesta jerárquica. (El término jerarquía implica simplemente que existen diversas características estructurales en una amplia gama de escalas de longitud). ^{[ 57 ]}

Los avances futuros radican en la síntesis de materiales bioinspirados mediante métodos y estrategias de procesamiento característicos de los sistemas biológicos. Estos implican el autoensamblaje a nanoescala de los componentes y el desarrollo de estructuras jerárquicas. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 58 ] [ 59 ]}

• La Sociedad Americana de Cerámica
• Instituto de Azulejos Cerámicos de América