CERÁMICOS-Introducción-Parte 1 y 2-2022_Junio (1).pdf

Apuntes de Materiales de Ingeniería Dr. Nelson Farro Pérez
CERÁMICOS
Aunque se definen como materiales inorgánicos, no metálicos, esta definición es muy amplia, pues
abarca una enorme gama de materiales que se extienden más allá de las nociones comunes de
cerámicas y de vidrios. Los cerámicos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones estructurales,
electrónicas, térmicas, ópticas, materiales nucleares, biomédicos, y de procesamientos químicos. De
hecho, algunas familias de cerámicos tienen deseables propiedades, eléctricas, ópticas y magnéticas
que se pueden explicar en base a los enlaces atómicos estructuras cristalinas específicos.
Los enlaces químicos que caracterizan a los compuestos cerámicos son mayormente del tipo iónico;
pero en muchos casos se involucran también enlaces de alto carácter covalente. Y como se sabe estos
dos tipos de enlaces son de los más fuertes que se conocen. La Tabla 1 muestra una comparación de
las magnitudes de las energías de enlace, entre las formas más comunes que existen de uniones
químicas. La Tabla 2 muestra una lista de compuestos cerámicos cuyos enlaces atómicos son una
combinación de enlaces iónicos y covalentes. Los valores aproximados de los porcentajes de carácter
iónico y covalente de los enlaces entre los átomos de los compuestos listados, se calcularon usando
la ecuación de Pauling. Las altas energías de enlace repercuten en las propiedades físicas y mecánicas
de los cerámicos, como son: su resistencia, los elevados puntos de fusión, altos módulos de
elasticidad, etc.
Tabla 1. Energías de enlace para las 4 formas comunes de uniones químicas (D. Askeland, W.
Wright (2016) The Science and Engineering of Materials, 7th Ed. Cengage Learning, Boston, MA, USA p: 38)
Enlaces Energía de enlace (kcal/mol)
Iónico
Covalente
Metálico
Van der Waals
150 – 370
125 – 300
25 – 200
< 10
Tabla 2. Porcentaje de carácter iónico y covalente en los enlaces atómicos de algunos cerámicos,
según ecuación de Pauling, %C.I. = [1 – 𝒆−𝟎,𝟐𝟓(𝑿𝒂−𝑿𝒃)𝟐
] x 100
En general, los materiales cerámicos son duros, frágiles, resistentes al desgaste y a la corrosión. Estas
propiedades reflejan la fortaleza de los enlaces que existen entre átomos en muchos de los materiales
cerámicos. En la Tabla 3, se comparan algunas propiedades de metales, metaloides y cerámicos
ingenieriles. Tal como se observa en esta Tabla, los cerámicos son carburos, nitruros, boruros,
siliciuros y óxidos metálicos, que por sus altos puntos de fusión se les llama difícilmente fusibles.

TABLA 1
3

Entre los metales comúnmente hallados en los cerámicos se incluyen al Fe, Al, Ti, Zr, Mg, Mo, Si y Ca.
Los cerámicos incluyen tanto a materiales cristalinos, como también amorfos o no cristalinos. Pero cualquiera
sea el caso, los iones constituyentes del cerámico deben mantener un empaquetamiento compacto basado en
dos condiciones importante:
a) La necesidad del equilibrio de cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica del sólido
iónico: todas las cargas positivas de los cationes deben ser equilibrados por un número igual de cargas
de los aniones.
a) El tamaño relativo de cationes y de aniones, que tienden a buscar el empaquetamiento más densamente
posible, para que la energía de enlace sea la más baja posible y se estabilice el enlace. En la Fig. 1 se
muestran los acomodos Estables de los iones los cuales tiene que ver con los tamaños de aniones y
cationes. Si los aniones no tocan el catión central, la estructura se vuelve Inestable porque el catión
central puede vibrar dentro de una “jaula de aniones”.
Estable Estable Inestable
Fig. 1 Configuraciones estables e inestables de la coordinación entre aniones y cationes.
NÚMEROS DE COORDINACIÓN Y GEOMETRÍAS CRISTALINAS
Bajo el modelo de esferas rígidas para aniones y cationes monoatómicos, existe una relación crítica entre los
radios de cationes y aniones (rc/ra) para la cual se debe producir la aproximación de un máximo número de
aniones alrededor de un catión, así como de cationes alrededor de un anión. El número de coordinación es el
número de aniones más próximos y equidistantes a un catión y está relacionado con el cociente entre los radios
de los cationes y aniones. En la Tabla 4 se muestran los números de coordinación y las geometrías que se
producen alrededor de un catión para varios cocientes (rc/ra). En la Tabla 5 se muestran los valores de algunos
radios iónicos monoatómicos, para los cuales el número de coordinación es 6.

4

ESTRUCTURAS CRISTALINAS TÍPICAS DE LOS CERÁMICOS
TABLA 6 Estructuras típicas de los cerámicos
Fig. 2-A Estructuras cristalinas de cerámicos: a) cloruro de sodio, (b) cloruro de cesio; (c) blenda de
zinc; (d) wurtsita (ZnS)

(g)
(h)
Fig. 2B Estructuras cristalinas de cerámicos: a) cloruro de sodio, (b) cloruro de cesio; (c) blenda de
zinc; (d) wurtsita (ZnS), (e) fluorita; (f) rutilo (TiO2); (g) perovskita, (BaTiO3, piezoeléctrico ); y (h)
espinela (MgAl2O4)

INTERSTICIOS EN ESTRUCTURAS CRISTALINAS
CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS
1. VIDRIOS.
El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza,
aunque también puede ser producido por el ser humano. El vidrio artificial es utilizado por sus propiedades
ópticas, para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. Fundamentalmente, su
estructura se basa en unidades de silicatos alcalinos y alcalinotérreos amorfos, tal como se muestra en la Fig.9
(b) y se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3)
y caliza (CaCO3). La Tabla 7 muestra la composición en peso de varios tipos de vidrios con sus diferentes
aplicaciones.
1.1 ESTRUCTURAS DE LOS SILICATOS. Los silicatos son materiales compuestos fundamentalmente de silicio
y oxígeno, los dos elementos más abundantes sobre la tierra; consecuentemente la mayoría de suelos, rocas,
arcillas y arenas caen en la denominación de silicatos. En lugar de caracterizar la estructura cristalina de estos
materiales en términos de celdas unitarias, es más conveniente utilizar diversos arreglos de un tetraedro, como
el de la Fig. 4, donde cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno, los cuales están situados
en los vértices del tetraedro. El átomo de silicio se coloca en el centro. Dado que ésta es la unidad básica de
los silicatos, a menudo se trata como una entidad con carga negativa.
Fig.3 Tanto la estructura fcc como hcp,
son estructuras de empaque cerrado.
Ambas contiene un intersticio
octaédrico y dos tetraédricos por cada
átomo, y por celda

Fig.6 Estructuras en cadena, tipo piroxeno, formado de unidades de metasilicato, Si𝐎𝟑
𝟐−
Fig. 7 Estructuras en cadena, tipo anfíbol
Fig. 4 Distribución de los enlaces atómicos del ion
tetraédrico, SiO4
4−
. En esta estructura, cuatro
átomos de oxígeno rodean a un átomo central de
silicio. Cada átomo de oxígeno tiene un electrón
adicional y, por tanto, una carga negativa neta para
enlazarse con otro átomo.
Fig.5 Estructura del anión
pirosilicato que equivales a dos
tetraedros unidos por un oxígeno
común, dejando 6 vértices libres
negativos.

Las estructuras laminares de silicatos se forman cuando tres esquinas de un mismo plano de un tetraedro de
silicato están enlazadas a las esquinas de otros tres tetraedros de silicato, como se muestra en la Fig. 8. Esta
estructura tiene la fórmula química unitaria de S2O5
2−
o S4O10
4−
Estas láminas de silicato pueden enlazarse con
otros tipos de láminas estructurales debido a que queda todavía un oxígeno no enlazado en cada tetraedro de
silicato (Fig. 8.) Por ejemplo, la capa de silicato cargada negativamente puede enlazarse con una capa de
Al2(OH)4
2+
cargada positivamente para formar una lámina compuesta de un tipo especial de cerámicos
llamadas arcillas, como la caolinita, la cual se muestra esquemáticamente en la Fig. 14.
Fig. 8 Estructuras laminares. Las flechas indican la propación planar de silicatos, quedando los
vértices libres que están en la dirección hacia fuera de la hoja, con una carga negativa.
Fig. 9 (a) Estructuras de silicatos cristalinos. (b) Estructura de silicatos amorfos en el vidrio.
Fig. 10 Estructura tridimensional del cuarzo, SiO2, en su forma
de cristobalita. Todos los átomos de oxígeno son compartidos por
dos átomos de silicio.

Otro ejemplo de un silicato laminar es el talco mineral, en el cual una hoja de Mg3 (OH)2
4+
se enlaza con dos
de la capa exterior del Si2𝐎𝟓
𝟐−
(una de cada lado) para formar una lámina compuesta con la fórmula química
unitaria Mg3(OH) 2 (Si2O5
2−)2. Las láminas de talco del material compuesto están unidas entre sí por medio
de enlaces secundarios débiles y, por tanto, su distribución estructural permite que las placas de talco se
deslicen fácilmente unas sobre otras, de ahí la textura muy suave de este conocido material.
1.2 ÓXIDOS MODIFICADORES (O DISOLVENTES) DE VIDRIOS Y ÓXIDOS FORMADORES DE VIDRIOS.
Tal como se observa en la Tabla 7, los vidrios comunes están formados de silicatos alcalinos, cuando se
quieren obtener propiedades especiales en los vidrios, se deben añadir otros óxidos
TABLA 7 Composición y características de algunos vidrios comerciales y comunes [Callister Jr (2012)
Intyroducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 2da Ed. Limusa Willey, p: 462]
La presencia de ciertos tipos de óxidos, le da un comportamiento especial al vidrio en su condición de
acabado y colorido. Óxidos alcalinos y alcalinoterreos, pueden romper las cadenas de silicados y en su
estado semifundido pueden disminuir la viscosidad. Por ello, no es recomendable guardar soluciones
altamente alcalinas, en frascos de vidrio.
Contrariamente otros óxidos, como el de boro, pueden incrementar la concatenación de las cadenas de
silicatos y por ello se les llama “formadores de cadenas”, con el agregado, que el boro por tener un bajo
coeficiente de dilatación, no permite la expansión o la contracción del vidrio cuando éste está sometido a
variaciones de temperatura, haciéndolo resistente al choque térmico. La Fig. 11 muestra en (a) la disolución
de cadenas de silicatos por el sodio; y en (b) la formación o ligazón de cadenas con el boro. También, en la
Tabla 8 se da una relación de óxidos que rompen cadenas de silicatos, que forman cadenas de silicatos y, de
otros, cuyo comportamiento es intermedio.
El vidrio por ser un material amorfo se comporta según la Fig. 12. Cuando al vidrio sólido se le calienta, no
observa un punto de fusión definido, sino que pasa directamente a un estado plástico viscoso o de un líquido
sobreenfriado, antes de llegar al estado líquido. Precisamente se busca el estado plástico del vidrio para
poder molderlo y dar la conformación deseada a este material. En la Fig.13, se muestra la relación entre las
temperaturas de trabajo y la viscosidad lograda en diversos tipos de vidrios, así mismo, se define la zona de
trabajabilidad para la conformación de los mismos.

Fig. 11 (a) Cationes alcalinos rompedores de la red de silicatos. (b) Boro, elemento formador de redes
de silicatos
TABLA 8 División de los óxidos en el interior de los vidrios: formadores, intermedios y
modificadores
(b)
(a)
Fig. 12. Comparación entre la
temperatura de fusión (Tm) de un
sólido cristalino y la temperatura de
transición vítrea (Tg), propia de
materiales amorfos, como el vidrio

2. ARCILLAS
Son silicatos hidratados de aluminio, que químicamente se les puede representar, por: Al2O3 · 2SiO2 · H2O.
Poseen una estructura laminar algo compleja de capas de silicatos laminares y cationes aluminato, en los
cuales se pueden acoplar otros cationes que equilibran las cargas negativas de los silicatos. El ejemplo más
conocido de la estructura de una arcilla es de la caolinita, que se muestra en la Fig. 14. Nótese que los
cationes Al3+
, ocupan los lugares octaédricos rodeados de aniones OH–
y O–
. Para un cristal perfecto de
dos capas de caolinita la composición de la celda unitaria sería: [Al2(OH)4 (Si2O5)]2, pero en la mayoría de
las arcillas de caolinita existen defectos debidos en parte, a la sustitución isomorfa de Si4+
por Al3+
y otros
átomos pequeños. El exceso de carga negativa es compensada por cationes situados en la superficie
exterior de los cristales [J. Rouquerol, et.al.(2014), Adsorption by Clays, Pillared Clays, Zeolites and
Aluminophosphates Adsorption by Powders and Porous Solids; 2th Ed. p: 467-527]. La Fig. 15 es la forma más
simplista de observar la unión del catión aluminato, Al2(OH)4
2+
y el anión S2O5
2−
Fig. 14 Estructura de la caolinita ideal
Fig. 15 Diagrama esquemático de la formación de caolinita a partir de placas de Al2(OH)4
2+ y S2𝐎𝟓
𝟐−
Se satisfacen todos los enlaces primarios de los átomos en la lámina de caolinita.
En la Fig. 16 se muestra la estructura parcial de otro tipo de arcilla, la montmorillonita, donde se observan
los estratos laminares de silicatos y de hidratos metálicos. Dentro del tipo de arcillas de montmorillonita

está la bentonita, que puede contener Ca2+
o Na+
y agua entre los estratos de silicatos y aluminatos, tal como
se muestra en la Fig.16. Cuando está presente el catión sodio, la bentonita sódica tiene la capacidad de
hincharse al ponerse en contacto con agua. La bentonita cálcica no tiene esa capacidad, pero si es un buen
adsorbente.
Las bentonitas posen propiedades particulares respecto al resto de arcillas, como son:
- Capacidad de hinchamiento, especialmente las bentonitas sódicas, que cuando absorben agua entre las
láminas de silicatos, (ver Fig.16) pueden incrementar hasta 15 veces su volumen.
- Buena plasticidad y lubricidad, debido a que el agua forma una envoltura sobre las partículas laminares
de silicatos, produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre
otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.
- Alta superficie específica (150 – 800 m2
/g)
- Capacidad de intercambio catiónico (cationes de metales pesados pueden intercambiarse con los de
Na+
, Ca2+
o de Al3+
, y/o combinarse con los grupos OH–
, dentro de la misma estructura de la arcilla)
- Alta impermeabilidad y cohesividad precisamente por efecto de su incremento de volumen.
Gracias a esa propiedades las bentonitas se usan:
- Para el sellado y obsturación de fugas, especialmente en los cimientos de los rellenos de seguridad que
almacenan residuos peligrosos, tóxicos y radiactivos.
- En lodos de perforación para la industria petrolera, para extraer agua, petróleo o gas natural.
- En decoloración y clarificación de aceites, vinos, sidras, cervezas, etc. Tienen gran importancia en los
procesos industriales de purificación de aguas que contengan diferentes tipos de aceites industriales y
contaminantes orgánicos.
Por otro lado, se ha investigado que las arcillas minerales tienen una mayor afinidad hacia los iones de metales
pesados, que para los iones alcalinos y alcalinotérreos. La adsorción de iones de metales pesados por arcilla,
es un proceso complejo, que refleja su fuerte tendencia a formar enlaces covalentes. El grado de absorción no
es simplemente una función de la capacidad de intercambio catiónico (CIC) de los minerales de arcilla ya que
Fig. 16. Estructura laminar de
la Montmorillonita, grupo de
arcillas a la cual pertenece la
bentonita. Al añadirse las
moléculas de agua entre las
láminas de los silicatos, estos
pueden fácilmente deslizarse
entre sí, ante una pequeña
presión, característica que se
denomina hidroplasticidad
Na
+ H2O

la adsorción de iones de metales pesados implica una variedad de procesos, incluyendo la complexación
superficial –(según el número de coordinación del catión), que puede ser, tanto, directa ("esfera interna ') o
indirecta ("esfera exterior")– e implicando un simple intercambio iónico, y la precipitación superficial. En la
Fig. 17 se resumen algunos procesos de complexación que ocurren en la interface de la arcilla con la solución
que contiene cationes metálicos, así como el encapsulamiento que es posible que ocurra (G.D. Yuan, B.K.G.
Theng, G.J. Churchman and W.P. Gates, (2013) “Clays and Clay Minerals for Pollution Control”, Chapter 5.1,
Clay Science, Vol. 5B, p:592)
Fig.17 Modelos conceptuales de la absorción de iones metálicos. En la adsorción superficial, esfera
interior se refiere al enlace directo del ion a los átomos de superficies de un mineral (ejm. arcilla);
mientras que esfera exterior, indica la presencia de ligandos de agua o hidroxilo entre el ión metálico y
la superficie (O’Day, P.A., Vlassopoulos, D., 2010. Mineral-based amendments for remediation. Elements 6,
375–381)
Las arcillas tradicionales están formadas de tres componentes básicos: arcilla (Al2O3. SiO2.H2O), sílice (SiO2)
y feldespato de potasa (K2O.Al2O3.6SiO2), además de pequeñas cantidades de otros óxidos como TiO2,
Fe2O3, MgO, CaO y alcalinos.
La arcilla de la cerámica tradicional es muy hidroplástica de modo que es facilemnte moldeable, cuando
cuando es amasada con cierta cantidad de agua. Cuando la arcilla pierde el agua, (alrededor de 300ºC) se
solidifica, pero es su cocción a partir de 900ºC, la que le imparte dureza e impermeabilidad. El tiempo de
coccion es importante porque debe el suficiente como para que se produzca la sinterización o coalescencia de
los ganos de arcilla, como se muestra en la Fig. 18. El feldespato actúa como fundente, disminuyendo el punto
de fusión de la sílice; la sílice se torna líquida, cubriendo y rellenando poros y fisuras, cohersionando así las
partículas de arcilla. La Fig. 18, muestra al proceso de barbotina para la fabricación de piezas compactas y
piezas huecas de cerámica.

Fig. 18. Pasos para el moldeo en barbotina: (a) pieza maciza; y (b) pieza vaciada, usando un
molde poroso de yeso (Callister Jr. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, 3ra ed. Tomo I, p:
442)
3. REFRACTARIOS
Las propiedades sobresalientes de estos materiales incluyen la capacidad para soportar altas temperaturas sin
fusión o descomposición, y la capacidad a permanecer no reactivo e inertes cuando se expone a ambientes
Fig. 19. Cambios microestructurales que ocurren durante la cocción de un polvo compactado.
(a) Partículas después de prensado
(b) Coalescencia de partículas y formación de poros a medida que empieza la sinterización
(c) A medida que la sinterización ocurre, los poros cambian de tamaño y de forma

severos. Adicionalmente, la capacidad de proporcionar aislamiento térmico es a menudo una consideración
importante.
Los materiales refractarios se comercializan en una variedad de formas, pero la más común es, como ladrillos
aislantes. Las aplicaciones típicas incluyen revestimientos de hornos para refinado de metales, fabricación de
vidrio, tratamientos térmicos metalúrgicos, y la generación de energía.
El comportamiento de un cerámico refractario, en gran medida, depende de su composición. Sobre esta base,
hay varias clasificaciones, a saber, 1) arcilla refractaria, 2) sílice, 3) refractarios básicos y refractarios
especiales. Las composiciones para una serie de refractarios comerciales se muestran en la Tabla 10.
TABLA 10. Composición de cinco materiales refractarios comunes
La porosidad es una variable microestructural que debe ser controlada para producir un ladrillo refractario
adecuado. Al reducir la porosidad aumentan la resistencia, la capacidad de carga y la resistencia al ataque de
materiales corrosivos. Pero, al mismo tiempo, disminuyen las características de aislamiento térmico y la
resistencia al choque térmico. Por supuesto, la porosidad óptima depende de las condiciones de servicio
Fig. 20. Diagrama sílice-alúmina. Las arcillas refractarias corresponden a una composición, entre 25
a 45% de Al2O3, donde la temperatura que pueden alcanzar sin formar líquido es de 1587ºC. Cuando
el contenido de Al2O3 oscila entre 0,2 y 1,0%, se denomina refractario de sílice. En cambio, si la mezcla
sílice-alúmina corresponde a la composición de mullita, entonces se denomina refractario especial

4. ABRASIVOS
El requisito fundamental de este tipo de cerámicos es su dureza o resistencia al desgaste. Sin embargo también
es necesario un alto grado de tenacidad para evitar la fractura de los granos, y cierto grado de refractividad,
para evitar la deformación de los granos, ya que las fuerzas abrasivas de fricción generan altas temperaturas.
Aunque el abrasivo más conocido es el diamante, es también el más caro. Muchas de las propiedades de
algunos abrasivos, se describen en la Tabla 2, siendo los carburos (SiC, WC, etc.) el óxido de aluminio y la
arena de sílice, los más comunes.
Fig. 21. Estructuras cristalinas de tres cerámicos abrasivos (a) SiC; (b) SiO2; y (c) diamante
5. CEMENTOS
Son cerámicos inorgánicos muy conocidos, como son: el cemento Portland; el yeso y la caliza. La
característica de estos materiales es que al estar mezclados con agua, reaccionan químicamente, formando una
pasta que inicialmente fragua y luego se endurece. Esto permite construir estructuras sólidas y rígidas de
todas las formas posibles que se deseen.
Algunos de estos cerámicos actúan como una fase ligante para aglutinar químicamente a otras partículas de
agregados y formauna sola estructura coherente y rígida. Es decir hacen el papel que desempeña la sílice
cuando las arcillas y algunos ladrillos refractarios son cocidos. La gran diferencia es que el cemento endurece
a temperatura ambiente y por reacción conocida como la hidratación de la pasta de cemento.
(c)
Fig. 22. Imagen por microscopía
de barrido electrónico, de una
película delgada de diamante, en
la que se muestran numerosos
microcristales con multifaces.
1000X. (Fotografía de Norton
Company)

El cemento Portland es el que se produce en grandes cantidades para la industria de la construcción. Se obtiene
de la calcinación dosificada de caliza, arcilla, arena y minerales de hierro, a la temperatura de 1400-1500ºC.
El producto de la calcinación se denomina clinker, el cual es molido con un pequeño porcentaje de yeso, para
obtener finalmente el cemento Portland. La Fig. 23.A, muestra en forma resumida, el proceso de fabricación
del cemento Portland, por vía seca, partiendo de sus materias primas: caliza, arena, minerales de hierro y
arcilla.
Dos de las cuatro fases mineralógicas más importantes, (el silicato tricálcico, 3CaO.SiO2, (C3S) y el silicato
dicálcico, 2CaO.SiO2, (C2S) son las responsables de la resistencia a la compresión, con la que se caracteriza
a la pasta endurecida de cemento. Estas fases reaccionan con el agua, formando una pasta coloidal llamada
gel de tobermorita, que luego se endurece formando, roca de cemento.
2 (3CaO.SiO2) + 6 H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3 Ca(OH)2
2 (2CaO.SiO2) + 4 H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2
Gel de tobermorita
La pasta de cemento y por tanto el concreto (pasta de cemento reforzado con grava o piedra chancada)
tienen un pH básico, por el subproducto, Ca(OH)2, formado en las reacciones de hidrtación del C3S
y C2S.
Por otro lado, en la Fig. 23.B, se muestra el diagrama triangular de los tres óxidos componentes del
clinker, el cuarto óxido, el Fe2O3, es el fundente. Dentro del diagrama también se encuentran los
llamados materiales puzolánicos, como las escorias de altos hornos, las cenizas volantes, los cementos

aluminosos, las puzolas naturales, etc. Se llaman materiales puzolánicos porque en presencia de
Ca(OH)2 y agua, pueden formar materiales enducidos, como si fuesen rocas.
Fig. 23.B Diagrama de fases ternario, de tres componentes principales que constituyen las fases
del clinker de cemento Portland. El cuarto componente, Fe2O3, actúa como fundente del
sistema.
6. CERÁMICOS AVANZADOS
Se llaman así a aquellos cerámicos que han encontrado una aplicación en áreas tecnológicas no muy
típicas para los cerámicos, donde se aprovechan las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. Más
aún, al desarrollarse cerámicos resistentes al impacto, estas cerámicas avanzadas, pueden ser
utilizadas en motores de combustión interna y en turbinas, así como en placas para blindajes, también
como herramientas de corte. Entre estos tipos de cerámicos, tenemos, al nitruro de silicio (Si3N4),
el carburo de silicio (SiC), la zirconia (ZrO2), los nanotubos de carbono y otros
El sistema ZrO2–CaO
Una cerámica de sistema binario, importante, es el del óxido de circonio (zirconia) y óxido de calcio
(calcia); una parte de esta diagrama de fase es mostrada en la Fig.24. El eje horizontal se prolonga
hasta solamente casi el 31 % en peso de CaO (50 % de mol CaO), composición a la cual se forma el
compuesto CaZrO3. Cabe notar que para este sistema se encuentra un eutéctico (2250 º C y 23 % en
peso de CaO) y dos reacciones eutectoides (1000ºC y 2.5 % en peso de CaO, y a 850ºC y 7.5 % en
peso de CaO). Puede también observarse en la Fig. 23 que la ZrO2 tienen tres estructuras cristalinas
diferentes, concretamente, tetragonal, monoclínica y cúbica. El ZrO2 puro experimenta una
transformación de fase de monoclinica - tetragonal en aproximadamente 1150 º C (2102 º F ). Un
cambio de volumen relativamente grande acompaña a esta transformación, dando lugar a la formación
de rajaduras que dan un artículo cerámico inútil. Este problema es superado, estabilizando la zirconia
añadiendo entre aproximadamente 3 y 7 % en peso de CaO. Sobre esta extensión de composición y a

temperaturas por encima de los 1000ºC, estarán presentes tanto la fase cúbica como tetragonal. Al
enfriarse a la temperatura ambiente bajo las condiciones de enfriamiento normales, las fases
monoclínica y CaZr4O9 no se forman (como se puede observar en el diagrama de fase); por
consiguiente, las fases cúbicas y tetragonales son conservadas, y la formación de fisuras es evitada.
Un material de zirconia con un contenido de cal dentro del rango arriba citado se le denomina una
zirconia parcialmente estabilizado, o PSZ. El óxido de Ytrio (Y2O3) y óxido de magnesio (MgO)
también son usado como agentes estabilizadores. Además, para un contenido de estabilizador más
alto, solamente la fase cúbica puede ser conservada en la temperatura ambiente; tal será un material
completamente estabilizado. El rango de composiciones para la estabilización de las fases tetragonal
y/o cúbica es estrecho y depende de la temperatura y del dopante, siendo Y2O3, CaO y MgO los más
utilizados.
.
Fig. 24 Diagrama
de fases zirconia-
cal [Adaptado de V.
S.Stubican and S. P.
Ray, ‘‘Phase
Equilibria and
Ordering in the
System ZrO2-CaO’’
J. Am.Ceram. Soc.,
60 [11–12] 535
(1977). American
Ceramic Society]

Fig.25 Diagrama de fases ZrO2-MgO. La parte sinterizada en A está en la región de solución sólida
cúbica (C-ss) Cuando se enfría, se precipitan pequeñas inclusiones de ZrO2 tetragonal, impartiéndole
tenacidad. La parte sinterizada en B contendrá tanto la fase tetragonal como cúbica. Esto confiere una
menor expansión térmica y mejor resistencia al choque térmico. T-ss: solución sólida tetragonal; M-ss:
solución sólida monoclínica
La Fig. 25 muestra el sistema ZrO2-MgO, donde dos cerámicas de diferentes contenidos de MgO, dan
como resultado a una cerámica de zirconia de alta tenacidad (muestra A) y a otra de alta resistencia
al choque térmico (muestra B)
El carbono y sus alótropos
A) El grafito
El grafito tiene una estructura en capas en las cuales los átomos de carbono de las capas están fuertemente
unidas (mediante orbitales híbridos sp2
) en distribuciones hexagonales como se muestra en la Fig. 27. Las
capas están unidas entre sí por enlaces secundarios débiles y pueden deslizarse sin dificultad unas sobre otras.
El electrón libre existente sobre cada átomo de carbono puede viajar con facilidad de un lado a otro de la capa,
pero no se desplaza fácilmente de una capa hacia otra. Por tanto, el grafito es anisotrópico (las propiedades
dependen de la dirección), ya que es un buen conductor térmico y eléctrico en el plano horizontal en dirección
de los planos, pero no lo es en el plano perpendicular.
El grafito tiene una densidad baja de 2.26 g/cm3
y sirve para la elaboración en largas fibras, las cuales sirven
de refuerzo en materiales compuestos y también puede usarse como lubricante.
B) El diamante
Tiene una estructura cúbica (Fig 27) que se basa en orbitales híbridos sp3
unidos en forma covalente. Sus
propiedades son muy distintas de las del grafito. A diferencia del grafito, es isotrópico y tiene una densidad
más alta de 3.51 g/cm3, aproximadamente. El diamante es el material más rígido y duro, y el menos
compresible de la naturaleza. Tiene una conductividad térmica muy alta (similar a la del grafito), pero sus
valores de conductividad eléctrica son mínimos (en esencia es un excelente aislante). Sin embargo, impurezas
tales como el nitrógeno, afectan sus propiedades en forma adversa. El diamante natural es extremadamente
caro y su mayor valor es como gema. Sin embargo, los diamantes sintéticos (hechos por el hombre) tienen
una dureza comparable, son más baratos y se usan en herramientas de corte, revestimientos
y abrasivos.

Fig. 26. A la izquirda, estructura del grafito donde los átomos de carbono se unen hibridizándose en la
forma sp2 dejando un electrón libre por átomo de C. A la derecha la estructura del diamante
DIAGRAMA DE FASES DE LOS CERÁMICOS
Al igual que los metales, los cerámicos también pueden formar aleaciones binarias de solubilidad total,
(Fig.27); de solubilidad parcial con eutécticos y formación de fases intermedias, como se pudo observar en la
Fig. 28. Así mismo pueden formar sistemas ternarios o de tres componentes, para los cuales existen los
diagramas triangulares, como el caso del sistema CaO-SiO2-Al2O3 mostrado en la Fig.23. También se pueden
formar sistemas con eutéctico y peritéctico, como en el caso del sistema SiO2 – Al2O3, mostrado en la Fig. 20.
En las siguientes figuras se mostrarán algunos diagramas de fases de sistemas conocidos
Fig.27. Sistema de solubilidad completa: Al2O3 – Cr2O3.

Fig. 28. Diagrama de fases SiO2-Na2O. La adición de soda cáustica reduce drásticamente el
punto de fusión de la sílice, formando dos eutécticos en el rango de adicón del álcali.
Fig.29. Sistemas binarios de solubilidad parcial, y formación de fase intermedia, donde se forma
una fase intermedia (espinela) y dos puntos eutécticos
MICROESTRUCTURA DE CERÁMICAS
Los cerámicos pueden contener varias fases al igual que las aleaciones metálicas. La Fig. 31(a)
muestra un ejemplo de la microestructura de una alúmina al 97,5% de Al2O3 que contiene sílice vítrea
(SiO2), fase que aparece en los límites de grano. La Fig. 31(b) muestra la microestructura de la alúmina
al 99,5% y con mucho menos de sílice. La alúmina al 99,5% es más fuerte y más dura que tiene
97,5% de alúmina. Los valores de las propiedades típicas se muestran en la Tabla 5. Las fases

secundarias en las fronteras de grano se presentan comúnmente a partir de la solidificación de las
fases que se vuelven líquidos durante la sinterización. Las fases secundarias puede ser vítreas
(amorfas) o cristalina, dependiendo de su composición. Nótese que los valores de las propiedades son
menores para la alúmina con mayor sílice vítrea en los bordes de grano. Las fases secundarias pueden
reducir la resistencia, la estabilidad térmica, la conductividad eléctrica, y la conductividad térmica de
una cerámica
Fig. 31. Microestructura de muestras de alúmina: (a) de 97,5% de Al2O3 y 2,5% de SiO2, el
cual aparece en los bordes de grano, como g. (b) de 99,5 % de Al2O3
Tabla 5 Propiedades mecánicas típicas para la alúmina al 97,5% y al 99,5% de Al2O3
Propiedad Al2O3 al 97,5 % Al2O3 al 99,5 %
Resistencia a la flexión (MPa)
Módulo de elasticidad (Ga)
Dureza (de Rockwell 45N)
292
345
76
344
374
85
Fig.30 Diagrama de la
microestructura de un
cerámico: granos, bordes de
grano, poros, microfisuras y
fases secundarias.

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