CERÁMICOS
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz
sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la
arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este
término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos que se
forman por acción del calor.
Por cerámico, actualmente, se entiende no solamente los materiales
cerámicos tradicionales tales como hormigón, vidrio, losa cerámica y
ladrillos, sino también a los más modernos, tales como materiales para
láser, vidrios sensibles a la luz, materiales dieléctricos y aislantes
utilizados en todos los equipos electrónicos modernos
El
término
cerámicas
está
asociado
con
materiales
predominantemente cristalinos aunque los hay amorfos como los
vidrios. Los silicatos son ejemplos abundantes y económicos que
tienen usos en numerosos productos industriales y de consumo.
CERÁMICOS
CERÁMICOS
CERÁMICOS
CERÁMICOS
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad.
 Alto punto de fusión y bajas conductividades térmica y eléctrica.
 Adecuadas estabilidades tanto química como térmica.
 Altas resistencias bajo esfuerzos de compresión.
Propiedades → Resultado de la particular estructura de las cerámicas.
ESTRUCTURA DE LAS CERÁMICAS:
 Naturaleza del enlace interatómico (iónico y/o covalente).
 Disposición espacial de los átomos.
http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/material-de-clase-1/Tema2Estructura_de_los_materiales.pdf/view
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Según la disposición atómica podemos diferenciar dos tipos de
sólidos: cristalinos y amorfos.
 Sólidos cristalinos → presentan estructuras cristalinas con un
orden de largo alcance → adoptan formas geométricas regulares
en posiciones fijas del espacio, alrededor de las cuales, los únicos
movimientos son vibracionales.
 Sólidos amorfos → presentan estructuras amorfas con un orden de
corto alcance → carecen de esta regularidad en gran extensión,
por estar constituidos por macromoléculas que encuentran
dificultad para acomodarse en posiciones fijas.
CERÁMICOS
* ¿ Qué es un sólido ?
 Un material que no fluye
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Según la disposición atómica podemos diferenciar dos tipos de
sólidos: cristalinos y amorfos.
Sólido cristalino = arena
Sólido amorfo = vidrio
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Concepto de cristal: orden/desorden.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 La mayoría de sólidos se caracterizan por ordenamientos de
partículas que vibran en torno a posiciones fijas en sus
estructuras, estos sólidos se denominan sólidos cristalinos.
 En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición
repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas, es
decir, existe un orden de largo alcance tal que, al solidificar o
formarse el material, los átomos se sitúan según un patrón
tridimensional repetitivo los metales, muchas cerámicas y ciertos
polímeros adquieren estructuras cristalinas en condiciones
normales de solidificación o de formación.
 El orden de largo alcance no existe en los materiales que no
cristalizan, denominados no cristalinos o amorfos, no presentan
una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún
patrón determinado. Existe un orden de corto alcance también se
les denomina vidrios ó líquidos sobreenfriados.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Los átomos o moléculas que lo forman no se encuentran en
posiciones fijas del cristal y por tanto, carecen de una distribución
tridimensional regular.
 Muchas propiedades de los materiales cerámicos, incluyendo, las
térmicas, eléctricas, dieléctricas, ópticas y magnéticas, son muy
sensibles a la estructura cristalina.
 Los sólidos cristalinos se fragmentan a lo largo de los planos de la
red cristalina, por lo que los fragmentos mantienen similares
ángulos interfaciales y características estructurales.
 Los sólidos amorfos se rompen de forma irregular dando bordes
disparejos y ángulos irregulares.
 Los sólidos cristalinos tienen puntos de fusión bien definidos,
mientras que los amorfos pueden fundir a temperaturas diferentes
en las diversas porciones de la muestra, al irse venciendo las
distintas fuerzas que unen sus partículas.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
Enlace iónico
Enlace covalente
Enlace metálico
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Elementos que entran a formar parte de los materiales cerámicos:
 Elementos metálicos: Al, Zr,…..
 Elementos no metálicos, principalmente el oxígeno.
Esto lleva como consecuencia la necesidad de analizar la estructura
del átomo metálico además de la del no metálico.
 Elementos no metálicos → Carácter del enlace pasa a ser de tipo
iónico y/o covalente, más fuertes que el metálico → Materiales
cerámicos más duros que los metálicos.
Ordenamiento espacial determinado por:
 El carácter direccional del enlace covalente.
 La localización de la carga en el iónico.
Átomos de muchas cerámicas participan tanto del enlace iónico como
del covalente de forma conjunta → Posible considerar los porcentajes
de cada tipo de enlace considerando la diferencia de
electronegatividad entre los átomos.
CERÁMICOS
•https://sites.google.com/site/materialesceramicoseq6/Home/estructuras-cristalinas-de-cermicos-sencillos
En los compuestos cerámicos listados, el enlace atómico es una
mezcla de los tipos iónico y covalente, valores aproximados de los
porcentajes de carácter iónico y covalente para los enlaces entre
átomos en estos compuestos se pueden obtener considerando las
diferencias de electronegatividad entre los diferentes tipos de átomos
en los compuestos.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 El carácter iónico de un enlace covalente se relaciona con el
concepto de electronegatividad.
 El carácter covalente de un enlace iónico se relaciona con el
concepto de polarización.
 Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividades de los dos
elementos, mayor es la fuerza de unión entre ellos y el carácter
iónico de su enlace.
 Enlaces con una electronegatividad menor que la unidad, se
pueden considerar covalentes.
 Enlaces con una diferencia de electronegatividad mayor que 2, se
pueden considerar iónicos.
 El grado de participación de un tipo u otro de enlace viene
determinado por las posiciones relativas en la Tabla Periódica →
Cuanto mayor sea la separación, tanto horizontal como vertical,
más iónico será el enlace; cuanto más cercanos estén entre sí los
elementos, mayor será el grado de covalencia.
 El porcentaje de carácter iónico o covalente determina el tipo de
estructura cristalina que formará el compuesto cerámico.
CERÁMICOS
Fuente:Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales(07/08/12)
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
 Otra característica importante → Tamaño relativo de los iones:
 Ión metálico → Catión → Cede electrones durante la ionización →
Tamaño pequeño.
 Ión no metálico → Anión → Acepta electrones durante la
ionización → Tamaño grande.
 Consecuencia:
 Los cationes tienden a ubicarse en los intersticios que produce el
arreglo cristalino.
 Los aniones forman la estructura de la red.
 Necesidad de compensar las cargas electrostáticas para mantener
la neutralidad eléctrica en el material cerámico:
 Todas las cargas positivas de los cationes deben ser equilibradas
por un número igual de cargas negativas de los aniones.
 Caso contrario → Materiales cerámicos con propiedades eléctricas.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Los metales forman estructuras cristalinas con un
empaquetamiento elevado → átomos de las mismas dimensiones y
distribución de carga eléctrica unidos mediante enlace metálico.
 Las cerámicas → constituidas por más de un átomo y una
o



combinación de tipos de enlace → estructuras más complicadas.
Para obtener estas estructuras deben considerarse factores
adicionales:
1.- Tamaño de los diferentes átomos.
2.- Balance de carga eléctrica para mantener la neutralidad eléctrica
global.
3.- Grado de direccionalidad de los enlaces.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 La estructura cristalina de un material cerámico está determinada
por la forma de empaquetarse los iones positivos y negativos, es
decir, los cationes y los aniones:
 Empaquetamiento de aniones y cationes en posiciones de red e
intersticios.
 Los iones tienden a empaquetarse densamente para disminuir la
energía total.
 Los cationes (metales) presentan cargas positivas y son de
pequeño tamaño respecto de los aniones → se alojan en los
intersticios.
 Los aniones (normalmente O, C o N) presentan cargas negativas y
son de gran tamaño respecto de los cationes.
CERÁMICOS
Características de los Materiales cerámicos:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Estas estructuras siguen tres principios básicos o principios de
LAVES:
 El espacio se ocupa de la manera más eficaz posible.
 La simetría que se adopta es la más alta posible.
 El número de conexiones posibles entre componentes será el más
alto posible.
 En la red cristalina cerámica cada ión positivo se rodea de un
determinado número de aniones formando un conjunto
denominado poliedro de coordinación.
CERÁMICOS
Características de los Materiales cerámicos:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Las estructuras están de acuerdo con las reglas de PAULING de los
cristales iónicos:
 Regla 1.- Poliedros de coordinación → aniones que rodean los
cationes forman un poliedro de coordinación → distancia anión-catión
es la suma de los radios iónicos → energía reticular se minimiza
cuando la estructura tiene una alternancia anión-catión.
 Regla 2.- Principio electrostático de valencia (fuerza de enlace) →
fuerzas de atracción y repulsión deben ser óptimas → estructura
estable debe ser eléctricamente neutra.
 Regla 3.- Compartición de poliedros → los poliedros se comparten por
los vértices (vértice compartido > arista compartida > cara compartida)
→ máxima separación entre los cationes → reducción máxima de los
esfuerzos de repulsión.
 Regla 4.- Evasión de cationes → cationes con valencia elevada y bajo
número de coordinación tienden a no compartir elementos del
poliedro.
 Regla 5.- Homogeneidad ambiental → número de componentes tiende
a ser pequeño → átomos químicamente similares.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Las estructuras están de acuerdo con las reglas de PAULING de los
cristales iónicos:
 A partir de estas reglas → para que las estructuras sean estables,
cada catión debe agrupar a su alrededor (preferiblemente en
contacto) el máximo número posible de aniones.
Inestable
Estable
Estable
 Índice de coordinación → cuanto mayor es su valor mayor es la
estabilidad de la estructura.
CERÁMICOS
Características de los Materiales cerámicos:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Factores que determinan la estructura cristalina:
 Tamaño relativo de los iones, es decir, la relación de radios entre el
catión y el anión → Rcatión/Ranión< 1 → ya que el tamaño del catión <
del anión.
 Electroneutralidad → La suma de cargas eléctricas debe ser cero.
 Cuanto mayor es el índice de coordinación, mayor es el radio del
catión.
 Los cationes tienden a colocarse en posiciones intersticiales.
 El número de coordinación o número de aniones más próximos a
un catión, está relacionado con el cociente entre los radios de los
cationes y de los aniones.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 La mayoría de las cerámicas están formadas por elementos
metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser:
 De carácter totalmente iónico.
 De carácter predominantemente iónico con algún carácter
covalente.
 De carácter predominantemente covalente con algún carácter
iónico.
 De carácter totalmente covalente.
 La mayoría de las estructuras cristalinas cerámicas consisten en
disposiciones compactas de los aniones con uno o más tipos de
cationes posicionados en huecos tetraédricos u octaédricos → en
estas estructuras tiende a predominar el enlace iónico →
estructuras iónicas.
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS CRISTALINAS CERÁMICAS
 Otras estructura cerámicas consisten en octaedros y/o tetraedros
aislados que se unen entre sí compartiendo vértices o caras →
presentan menor empaquetamiento que las estructura metálicas →
poseen grado elevado de enlace covalente direccional →
estructuras covalentes.
 EMPAQUETAMIENTO COMPACTO DE ESFERAS
 Algunas estructuras cerámicas pueden considerar en términos de
planos compactos de iones, formados por aniones grandes, que
están apilados unos sobre otros.
 Se pueden crear entre ellos pequeños huecos o posiciones
intersticiales en los cuales pueden colocarse los cationes.
 El tamaño de los intersticios varía en cada una de las diferentes
estructuras y nos determina la medida en que cada estructura es
capaz de alojar átomos con pequeños tamaño .
CERÁMICOS
HCP. En la celda unitaria HCP, hay dos
sitios
tetraédricos
contenidos
enteramente dentro de la celda arriba y
abajo del cuerpo del átomo, y dos en
cada borde vertical de la celda. El
número total es por tanto, 4 sitios
tetraédricos por celda unitaria. Ya que
esta celda contiene solo 2 átomos, la
relación de sitios tetraédricos a átomos
es 2:1.
Localización de sitios teraédricos (T) y Octaédricos (O)
en HCP. Las líneas punteadas muestran cada tipo.
CERÁMICOS
Hay dos sitios octaédricos por celda unitaria,
situados dentro de la celda, así que, la relación
de sitios octaédricos a átomos es 1:1
CERÁMICOS
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS:
ESTRUCTURAS DE LAS CERÁMICAS IÓNICAS
 Enlace iónico → no direccional:
*Estructuras forman redes tridimensionales con un elevado número de
cationes y aniones fuertemente unidos mediante fuerzas electrostáticas.
• Números de coordinación altos (alrededor de 6).
• Estructuras compactas.
 Características de las cerámicas iónicas:
 Estructura determinada por el tamaño de los iones y de su carga, con
tendencia a formar estructuras compactas.
 Presentan alto porcentaje de enlace iónico no direccional.
 Son transparentes a la longitud de onda del espectro visible.
 Absorben la luz infrarroja.
 Presentan conductividad eléctrica baja a temperaturas bajas.
 Muestran conductividad iónica a alta temperatura.
 La fuerza de los enlaces iónicos se incrementa con la carga.
 Muchos óxidos formados son duros y funden a alta temperatura.