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CaO y Cr2O3. En la tabla 11.8 se listan las composiciones de muchos tipos de refractarios
industriales y algunas de sus aplicaciones.
11.7.2 Refractarios ácidos
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Los refractarios de sílice tienen alta refractabilidad, alta resistencia mecánica y rigidez a
temperaturas cercanas a sus puntos de fusión.
Los barros refractarios se basan en una mezcla de barro plástico, arcilla de sílex pulverizada y
grog de arcilla (de partícula gruesa). En condiciones de no cocción (verdes), estos refractarios
consisten en una mezcla de partículas que van desde gruesas hasta extremadamente finas.
Después de la cocción, las partículas finas forman un enlace cerámico entre las partículas más
grandes.
Los refractarios altos en alúmina contienen de 50 a 99 por ciento de alúmina y tienen
temperaturas de fusión más altas que los ladrillos de barro refractario. Se pueden usar en
condiciones de horno más severas y a mayores temperaturas que los ladrillos de barro
refractario, pero son más caros.
11.7.3 Refractarios básicos
Los refractarios básicos constan principalmente de (MgO), cal (CaO), mineral de cromo o
mezclas de dos o más de estos materiales. Como grupo, los refractarios básicos tienen alta
densidad aparente, alta temperatura de fusión y buena resistencia al ataque químico de
escorias básicas y óxidos, pero son más caros. Los refractarios básicos contienen un alto
porcentaje de magnesio (92 a 95 por ciento) y son ampliamente utilizados en recubrimientos
para el proceso básico de oxígeno en la fabricación de acero.
11.7.4 Losetas cerámicas aislantes para el transbordador espacial
El desarrollo del sistema de protección térmica para el transbordador espacial es un excelente
ejemplo de la tecnología de materiales moderna aplicada al diseño de ingeniería. Para que el
transbordador espacial se pudiera usar en 100 misiones por lo menos, se desarrollaron nuevos
materiales aislantes para fabricar losetas de cerámica.
Cerca de 70 por ciento de la superficie externa del satélite artificial está protegida del calor por
medio de unas 24 000 losetas de cerámica hechas de un compuesto de fibras de sílice. En la
figura 11.43 se muestra la microestructura del material de la loseta de aislamiento superficial
reutilizable para alta temperatura (HRSI, por sus siglas en inglés) y en la figura 11.44 se indica
el área de la superficie donde se une al cuerpo del orbitador. Este material tiene una densidad
de sólo 4 kg/pie3 (9 lb/pie3) y puede soportar temperaturas hasta de 1 260°C (2 300 °F). La
efectividad de este material aislante se prueba por el hecho de que un técnico puede sostener
una pieza de loseta cerámica después de sólo unos 10 segundos de haber sido extraída de un
horno a 1 260°C (2 300°F).
11.8 VIDRIOS
Los vidrios tienen propiedades especiales que no se encuentran en otros materiales de
ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente, junto con la
suficiente solidez y la excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes
normales, hacen que los vidrios sean indispensables en múltiples aplicaciones de ingeniería,
como la construcción y los cristales para vehículos. En la industria eléctrica, el vidrio es esencial
para distintos tipos de lámparas por sus propiedades aislantes y porque con él pueden hacerse
recipientes herméticos al vacío. En la industria electrónica se requiere también un recipiente
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hermético al vacío para tubos electrónicos, lo cual se obtiene con vidrio y éste ofrece además sus
propiedades aislantes para fijar los conectores. La alta resistencia química del vidrio lo hace útil
para aparatos de laboratorio y revestimientos de tubos resistentes a la corrosión, y para
recipientes de reacciones en la industria química.
Figura 11.43
Microestructura del aislamiento superficial reutilizable LI900 para alta temperatura (material
de losetas cerámicas utilizado en el transbordador espacial) su estructura contiene 99.7%
de fibras de sílice puras. (Amplificación 1 200 ×.)
(Cortesía de Lockheed Martin Missiles and Space Co.)
Figura 11.44
Sistemas de protección térmica del transbordador espacial.
(Cortesía de la NASA.)
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11.8.1 Definición de vidrio
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El vidrio es un material cerámico fabricado con materiales inorgánicos a altas temperaturas. Sin
embargo, se distingue de otras cerámicas en que sus componentes son calentados hasta que
se fusionan y luego se enfrían hasta un estado rígido sin cristalización. Por tanto, el vidrio se
puede definir como un producto inorgánico de fusión que se ha enfriado hasta un estado rígido
sin cristalización. Una característica del vidrio es que tiene una estructura amorfa o no
cristalina. Las moléculas del vidrio no están distribuidas en un orden repetitivo de largo alcance
como el que existe en los sólidos cristalinos. En el vidrio, las moléculas cambian su orientación
en forma aleatoria en todo el material sólido.
11.8.2 Temperatura de transición vítrea
Figura 11.45
Solidificación de materiales cristalinos y vítreos (amorfos) mostrando los cambios de su
volumen específico. Tg es la temperatura de transición vítrea del material vítreo. Tm es la
temperatura de fusión del material cristalino.
El comportamiento de solidificación del vidrio es diferente del de un sólido cristalino, como se
ilustra en la figura 11.45, la cual es una gráfica del volumen específico (recíproco de la
densidad) contra la temperatura para estos dos tipos de materiales. Un líquido que forma un
sólido cristalino por solidificación (por ejemplo, un metal puro) cristaliza normalmente a partir de
su punto de fusión con una disminución significativa de volumen específico, como lo indica la
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trayectoria ABC en la figura 11.45. En cambio, un líquido que forma vidrio no cristaliza al
enfriarse, sino que sigue una trayectoria similar a AD en la figura 11.45. Un líquido de este tipo
se vuelve más viscoso a medida que baja su temperatura y se transforma de un estado plástico
ahulado blando a un estado vítreo rígido y frágil, en un estrecho intervalo de temperaturas
donde la pendiente de la curva de volumen específico contra temperatura disminuye
marcadamente. El punto de intersección de las dos pendientes de esta curva define un punto
de transformación llamado temperatura de transición vítrea Tg. Este punto es sensible a la
estructura, y las tasas de enfriamiento más rápidas producen valores de Tg más altos.
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623
11.8.3 Estructura de los vidrios
Óxidos que forman vidrio La mayoría de los vidrios inorgánicos se basan en el óxido de
silicio que es formador de vidrio. La subunidad fundamental de los vidrios a base de sílice es
4 −
el tetraedro SiO 4 en el cual un átomo (ion) de silicio (Si4+) del tetraedro está enlazado en
forma covalente iónica a cuatro átomos (iones) de oxígeno, como se muestra en la figura
11.46a. En la sílice cristalina, por ejemplo, la cristobalita, el tetraedro de Si-O está unido
esquina con esquina en una distribución regular, produciendo un orden de largo alcance como
se idealiza en la figura 11.46b. En un vidrio sencillo de sílice, el tetraedro está unido esquina
con esquina para formar una red suelta sin orden alguno de largo alcance (figura 11.46c).
El óxido de boro, B2O3, también es un óxido que forma vidrio y, por sí solo, forma subunidades
que son triángulos planos con un átomo de boro ligeramente fuera del plano de los átomos de
oxígeno. Sin embargo, en los vidrios de boro silicato a los que se agregan álcalis y óxidos de
3 −
4 −
tierras alcalinas, los triángulos de BO 3 se pueden convertir en tetraedros de BO 4 , con
cationes alcalinos o alcalinotérreos que suministran la electroneutralidad necesaria. El óxido de
boro es un importante aditivo para muchos tipos de vidrios comerciales, como los borosilicatos
y los vidrios de aluminoborosilicato.
Figura 11.46
Representación esquemática de a) un tetraedro de silicio-oxígeno, b) una sílice cristalina
ideal (cristobalita) en la que el tetraedro tiene un orden de largo alcance y c) un vidrio de
sílice sencillo en el que el tetraedro no tiene un orden de largo alcance.
(Cortesía de Corning Glass Works.)
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Óxidos modificadores del vidrio
Los óxidos que rompen la red vítrea se conocen como modificadores de redes. Óxidos
alcalinos, como el Na2O y el K2O, y óxidos alcalinotérreos como el CaO y el MgO se añaden
al vidrio de sílice para disminuir su viscosidad, de modo que pueda ser trabajado y
conformado con más facilidad. Los átomos de oxígeno de estos óxidos penetran en las redes
de sílice en puntos de unión del tetraedro y rompen la red, produciendo átomos de oxígeno
con un electrón no compartido (figura 11.47a). Los iones Na+ y K+ que provienen de Na2O y
del K2O no entran en la red, pero permanecen como iones metálicos enlazados iónicamente
en los intersticios de la red. Al llenar algunos de los intersticios, esos iones provocan la
cristalización del vidrio.
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Figura 11.47
a) Vidrios de red modificada (vidrio de soda-cal) obsérvese que los iones metálicos
(Na+) no forman parte de la red. b) Vidrio de óxido intermedio (alúmina-sílice)
obsérvese que los pequeños iones metálicos (Al3+) forman parte de la red.
(O. H. Wyatt y D. Dew-Hughes, “Metals, Ceramics, and Polymers”, Cambridge, 1974, p. 263.)
Óxidos intermedios en vidrios
Algunos óxidos no tienen la capacidad de formar una red vítrea por sí mismos, pero pueden
unirse a una red ya existente. Estos óxidos se conocen como óxidos intermedios. Por
4 −
ejemplo, el óxido de aluminio, Al2O3, puede entrar a la red de sílice como AlO 4 tetraédrico,
4 −
reemplazando algunos de los grupos SiO 4
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(figura 11.47b). Sin embargo, como la valencia
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del Al es +3, en vez de +4 como se requiere para el tetraedro, los cationes alcalinos deben
suministrar el resto de los electrones necesarios para producir neutralidad eléctrica. Los
óxidos intermedios se añaden al vidrio de sílice para obtener propiedades especiales. Por
ejemplo, los vidrios de aluminosilicato pueden alcanzar temperaturas más altas que el vidrio
común. El óxido de plomo es otro óxido intermedio que se añade a algunos vidrios de sílice.
Dependiendo de la composición del vidrio, los óxidos intermedios pueden actuar a veces
como modificadores de red y también pueden formar parte de la red del vidrio.
11.8.4 Composición de diversos vidrios
Las composiciones de algunos tipos importantes de vidrio se listan en la tabla 11.9 junto con
algunas observaciones sobre sus propiedades y aplicaciones especiales. El vidrio de sílice
fundido, que es el vidrio más importante de un solo componente, tiene una alta transmisión
espectral y no es susceptible al daño por radiación, que es la causa del oscurecimiento de otros
vidrios. Por tanto, es el vidrio ideal para ventanas de vehículos espaciales, ventanas de túneles
de viento y sistemas ópticos en dispositivos espectrofotométricos. Sin embargo, el vidrio de
sílice resulta difícil de procesar y es caro.
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Vidrio de soda-cal
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El vidrio que se produce más comúnmente es el vidrio de soda-cal, que representa cerca de
90 por ciento de todo el vidrio producido. La composición básica de este vidrio es 71 a 73 por
ciento de SiO2, 12 a 14 por ciento de Na2O y 10 a 12 por ciento de CaO. El Na2O y el CaO
hacen que el punto de reblandecimiento de este vidrio descienda de 1 600 a 730°C,
aproximadamente, de modo que el vidrio de soda-cal es más fácil de conformar. Se le añade
de 1 a 4 por ciento de MgO para evitar la desvitrificación y de 0.5 a 1.5 por ciento de Al2O3
para incrementar la durabilidad. El vidrio de soda-cal se usa en vidrios planos, recipientes,
utensilios prensados y soplados, y en productos de iluminación cuando no se requiere alta
durabilidad química y alta resistencia al calor.
Vidrios de borosilicato
La sustitución de los óxidos alcalinos por óxido bórico en la red vítrea de sílice produce un
vidrio de menor expansión. Cuando el B2O3 entra en la red de sílice, debilita su estructura y
disminuye considerablemente el punto de reblandecimiento del vidrio de sílice. El efecto
debilitador se atribuye a la presencia de boros planares de tres coordenadas. El vidrio de
borosilicato (vidrio Pyrex) se usa en equipo de laboratorio, tuberías, utensilios para horno y
unidades herméticas de faros delanteros.
Vidrios de plomo
El óxido de plomo suele ser un modificador de la red de sílice, pero también puede actuar
como formador de redes. Los vidrios de plomo con alto contenido de óxido de plomo tienen
bajo punto de fusión y se usan en vidrios protectores para soldar-sellar. Los vidrios de alto
contenido en plomo también se usan como protectores de radiación de alta energía y se
aplican en ventanas de radiación, fundas de lámparas fluorescentes y tubos de televisor. Por
sus altos índices de refracción, los vidrios de plomo se usan en algunas lentes ópticas y en
vidrios con propósitos decorativos.
11.8.5 Deformación viscosa de vidrios
El vidrio se comporta como un líquido viscoso (superenfriado) por arriba de su temperatura de
transición vítrea. Bajo tensión, los grupos de átomos (iones) de sílice pueden deslizarse unos
sobre otros, permitiendo la deformación permanente del vidrio. Las fuerzas de enlace
interatómico resisten la deformación por arriba de la temperatura de la transición vítrea, pero no
logran evitar el flujo viscoso del vidrio si el esfuerzo aplicado es suficientemente alto. A medida
que la temperatura del vidrio aumenta progresivamente por arriba de su temperatura de
transición vítrea, la viscosidad del vidrio disminuye y el flujo viscoso se presenta con mayor
facilidad. El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un vidrio concuerda con una
ecuación tipo Arrhenius, salvo que el signo del término exponencial es positivo en vez de
negativo, como suele ser (es decir, para el coeficiente de difusión, la ecuación tipo Arrhenius es
D =D0 e(− Q/RT)). La ecuación que relaciona la viscosidad con la temperatura para el flujo
viscoso de un vidrio es
* =
0e
+Q /RT
(11.2)
donde = viscosidad del vidrio, P o Pa × s 6 0 = constante preexponencial, P o Pa · s Q =
energía de activación molar para flujo viscoso R = constante universal de gas molar, y T =
temperatura absoluta. En el problema de ejemplo 11.10 se muestra cómo se puede determinar
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