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Capítulo 11:

 Clasificación de los materiales. (Cerámicos)


Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos lo propio con los materiales cerámicos. 

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden  fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en comparación  con los metales.  Son generalmente aislantes. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas.

Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tres dimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a la coordinación atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla la forma externa del cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque la superficie externa  se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar  uno de siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos están estrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volúmenes por superficies planas de intersección.

Sistema

Ejes

Ángulos Axiales

Cúbico

a1=a2=a3

Todos los ángulos = 90°

Tetragonal

a1=a2¹c

Todos los ángulos = 90°

Ortorrómbico

a¹b¹c

Todos los ángulos = 90°

Monociclíco

a¹b¹c

2 ángulos = 90°, 1 ángulo ¹ 90°

Triciclíco

a¹b¹c

Todos los ángulos diferentes, ninguno = 90°

Hexagonal

a1=a2=a3¹c

Ángulos = 90° y 120°

Romboedral

a1=a2=a3

Todos los ángulos iguales, pero ninguno de 90°

Cristales Cúbicos. Los átomos pueden acomodarse en un patrón cúbico con tres diferentes tipos de repetición: cúbico simple (cs), cúbico de cuerpos centrados (ccc), y cúbico de caras centradas (ccac).

- Cúbico simple. Es hipotética para metales puros, pero representa un buen punto de partida. Además de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes en ángulos rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tiene contornos idénticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal. Del mismo modo, cualquier posición específica es idéntica en todas las celdillas unitarias.

- Cúbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un átomo en cada vértice del cubo y otro átomo en el centro del cuerpo del cubo.

- Cúbica de caras centradas. Este tipo de estructura se caracteriza por que en la esquina de cada celdilla unitaria y en centro de cada cara hay un átomo, pero no hay ninguno en el centro del cubo.

- Cristales Hexagonales. Existen dos representaciones de las celdillas unitarias hexagonales simples. Este tipo de celdillas no tienen posiciones internas que sean equivalentes a las posiciones esquina. Además, existen estructuras hexagonales. Compactas que se caracterizan por tener cada átomo en una capa situada exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres átomos de las capas adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano, seis átomos en su propio plano y tres en la capa superior.

Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemas de cristales y retículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios son comparables a los citados previamente.

Comportamiento Óptico de los cerámicos.

En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energía Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar a la capa de valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos,  porque después de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está dada por:

ln  I/I0 = t/t 

donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material. Después de tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la luminiscencia disminuirá de I0 a I . Los materiales fosforescentes son muy importantes en  la operación de las pantallas de televisión.

Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamente imposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los vidrios típicos están próximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su transparencia;  mientras que las porcelanas comunes,  sin ser tan reflejantes como los metales están por arriba de este dato, y son consideradas opacas.

Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las bandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.

La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y  los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al matriz, que  de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.

Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos. En la próxima entrega comenzaremos con el estudio de los materiales polímericos. ¡Hasta entonces!

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