¿Qué es una vitrocerámica?
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Los materiales de vitrocerámica se desarrollaron por primera vez en Corning Glass Works y comparten propiedades tanto del material de vidrio original como de los materiales policristalinos. En este artículo analizamos en qué se diferencian de los materiales de vidrio, cómo se producen, algunas composiciones típicas y sus aplicaciones.
Materiales de vidrio
Cuando pensamos en materiales de vidrio, tendemos a pensar en ventanas de edificios, casas y medios de transporte. Si bien esto es cierto, existen muchos tipos diferentes de vasos, con diferentes composiciones.
Los materiales de vidrio son generalmente transparentes y muy frágiles (cuando no reciben tratamiento térmico). La transparencia es el resultado de la falta de límites de grano y poros en la estructura del vidrio. Esta falta de límites de grano también conduce a la fragilidad, ya que las grietas pueden propagarse sin obstáculos.
Otra característica de los vidrios es la falta de orden en su estructura, es decir, los átomos y las moléculas están dispuestos al azar. Esto se puede evidenciar en un análisis de difracción de rayos X (XRD), donde un vidrio no mostrará picos claramente definidos. Un material cristalino, por otro lado, muestra orden en su estructura y generalmente producirá picos bien definidos cuando se analice por XRD.
La falta de cristalinidad en su estructura hace que se los denomine amorfos o vítreos.
Materiales vitrocerámicos
Los materiales vitrocerámicos tienen las mismas composiciones químicas que los vidrios, pero se diferencian de ellos en que suelen ser cristalinos en un 95-98 % por volumen, con solo un pequeño porcentaje vítreo. Los cristales en sí son generalmente muy pequeños, menos de 1 µm y, con frecuencia, de tamaño muy uniforme. Además, debido a su cristalinidad y red de límites de grano, ya no son transparentes.
Propiedades de los materiales vitrocerámicos
Los materiales vitrocerámicos se caracterizan típicamente por:
- Alta resistencia
- Alta resistencia al impacto
- Bajo coeficiente de dilatación térmica, a veces incluso coeficiente de dilatación térmica negativo
- Buena resistencia al choque térmico
- Una gama de propiedades ópticas, desde translúcido hasta opaco y, en ocasiones, opalescente.
Producción de materiales vitrocerámicos
Los componentes vitrocerámicos se forman utilizando los mismos procesos que se aplican a los componentes de vidrio. Para convertirlos de un material de vidrio vítreo a un material de vitrocerámica cristalina deben ser tratados térmicamente o desvitrificados.
La desvitrificación puede ocurrir espontáneamente durante el enfriamiento o en servicio, pero se incorpora más comúnmente para producir vitrocerámica. Implica calentar el producto de vidrio formado a una temperatura lo suficientemente alta como para estimular la formación de núcleos de cristales en todo el vidrio. Luego se aumenta la temperatura, lo que induce el crecimiento de los núcleos, cristalizando el vidrio restante.
La nucleación requiere un número crítico de átomos que convergen para formar un núcleo. Cuando el núcleo alcanza un tamaño crítico, se produce la nucleación. En muchas composiciones de vidrio, la nucleación se ve obstaculizada por el hecho de que el material tiene una base de sílice y es muy viscoso, lo que dificulta la unión de los átomos necesarios. Las composiciones cristalinas también pueden ser complejas, lo que dificulta la nucleación. Estos factores ayudan a la formación de vidrio y al enfriamiento sin cristalización.
El tratamiento térmico de desvitrificación debe controlarse cuidadosamente para garantizar que se forme el máximo número de núcleos y que estos núcleos crezcan hasta convertirse en una estructura de cristal fino uniforme. Para obtener una alta concentración de núcleos en toda la estructura, es común agregar un agente de nucleación a la composición de vidrio.
Agentes nucleantes
Los agentes nucleantes más comunes son TiO 2 y ZrO 2 . Otros materiales que se han usado para agentes de nucleación incluyen P 2 O 5 , grupo del platino y metales nobles y algunos fluoruros.
Composiciones vitrocerámicas
Si bien existen muchas composiciones vitrocerámicas diferentes, hay 3 familias principales:
- LAS – Una mezcla de óxidos de litio, aluminio y silicio (Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 ), con otros agentes formadores de vidrio (por ejemplo, Na 2 O, K 2 O y CaO).
- MAS – Una mezcla de óxidos de magnesio, aluminio y silicio (MgO- Al 2 O 3 -SiO 2 ) con agentes formadores de vidrio
- ZAS – Una mezcla de óxidos de zinc, aluminio y silicio (ZnO- Al 2 O 3 -SiO 2 ) con agentes formadores de vidrio
Aplicaciones de la vitrocerámica
Algunas aplicaciones de la vitrocerámica incluyen:
- Radomos: fabricados con Corning 9606 (2MgO.2 Al 2 O 3 , sistema de cordierita)
- Utensilios de cocina, utensilios para hornear y placas de cocina: fabricados con Corning 9608 (sistema ß-spodumene)
- Espejos telescópicos: fabricados con Owens-Illinois Cer-vit (sistema de cuarzo ß)
- Aisladores: fabricados con General Electric Re-X (sistema Li 2 O.2SiO 2 )
- Vidrio bioactivo para biomateriales: el biovidrio 45S5 (46,1 mol % SiO 2 , 26,9 mol % CaO, 24,4 mol % Na 2 O y 2,5 mol % P 2 O 5 ) ha sido aprobado por la FDA y se han obtenido muchas variaciones diferentes de esta composición.
- Componentes de ingeniería: fabricados con Macor, una vitrocerámica mecanizable
Referencias
- ¿Cómo se definen el vidrio, la cerámica y la vitrocerámica? – IWT Global
- Introducción a la cerámica, segunda edición, Kingery WD, Bowen HK y Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
- La ciencia y el diseño de materiales de ingeniería, Schaffer JP et al, Richard D. Irwin Inc, 1995
- Ingeniería Cerámica Moderna, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.
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