Cerámicas estructurales

Bioceramicas

Introducción a los biomateriales

Materiales implantables intracorporalmente a los que se les exige que lleven a cabo una función adecuada y no ocasionen ningún daño al organismo. El objetivo final de la comunidad científica que trabaja en este campo es fabricar hueso artificial equivalente al hueso natural.

Propiedades exigibles a un biomaterial.

Tolerancia biológica a largo plazo en el ambiente adverso del cuerpo.
Fijación a estructuras biológicas (implantes).
Razonable resistencia y estabilidad mecánica.
Fácil conformado y fabricación.

El que los biomateriales sean tales, implica una composición adecuada no sólo el material implantado, sino también de las partículas liberadas de cualquier implante,como consecuencia de su desgaste y de los productos de degradación a que pueda dar lugar.

Factores de evaluación a un biomaterial.

Biocompatibilidad, es decir, que no se produzcan reacciones no deseada tejido – material.
Duración, es decir, que mantengan sus prestaciones durante el tiempo que tengan que estar en servicio.

Biocerámicas.

Se introducen cuando comenzaban a detectarse fracasos en los biomateriales utilizados hasta ese momento, como eran el acero, aleaciones de cobalto y polimetil metacrilato.

Ventajas	Problemas
Buena biocompatibilidad. Resistencia a la corrosión. Inercia química.	Ante esfuerzos de alto impacto. Son inelásticos. Algunos poseen alta densidad Son de difícil producción.

Hay que tener presente que las biocerámicas podrían ser los biomateriales ideales, ya que poseen una buena biocompatibilidad y oseointegración y, a su vez, son los materiales más parecidos al componente mineral del hueso. Es muy frecuente utilizar los tres tipos, metálicos, cerámicos y poliméricos, en la fabricación de una prótesis.
Cuando se piensa en reparar una parte del esqueleto, a priori podrían existir dos posibilidades muy distintas, reemplazar la parte dañada, o sustituirla regenerando el hueso. Este planteamiento hace pensar en un campo de investigación muy importante, dirigido a conseguir biocerámicas basadas en fosfatos de calcio, que tengan buena resistencia mecánica y que puedan conducir a la regeneración de hueso.

Carbonos vítreos y cristalinos.

Se comenzaron a usar en los ’60.
La excelente compatibilidad del carbono lo ha hecho idóneo sobre todo en ciertas aplicaciones vasculares y de válvulas de corazón.
En los dispositivos cardíacos se está usando con hasta un 15% de silicona, lo que mejora la resistencia a la fatiga de 340 a 550 MPa.

Carbono isotrópico

Carbono amorfo

La estructura cristalina del carbono es similar a la del grafito, se, con lo que resulta una conductividad eléctrica muy alta pero anisotrópica. Los pequeños cristales tienen propiedades muy anisotrópicas debido a los fuertes enlaces planares y a los débiles enlaces interplanares. Si existen muchos pequeños cristales dispersados al azar, las propiedades del material serán isotrópicas. Reemplazar válvulas cardiacas enfermas. Dureza

Podemos destacar los vítreos y los pirolíticos. Los carbonos vítreos se elaboran por pirólisis controlada de polímeros tales como fenolformaldehido, rayos y poliacrilonitrilo a altas temperaturas en ambiente controlado. El carbono pirolítico se utiliza ampliamente en la fabricación de implantes ya que es lo suficientemente delgado como para no impedir la flexibilidad de los injertos y a su vez exhibe una excelente compatibilidad con la sangre.

Óxidos cerámicos bio-inertes.

Poseen características de baja reactividad y no toxicidad, como la alumina o la zirconia "que lo que hacen es simplemente apuntalar o rellenar algo que falta articulaciones de cadera.
Debido a que son inertes el organismo nunca va a confundir este material con un tejido vivo o con algo propio pero tampoco lo va a rechazar.

Alúmina

Circonia (ZrO2,)

La pureza de una alúmina depende del sistema de obtención empleado. Para la fabricación de implantes, la norma ASTM exige una pureza del 99,5% con un contenido máximo de SiO2 combinado con óxidos alcalinos (principalmente Na2O) inferior al 0.1%. Dado que se acostumbra a obtener por sinterizado, la porosidad juega un papel muy importante en las propiedades mecánicas. En dichos materiales no se puede hablar de deformación plástica y por ello se ha considerado que no pueden sufrirn fatiga dinámica, pero si, fatiga estática. Recientemente se ha puesto de manifiesto que bajo fatiga dinámica, con cargas fluctuantes, y en un mismo medio, el tiempo a fractura es sensiblemente menor que el que se obtiene en fatiga estática. Recientemente se ha puesto de manifiesto que bajo fatiga dinámica, con cargas fluctuantes, y en un mismo medio, el tiempo a fractura es sensiblemente menor que el que se obtiene en fatiga estática.

En la actualidad, se trabaja en conferir bioactividad a las cerámicas de circona para facilitar su unión al tejido óseo sin afectar sus buenas propiedades mecánicas. Tomando en consideración el tipo de interacción de las cerámicas de circona con el tejido óseo estas se han clasificado como materiales bioinertes. Las cerámicas de TZP se han empleado con mucho éxito como componentes de las prótesis que se colocan en las reconstrucciones totales de cadera pero sus excelentes propiedades mecánicas también las hacen atractivas para ser empleadas en el campo dental además de que presentan color blanco y buena translucidez lo que permite lograr excelentes resultados estéticos sobretodo si se emplean como sustitutos de dientes anteriores.

Propiedad	Alúmina	Circonia (TZP)
Composición química	99.9% Al2O3	ZrO2 + 3 mol% Y2O3
Densidad(g cm-3)	3.97	>6
Porosidad (%)	<0.1	< 0.1
Resistencia flexión (MPa)	>500	900-1200
Resistencia compresión (MPa)	4100	2000
Módulo Young (GPa)	380	210
Tenacidad fract. (KIC)(MPa m-1)	4	-
Coeficiente exp. térm. (K-1 )	8 x 10-6	11 x 10-6

Cerámicas en la automoción

Aplicaciones

Partes electrónicas del coche:

Bujia

• Bujías (Al2O3): Las bujías deben de resistir más de 40,000 voltios, así como choques térmicos. La parte interna esta expuesta a temperaturas de combustión de 2,500 grados; mientras que la parte externa puede estar expuesta a temperaturas bajo cero. Otras características destacables son: buena resistencia con temperatura elevadas, buena conductividad térmica, gran resistencia eléctrica, gran dureza, resistentes al desgaste.

Catalizadores

• Catalizador (cordierita): Los catalizadores modernos consisten en una estructura de material cerámico, cubierta de una fina capa de platino y rodio. Dicha estructura adopta la forma de panal de abeja (tubos hexagonales), ya que de este modo se consigue que los gases de escape encuentren una superficie lo más grande posible de material catalizador.

Calentadores

• Calentador diésel (Si3N4): Nitrito de silicona. Los calentadores diésel NHTC alcanzan 1000 °C en menos de 2 segundos y poseen una capacidad de pos-calentamiento de más de 10 minutos a temperaturas de hasta 1350 °C. Aún trabajando a baja compresión se garantiza una óptima combustión de la mezcla de combustible. Además, el calentador diésel NHTC puede funcionar intermitentemente para evitar un enfriamiento del filtro de partículas en las fases de desaceleración. Gran dureza, muy buena resistencia al desgaste, buena resistencia a los choque térmico.

Freno cerámico

• Pastillas de freno (SiC): Alta capacidad para evacuar el calor generado durante la frenada, prácticamente inmunes a la corrosion, mayor ligereza que los metálicos.

Filtros

• Filtro de espuma o foam cerámico: filtro de carbono que enfría y acelera la corriente aumentando el oxígeno de la mezcla y llevando la ganancia a los 25 cv o mucho más

• Cámaras de precombustión (Si3N4)

Cerámicas en el sector aeroespacial

Introducción

Las cerámicas avanzadas se utilizan actualmente para la fabricación de componentes aeroespaciales sometidos a situaciones críticas, ya que tienen varias propiedades ventajosas. Estos materiales mantienen la estabilidad dimensional a lo largo de una gama de temperaturas elevadas y muestran una resistencia mecánica muy alta. También ponen de manifiesto una excelente resistencia química y una buena relación rigidez-peso, proporcionando así a los fabricantes la capacidad de diseñar los componentes que ofrecen un rendimiento óptimo en su aplicación prevista. Debido a su capacidad para soportar las altas temperaturas, las vibraciones y golpes mecánicos se encuentran típicamente en motores de aviones y otros lugares de gran tensión. Estas cerámicas se encuentran comúnmente en los sellos de los motores de turbina de gas y en el montaje de la línea de combustible por ejemplo.

Además de presentar unas excelentes propiedades mecánicas, como pueda ser una alta resistencia al impacto, posean una propiedad funcional como por ejemplo la transparencia en un determinado espectro de onda. Existen sin embargo, pocos materiales que puedan combinar ambos aspectos.

Propiedades

• Ligero (un 60% más ligero que el acero)
  
• Alta tenacidad a la fractura
  
• Resistente al desgaste
  
• Aislante eléctrico
  
• Bajo coeficiente de fricción
  
• Alta resistencia dieléctrica
  
• Excelente resistencia al choque térmico
  
• Buenas propiedades dieléctricas
  

Tabla de las propiedades principales

Además de presentar unas excelentes propiedades mecánicas tienen una propiedad funcional, la transparencia en un determinado espectro de onda (importante para los radares).

Aplicaciones

• Conos de ataque:
  

El material utilizado debe tener las siguientes propiedades:

• Estabilidad. Baja permitividad dieléctrica frente a la temperatura, mejor cuanto menor sea.
  
• Alta resistencia a altas temperaturas.
  
• Modulo elástico alto para evitar el pandeo.
  
• Resistencia al choque térmico.
  
• Resistente a la erosión y al impacto.
  

Conos de ataque

Cerámicas utilizadas:

El silicio de nitruro (Si3N4) se utiliza como cúpula en los misiles, es utilizado en esta parte específica gracias a su resistencia mecánica y a sus propiedades dieléctricas.

La sílice fundida es un oxido de silicio ( SiO2) que tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo y baja conductividad térmica. Su constante dieléctrica es baja y experimenta pocas variaciones con temperatura lo que lo hace una ventana ideal para el radar. Este material tiene una excepcional resistencia al choque térmico.

IRBAS es un nitruro de silicio (Si3N4). Este material tiene buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, convirtiéndolo en el principal material para aplicaciones en las que el elemento esta sometido a altas cargas mecánicas. La constante dieléctrica es relativamente estable.

Conos de ataque de silice fundida

• Rodamientos:
  

Los cojinetes de cerámica están hechos normalmente de nitruro de silicio, Si3N4. En general tienen mayor dureza, mejor acabado y mejores propiedades térmicas que los fabricados en acero.
El nitruro de silicio es un material cerámico resistente, tenaz y ligero, ideal para aplicaciones estructurales, por esta razón se ha utilizado para fabricar bolas de cojinetes, estas poseen las siguientes propiedades:

• El nitruro de silicio permite funcionar a altas velocidades con una fricción reducida alargando la vida del cojinete.
  
• Alta rigidez.
  
• Fricción reducida, por lo que necesitan menos lubricación y sufren menos desgaste.
  
• Aislante eléctrico.
  
• No magnético.
  
• Resistentes a la oxidación.
  

Cojinetes fabricados con diferentes cerámicas

Resumen de las propiedades

Propiedades de las cerámicas mencionadas

toberas

definición

Una tobera es un dispositivo mecánico diseñado para controlar la dirección o características de un flujo cuando está en una tubería. Una tobera es a menudo una tubería que varía su sección, y que se puede usar para dirigir o modificar el flujo de un fluido. Se usan mucho estos dispositivos en aviones, inyectores de vacío, inyectores de alta velocidad…

aplicaciones

Se usan por ejemplo en motores de cohetes diseñándose piezas cerámicas.

Concretamente se ha conseguido materiales que no se erosionan, introduciendo carburo de hafnio, con un punto de fusión muy alto, y resistente a la corrosión, por lo que son aptos para estos usos. Estas propiedades se muestran en las figuras siguientes. En el gráfico 1 se muestra un ejemplo de un campo de tensiones por computador. Típicamente se tienen muy en cuenta los campos axiales y anulares porque tienden ser dominantes en el fallo, aunque la figura muestra además, tensiones radiales, y laminares. La figura 2 muestra márgenes de seguridad para los casos analizados, que resulta de los diseños recomendados, como la delgadez de las piezas. La figura 3 muestra fotos del ensayo de encendido del motor en situación estática. También se usa el carburo de tántalo.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

cojinete

Definición

Un cojinete es un dispositivo para permitir el movimiento obligado relativo entre dos o más partes, típicamente la rotación o el movimiento linear. Los portes pueden ser clasificados ampliamente según los movimientos los que ellos permiten y según su principio de operación así como por las direcciones de cargas aplicadas ellos pueden manejarse.

Cojinete

Historia y aplicaciones

La idea de este dispositivo es muy antigua, ya que Leonardo Da Vinci sobre el 1500, ya imaginó este dispositivo. La bola de este dispositivo la ideo por primera vez Galileo, y su primera patente se desarrolló en 1794, por Philip Vaughan de Camarthen. Se usan en ruedas y ejes. Los primeros diseños eran de madera, y más tarde metales y cerámica, como el nylon o el teflón. Hoy estos dispositivos tienen muchas aplicaciones, como en piezas dentales, en sistemas de alineamiento óptico, y en aplicaciones aeroespaciales. Se pueden usar bolas de cerámica para ahorrar peso, y por supuesto, reduce fuerza centrípeta, actuando por tanto más rápido, de un 20 a un 40% más rápido, y por tanto reduciendo la fricción, teniendo que invertir menos en lubricantes. Aplicaciones aeroespaciales: Cuando se diseñan estos dispositivos para estas aplicaciones, tendremos en cuenta:

• El material

• Diseño

• Tipo de lubricación

• Tratamientos superficiales

• Ensayos no destructivos

Se usan materiales como, a parte del acero, carburo de cromo, nitruro de silicio (cerámico, Si3 N4 ).

¿Por qué el nitruro de silicio?

• Porque tienen buena resistencia al impacto

• Menor peso

• Se dilata menos con el calor, y por tanto dará menos fricción

• No son caros

Bomba de combustible

Son muy frecuentes en los coches, y se acciona por el árbol de levas. Para obtener la eficacia posible más alta de la bomba, los posibles espacios axiales más pequeños son deseados entre las partes de bomba rotativas y la cubierta. Los espesores de hasta 5 µm pueden ser obtenidas por el tratamiento conveniente de las partes sinterizadas metálicas. Sin embargo, debido al tratamiento de vapor requerido, hay deformaciones de orden de magnitud de 8 a 10 µm. Ya que la capa de óxido producida por el tratamiento de vapor es sólo aproximadamente 5 a 6 µm gruesa (espesa), hasta una adaptación de las partes sujetadas al tratamiento de vapor termina sólo en una mejora leve de las brusquedades. Se vio que las bombas de combustibles de metal (que es sinterizado) se estropeaban con el tiempo, debido a que se va oxidando el metal sinterizado. Sin embargo usando cerámicas, como óxidos metálicos y cerámicos de sílice, conseguimos que el menor coeficiente de expansión térmica, no perjudicando el movimiento de fluidos.

Cerámicas para intercambiadores

Los intercambiadores en general se usan para extraer calor de los gases de escape y otras fuentes de energía de bajo grado y precalentar los gases de admisión.
Los materiales que se utilizan para estos usos deben tener unas propiedades determinadas:

• Buena resistencia a la corrosión, debido a que muchas veces los gases de escape son muy activos.
  
• Muy buena conductividad térmica, para que sean capaces de transmitir el calor de la corriente caliente a la fría de forma rápida y eficaz. Para que la conductividad térmica sea buena, el material debe estar libre de defectos y con alta densidad de empaquetamiento.
  

Entre los materiales que más se utilizan hoy día cabe destacar:

• NZP (Natrium zirconium phosphate): coeficiente expansión térmica pequeño, y resiste el choque térmico muy bien.
  
• SiC: El Carburo de Silicio se trata de un material refractario que resiste condiciones extremas de temperatura. Se comporta muy bien frente al desgaste, por ejemplo este material resiste un 50% más frente al desgaste que el carburo de wolframio. Se utilizan en intercambiadores de las plantas solares de concentración, por ejemplo Inabensa y Solucar.
  

El carburo de silicio tiene una alta resistencia a la corrosión y esto hace que tenga un excelente comportamiento en atmósferas de gases calientes y fluidos ácidos y básicos.
Por otra parte, este material tiene una conductividad térmica similar al grafito y muy superior a otros materiales que resisten la corrosión como son: PTFE, vidrio, metales nobles. Esto hace que estos intercambiadores tengan una mejor eficiencia, por tanto se necesita menor área de intercambio. Cada tubo resiste una presión de 186 bar. Dependiendo del proceso, y los fluidos que circulan por el intercambiador y las condiciones de trabajo, la carcasa del intercambiador puede hacerse de acero inoxidable 304L o 306L o de acero vitrificado.

Tubos radiantes de SiC sin y con aletas para mejorar su rendimiento

Intercambiador carcasa y tubo de SiC

• BeO: El óxido de berilio se emplea cuando son necesarias elevada conductividad térmica y propiedades mecánicas, punto de fusión elevado y aislamiento eléctrico.
  
• BN: El nitruro de boro es un material extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la del diamante. Al igual que el diamante, el BN es un excelente conductor del calor.
  
• Grafito: se utiliza también porque tiene una alta conductividad térmica en un sentido. Aunque la temperatura de operación sería en torno a los 180 °C.
  

Intercambiadores de flujo cruzado

Ahora vamos a ver una tabla comparativa con todos los materiales que se utilizan para intercambiadores:

Materiales utilizados para intercambiadores

Cerámicas para filtros refractarios

Los filtros refractarios, como su propio nombre indica sirven para colar ciertos materiales. Se utilizan para la filtración de metales fundidos. Por ejemplo, se utilizan cuando se funde aluminio que proviene de ventanas de derribos, y antes de que el hierro se disuelva dentro del aluminio, y disminuya las propiedades anticorrosivas de éste se filtra. Por tanto, estos materiales deben resistir el ataque de productos químicos.
Las principales ventajas de los filtros cerámicos son las siguientes:
+Estabilidad térmica y química a altas temperaturas, evitando la reacción química en el filtrado del metal fundido. Mejor resistencia a la corrosión y al ataque ácido

• Alta porosidad y buena resistencia mecánica a elevadas temperaturas debido a su pura composición cerámica.
  
• Baja pérdida de calor, operatividad sencilla,
  
• Ahorro energético, ya que tienen mayor eficacia de filtración
  
• Velocidades de filtración más elevadas
  

Los filtros refractarios se fabrican a partir de una esponja o espuma polimérica, que se sumerge en una pasta cerámica fluida. Una vez seca, se sinteriza, operación en la que el polímero o resina se destruye dejando la estructura cerámica esponjosa.

Diversos filtros cerámicos

Los materiales de los que se hacen los filtros cerámicos son los siguientes:

• Al2O3: sus propiedades la hacen especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura es un factor crítico. Su temperatura de uso alcanza los 1100 °C. Apropiados para la filtración de fundición de aluminio, sus aleaciones y parte fundición de cobre y sus aleaciones.
  

Filtros de alúmina

• SiC: pueden ser usados hasta temperaturas de 1540 °C. Apropiados para fundición de hierro, cobre y sus aleaciones.
  

Filtros de carburo de silicio

• ZrO2: El óxido de circonio soporta cambios bruscos de temperatura, se comporta muy bien frente al choque térmico, también tiene muy buen comportamiento frente al desgaste y a la corrosión. Pueden ser usados hasta temperaturas de 1750 °C. Apropiados para acero, acero al carbono y sus aleaciones, acero inoxidable y superaleaciones.
  

Filtros de circonia

• NZP: coeficiente expansión térmica pequeño, y resiste el choque térmico muy bien. Se puede conseguir una alta porosidad.
  

Filtros de NZP