Cerámicas y vidrios
Las cerámicas y los vidrios son sólidos inorgánicos no metálicos —cerámicas cristalinas y vidrios amorfos— cuya fuerte unión iónica y covalente les confiere una alta dureza, estabilidad térmica y química, y una amplia gama de comportamientos eléctricos y ópticos.
Definition
Las cerámicas y los vidrios son materiales inorgánicos no metálicos, ya sean cristalinos (cerámicas) o amorfos (vidrios), unidos por fuerzas iónicas y covalentes, y caracterizados por su dureza, estabilidad térmica, aislamiento eléctrico o función controlada, y fragilidad intrínseca.
Scope
Esta área abarca la química de los materiales inorgánicos no metálicos: la estructura y formación de vidrios mediante la vitrificación de un líquido subenfriado; las cerámicas estructurales y funcionales cristalinas, incluyendo óxidos, carburos y nitruros, utilizadas por sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ópticas; y el procesamiento de polvos y la sinterización mediante los cuales los componentes cerámicos se consolidan en cuerpos densos. Conecta la unión y la microestructura con la fragilidad, la refractariedad y la respuesta funcional de estos materiales.
Sub-topics
Core questions
- ¿Qué distingue un vidrio de una cerámica cristalina?
- ¿Cómo la unión confiere a las cerámicas su dureza, refractariedad y fragilidad?
- ¿Cómo se adaptan las cerámicas funcionales para roles eléctricos y ópticos?
- ¿Cómo se consolidan los polvos cerámicos en componentes densos?
Key concepts
- Transición vítrea
- Formadores y modificadores de red
- Cerámicas de óxido, carburo y nitruro
- Fragilidad y fractura
- Sinterización y densificación
- Cerámicas funcionales
Key theories
- Formación de vidrio por vitrificación
- Cuando una masa fundida se enfría lo suficientemente rápido como para evitar la cristalización, se convierte en un líquido subenfriado cada vez más viscoso que se congela en un sólido amorfo en la transición vítrea; los óxidos formadores de red construyen la red tridimensional aleatoria característica del vidrio.
- Unión, microestructura y propiedades cerámicas
- Los enlaces iónico-covalentes fuertes y direccionales hacen que las cerámicas sean duras, rígidas y térmicamente y químicamente estables, pero también frágiles, porque hay pocas formas de deformarse sin romper los enlaces; la microestructura, especialmente la porosidad y el tamaño de grano, controla entonces la resistencia y la función.
Clinical relevance
Las cerámicas y los vidrios son esenciales en toda la tecnología: las cerámicas estructurales proporcionan componentes resistentes al desgaste y al calor, las cerámicas funcionales sirven como condensadores, sensores y electrolitos sólidos, los vidrios ópticos forman lentes y fibras, y las biocerámicas se utilizan en implantes, aplicaciones todas ellas arraigadas en la unión y la microestructura aquí descritas.
History
Las cerámicas y los vidrios se encuentran entre los materiales ingenieriles más antiguos, pero su comprensión científica es reciente: la teoría de la red aleatoria de Zachariasen de 1932 explicó la estructura del vidrio, y el trabajo de Kingery a mediados del siglo XX estableció la ciencia de la cerámica al vincular el procesamiento, la microestructura y las propiedades, convirtiendo un oficio empírico en una disciplina cuantitativa de materiales.
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- ¿Es el vidrio un sólido o un líquido?
- El vidrio es un sólido. Es amorfo, carece del orden cristalino de largo alcance de la mayoría de los sólidos, y se forma al congelar un líquido subenfriado en la transición vítrea. La antigua afirmación de que el vidrio fluye a lo largo de los siglos es una idea errónea; a temperatura ambiente su viscosidad es demasiado alta para un flujo medible.
- ¿Por qué las cerámicas son fuertes pero frágiles?
- Los mismos enlaces iónicos y covalentes fuertes y direccionales que hacen que las cerámicas sean duras y estables también dejan pocos mecanismos para la deformación plástica. Sin un movimiento fácil de las dislocaciones, el estrés aplicado se concentra en los defectos y propaga las grietas, por lo que las cerámicas fallan por fractura frágil en lugar de por flexión.