TREBALL DE RECERCA FINAL.pdf
49
TREBALL DE RECERCA AARON BEADE AGUILAR – INSTITUT VILLA ROMANA – 20132014 2n BATXILLERAT A – DEPARTAMENT DE FÍSICA I QUÍMICA TUTORA: MARIA ANTÒNIA CABRA – 8 DE NOVEMBRE DE 2013 MATERIALS DEL FUTUR: CERÀMIQUES TÈCNIQUES
Transcript of TREBALL DE RECERCA FINAL.pdf
TREBALL DE RECERCA
A A R O N B E A D E A G U I L A R – I N S T I T U T V I L ·∙ L A R O M A N A – 2 0 1 3 -‐ 2 0 1 4 2 n B A T X I L L E R A T A – D E P A R T A M E N T D E F Í S I C A I Q U Í M I C A
T U T O R A : M A R I A A N T Ò N I A C A B R A – 8 D E N O V E M B R E D E 2 0 1 3
MATERIALS DEL FUTUR: CERÀMIQUES TÈCNIQUES
2
3
“En el futur és possible que els ordinadors no pesin més de 1,5 tones”
Popular Mechanics, revista de mecànica de 1949
4
AGRAÏMENTS
Aquest treball no el podria haver dut a terme jo sol, sense l’ajuda d’un conjunt de
persones a les quals estic molt agraït de que em donessin el seu suport incondicional i
que per això, considero que es mereixen ser anomenats en la primera pàgina d’aquest
treball.
Voldria donar-‐li les gràcies al senyor Bayon per haver-‐me prestat varies tardes del seu
temps, aclariments i altres enfocaments del treball. Per sobre de tot li agraeixo que em
va permetre tindre accés a través de la Universitat Autònoma de Barcelona una pastilla
de ceràmica conductora i poder-‐la manipular. Sense aquesta última part, el meu
treball no tindria cap fonament experimental i seria purament teòric i hipotètic.
Per altra banda, m’agradaria anomenar a la meva tutora, la professora Maria Antònia
Cabra, a la qual no puc expressar-‐li res més que tota la meva gratitud per tantíssimes
hores que ha dedicat a guiar, aconsellar, corregir, ajudar i sobretot, i per molt poca
cosa que sembli, l’impuls que et dona per tirar tot endavant passi el que passi.
També els hi dec una gran gratitud als meus pares, són els que han viscut en primera
persona, juntament amb mi, aquest treball des de el neguit quan hi havia alguna cosa
malament, fins en els moments de satisfacció quan et surten les coses bé. Sense els
meus pares jo no hagés tingut accés al senyor Bayon ni el recolzament per tirar
endavant.
Per últim i per no poder nomenar-‐los a tots, m’agradaria donar les gràcies a totes
aquelles persones: professors, companys i gent diversa, que he anat consultant mentre
duia a terme el treball, per el seu granet de sorra i que em donés la seva valoració i
opinió.
5
ÍNDEX
INTRODUCCIÓ ............................................................................................................ 8
1. DEFINICIÓ DE CERÀMICA ...................................................................................... 10
2. EVOLUCIÓ HISTÒRICA .......................................................................................... 10
3. DEFINICIÓ DE CERÀMICA TÈCNICA / AVANÇADA .................................................. 10
4. PROPIETATS ESPECIFIQUES DE LA CERÀMICA AVANÇADA .................................... 11
4.1 PROPIETATS MECÀNIQUES ..................................................................................................................... 11 4.1.1 Duresa: .......................................................................................................................................................... 11 4.1.2 Resistència a la flexió: ............................................................................................................................. 11 4.1.3 Resistència a les fluctuacions: ............................................................................................................. 11 4.1.4 Resistència a impacte tèrmic: ............................................................................................................. 11 4.1.5 Expansió tèrmica: ..................................................................................................................................... 12 4.1.6 Resistència a la fricció: ........................................................................................................................... 12 4.1.7 Esforç de compressió: ............................................................................................................................. 12
4.2 PROPIETATS FÍSIQUES .............................................................................................................................. 12 4.2.1Resistència a la temperatura: .............................................................................................................. 13 4.2.2 Mòdul de Young (densitat i rigidesa): ............................................................................................. 13 4.2.3 Piezoelectricitat: ....................................................................................................................................... 13 4.2.3 Aïllament tèrmic / Conductivitat tèrmica: .................................................................................... 13 4.2.4 Conductivitat elèctrica: .......................................................................................................................... 14
4.3 PROPIETATS QUÍMIQUES ......................................................................................................................... 14 4.3.1 Resistència química: ................................................................................................................................ 14 4.3.2 Resistència a la corrosió: ....................................................................................................................... 15 4.3.3 Metal·lització (Tecnologia d’acoblament) .................................................................................... 15
4.4 PROPIETATS BIOLOGIQUES .................................................................................................................... 16 4.4.1 Biocompatibilitat: .................................................................................................................................... 16 4.4.2Compatibilitat alimentària: .................................................................................................................. 16
5. TEORIES ............................................................................................................... 16
5.1 TEORIA BCS ..................................................................................................................................................... 16 5.2. EFECTE MEISSNER ..................................................................................................................................... 17
6. CONDUCTIVITAT ELÈCTRICA DE LES CERÀMIQUES SUPERCONDUCTORES SEGONS
LA TEMPERATURA ................................................................................................ 18
6
6.1 AÏLLANT ........................................................................................................................................................... 18 6.2 SEMICONDUCTOR ........................................................................................................................................ 18 6.3 CONDUCTOR ................................................................................................................................................... 18 6.4 SUPERCONDUCTOR ..................................................................................................................................... 19
7. TIPUS DE CERÀMIQUES TÈCNIQUES ...................................................................... 20
7.1 CERÀMIQUES AMB ÒXIDS ........................................................................................................................ 20 7.1.1 Òxid d’alumini – Alúmina – (Al2O3): ................................................................................................. 20 7.1.2 Titanat d’alumini – (Al2TiO5): ............................................................................................................. 21 7.1.3 Ceràmica Mixta / Ceràmica de dispersió: ...................................................................................... 22 7.1.4 Piezoceràmiques: ...................................................................................................................................... 22 7.1.5 Ceràmiques amb silicats ........................................................................................................................ 23 7.1.6 Òxid de zirconi – Zircònia – (ZrO2) ................................................................................................... 25
7.2 CERÀMIQUES SENSE ÒXIDS ..................................................................................................................... 26 7.2.1 Nitrur d’alumini – (AlN) ........................................................................................................................ 26 7.2.2 Carbur de silicona – (SiSiC / SSiC) .................................................................................................... 27 7.2.3 Nitrur de silicona – (Si3N4) ................................................................................................................... 28 7.3 COMPOSTOS CERÀMICS ............................................................................................................................ 29 Compost de matriu de metall ceràmica – (MMC) .................................................................................. 29
1. INTRODUCCIÓ PRÀCTICA ...................................................................................... 31
2. PRODUCCIÓ D’UNA CERÀMICA SUPERCONDUCTORA ........................................... 32
2.1. MESCLA ............................................................................................................................................................ 32 2.2. CALCINACIÓ OXIDANT .............................................................................................................................. 32 2.3. TRITURACIÓ .................................................................................................................................................. 32 2.4.1 PLASTIFICACIÓ .......................................................................................................................................... 33 2.5.1 ASSECAT PER ASPERSIÓ ....................................................................................................................... 33 2.6.1 COMPRESSIÓ ............................................................................................................................................... 33 2.7.1 SINTERITZACIÓ ......................................................................................................................................... 33 2.4.2 PREPARACIÓ DE LA BEURADA / LLETADA .................................................................................. 34 2.5.2 COLAT EN CINTA ...................................................................................................................................... 34 2.6.2 IMPRESSIÓ / APILAT .............................................................................................................................. 34 2.7.2 LAMINAT I TROSSEJAT .......................................................................................................................... 34 2.8.2 SINTERITZACIÓ ......................................................................................................................................... 34 2.9. ESMERILAT .................................................................................................................................................... 34 2.10. METAL·LITZACIÓ ...................................................................................................................................... 34
7
3. VISUALITZACIÓ DE LA PROPIETAT SUPERCONDUCTORA ....................................... 35
3.1 EFECTE MEISSNER ...................................................................................................................................... 35 3.1.1 Materials: ..................................................................................................................................................... 35 3.1.2 Productes químics: .................................................................................................................................. 35 3.1.3 Procediment: .............................................................................................................................................. 36
3.2 SUPERCONDUCTIVITAT ............................................................................................................................ 36 3.2.1 Materials: ..................................................................................................................................................... 36 3.2.2 Productes químics: ................................................................................................................................... 37 3.2.3 Procediment: .............................................................................................................................................. 37
4. APLICACIONS TECNOLÒGIQUES ............................................................................ 37
4.1. MAGLEV ........................................................................................................................................................... 37 4.2. XARXA / LÍNEA ELÈCTRICA .................................................................................................................... 38
5. APLICACIÓ DE LES CERÀMIQUES TÈCNIQUES INOVADORES .................................. 39
5.1 ALÚMINA (Al2O3) .......................................................................................................................................... 39 5.1.1. Les eines de modelatge d'alt rendiment: ....................................................................................... 39 5.1.2. Els substrats i nuclis de reòstats en la indústria de l'electrònica: ...................................... 40 5.1.3. Les rajoles per a la protecció contra el desgast i balística: ................................................... 40 5.1.4. Les guies de fils en l'enginyeria tèxtil ............................................................................................. 40 5.1.5. Els discos de segellat i del regulador per a les aixetes d'aigua: .......................................... 40 5.1.6. Els dissipadors tèrmics per als sistemes d'il·luminació: ......................................................... 40 5.1.7. Els tubs de protecció en els processos tèrmics: ........................................................................... 40 5.1.8. Els portadors catalítics per a la indústria química: ................................................................. 40
5.2. NITRUR D’ALUMINI (AlN) ....................................................................................................................... 41 5.2.1. Microelectrònica i electricitat. ........................................................................................................... 41 5.2.2. Dissipador de calor en tecnologia d'il·luminació LED ............................................................. 41 5.2.3 Electrònica d'alta potència. ................................................................................................................. 41
5.3. CARBUR DE SILICONA (SiSiC / SSiC) .................................................................................................. 41 5.4. NITRUR DE SILICONA (SI3N4) ................................................................................................................ 42 5.5. MATRIU DE METALL CERÀMICA (MMC) .......................................................................................... 43
CONCLUSIONS ......................................................................................................... 45
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 47
WEBGRAFIA ............................................................................................................. 47
8
INTRODUCCIÓ
Quan vaig haver de plantejar-‐me la temàtica del meu treball de recerca, no sabia cap a
on enfocar-‐ho, sempre he volgut fer-‐lo relatiu a una ciència i que ajuntes innovació
tecnològica, però el ventall de possibilitats encara era massa gran amb aquestes
opcions. Així doncs vaig decantar-‐me per treballar sobre un tema que m’agrada molt,
l’automobilística. Era una temàtica molt curiosa per mi, de seguida tenia un munt
d’informació, però la quantitat d’aspectes a tractar eren massa complexes i diferents
entre ells. Havia arribat al mateix punt que al principi, per tant havia de detalla més
sobre que volia fer el meu treball. Per casualitat, em vaig fixar en els materials de la
carrosseria, aquests estaven patint canvis degut nous materials innovadors, des de
magnesi, alumini i plàstics reforçats fins a la fibra de carboni. Però aquí no va acabar la
meva recerca, vaig descobrir un material que no és gens conegut per la societat en si,
almenys no amb aquesta utilitat, que eren les ceràmiques específiques per aplicacions
tècniques. Aquesta ceràmica en concret la vaig trobar en alguns frens de cotxes molt
esportius, aquest va ser el primer motiu pel qual vaig triar aquest treball.
El segon va ser fullejant el llibre de física de 4t d’ESO on em va aparèixer un curiós
objecte levitant. Amb les dades que em sortien al llibre vaig descobrir sorprenentment
que el objecte en qüestió també era una ceràmica.
Per tant, amb el concepte de ceràmica, vaig poder fonamentar el meu treball i dur a
terme una part teòrica completament desconeguda per mi i la possibilitat de
visualitzar el tema que tracto amb una petita experimentació que crida molt l’atenció.
Cal destacar que no tenia cap coneixement del tema, i que no tenia cap porta oberta
assegurada per poder-‐lo realitzar. Des de el primer dia que vaig parlar amb la meva
tutora, vam deixar molt clar les poques possibilitats que tenia de aconseguir el meu
objectiu. I amb això m’agradaria mostrar en el meu treball l’esforç i les hores que he
hagut d’invertir per arribar jo sol a les portes del laboratori de la Facultat de Química
de la Universitat Autònoma de Barcelona, davant d’un professor expert en el tema i
amb el qual he tingut que aprendre conceptes físics i químics de nivell molt més elevat
del que em pertoca.
9
INTRODUCCIÓ TEÒRICA
10
1. DEFINICIÓ DE CERÀMICA
El concepte de material ceràmic, es defineix com material de caràcter inorgànic que
s'ha obtingut d'una matèria primera mineral, no metàl·∙lica, que ha estat modelada en
fred i que ha estat consolidada de manera irreversible per l'acció de la temperatura a
través d’una cocció.
La matèria primera principal de les ceràmiques són les argiles. Altres materials són
incorporats bé de manera natural o artificial, durant el procés d'elaboració, i fan variar
les propietats fonamentals de les argiles, convertint-‐la en una barreja versàtil de
diverses qualitats.
2. EVOLUCIÓ HISTÒRICA
La història de la ceràmica va unida a la història de gairebé tots els pobles del món.
Abasta les seves mateixes evolucions i dates i el seu estudi està unit a les relacions dels
éssers humans que han permès el seu progrés.
La invenció de la ceràmica es va produir durant el neolític, quan es van fer necessaris
recipients per emmagatzemar l'excedent de les collites produït per la pràctica de
l'agricultura. Al principi aquesta ceràmica es modelava a mà, amb tècniques com el
pessic o la placa (d'aquí les irregularitats de la seva superfície), i tan sols es deixava
assecar al sol en els països càlids i prop dels focs tribals en els de zones fredes.
Però la producció de la ceràmica ha sofert grans canvis amb el pas del temps, gràcies a
les noves innovacions tecnològiques l’ésser humà podia produir-‐la arribant a
temperatures cada cop més elevades. Com a conseqüència directe les ceràmiques van
deixar de formar-‐se en base d’una estructura amorfa i passar-‐en a una semicristal·∙lina
o cristal·∙lina, emfatitzant les característiques i propietats d’aquesta.
3. DEFINICIÓ DE CERÀMICA TÈCNICA / AVANÇADA
Les ceràmiques tècniques són productes constituïts per compostos inorgànics,
policristal·∙lins, no metàl·∙lics, on la seva característica fonamental és que són
consolidades en estat sòlid mitjançant tractaments tèrmics a altes temperatures, i que
la seva manufacturació està pensada per l’aplicació industrial i no per objectius
artístics ni domèstics.
11
4. PROPIETATS ESPECIFIQUES DE LA CERÀMICA AVANÇADA
La ceràmica avançada es desenvolupa, optimitza i es posa a punt, segons les seves
propietats específiques, en diverses aplicacions tècniques. Alguns exemples d'aquestes
propietats dels materials ceràmics són:
4.1 PROPIETATS MECÀNIQUES
Les propietats mecàniques són aquelles propietats dels sòlids que es manifesten quan
apliquem una força. Aquestes propietats dels materials es refereixen a la capacitat dels
mateixos a resistir accions de càrrega.
4.1.1 Duresa:
La duresa és l'oposició que ofereixen els materials a alteracions com la penetració,
l'abrasió, el ratllat, les deformacions permanents, entre altres.
4.1.2 Resistència a la flexió:
En enginyeria es denomina flexió al tipus de deformació que presenta un element
estructural allargat en una direcció perpendicular al seu eix longitudinal. Per tant, la
resistència a la flexió queda definida per la oposició que presenta l’element estructural
a la força perpendicular a l’eix longitudinal.
4.1.3 Resistència a les fluctuacions:
Una fluctuació és la variació, pertorbació u oscil·∙lació en el temps d'un medi o sistema
físic, al voltant d'un punt central (sovint un punt d'equilibri) o entre dos o més estats.
Si el fenomen es repeteix, es parla de fluctuació periòdica. El terme vibració es refereix
a les fluctuacions de tipus mecànic. Així doncs, la resistència a fluctuacions o més
concretament a vibracions, és la capacitat que té l’estructura d’un element a
sotmetre’l a una pertorbació que el faci oscil·∙lar.
4.1.4 Resistència a impacte tèrmic:
El concepte de col ·∙ lapse tèrmic o impacte tèrmic es refereix al trencament d'un
material al patir un canvi dràstic de temperatura. Succeeix quan un material sòlid es
trenca en sotmetre’l a un augment o descens de la temperatura. Els objectes que són
vulnerables a aquest efecte són a causa del seu baix nivell de tenacitat, a la seva baixa
conductivitat tèrmica i al seu alt coeficient d'expansió tèrmica. La variació de
12
temperatura causa que diferents parts d'un objecte s'expandeixin més que altres, fent
que la tensió de l'objecte no sigui prou fort i llavors es trenca. Les ceràmiques
avançades tenen la capacitat de resistir aquest efecte encara que el seu coeficient
d’expansió tèrmica varia d’alta a baixa.
4.1.5 Expansió tèrmica:
Es denomina dilatació tèrmica a l'augment de longitud, volum o alguna altra dimensió
mètrica que pateix un cos físic a causa de l'augment de temperatura provocada en ell
per qualsevol mitjà. Degut a la variada composició química de les ceràmiques, aquesta
propietat no és igual per a totes i es pot trobar que tinguin una gran expansió tèrmica
o poca
4.1.6 Resistència a la fricció:
Es defineix com a força de fregament o força de fricció; la força entre dues superfícies
en contacte, i que s'oposa al moviment entre les dues. Es genera a causa de les
imperfeccions, principalment microscòpiques, entre les superfícies de contacte. Però
en el cas de les ceràmiques avançades que estan fabricades de forma sintètica, i degut
a que la seva producció és l’assecament a temperatures elevades d’una sedimentació
d’un polímer amb una dissolució d’un òxid, provoca que la seva superfície sigui
pràcticament perfecte sense cap irregularitat microscòpicament parlant.
4.1.7 Esforç de compressió:
L'esforç de compressió és la resultant de les tensions o pressions que hi ha dins d'un
sòlid deformable o medi continu, caracteritzada perquè tendeix a una reducció de
volum del cos, i a un escurçament del cos en una determinada direcció. El formigó és
un material, que com altres materials ceràmics, resisteix bé la compressió, però no
treballen tan bé a tracció.
4.2 PROPIETATS FÍSIQUES
Les propietats físiques són aquelles que caracteritzen la matèria de l’element del qual
s’està treballant, i que el defineixen per com reacciona davant de condicions externes
del medi que l’envolta.
13
4.2.1Resistència a la temperatura:
Aquesta propietat no està referida a la oposició a transmetre calor sinó a la capacitat
que té el material per mantenir la seva estructura i propietats a elevades
temperatures. La ceràmica és un material òptim d’aplicació a ambients d’alta
temperatura.
4.2.2 Mòdul de Young (densitat i rigidesa):
Relació entre la resistència interna d'un cos elàstic a l'acció de les forces exteriors, que
s'expressa en unitats de força per unitat de superfície, i la corresponent deformació
unitària en un material sotmès a un esforç que està per sota del límit d'elasticitat del
material.
4.2.3 Piezoelectricitat:
La piezoelectricitat és un fenomen presentat per determinats materials cristal·∙lins que
en ser sotmesos a tensions mecàniques, adquireixen una polarització elèctrica en la
seva massa, apareixent una diferència de potencial i càrregues elèctriques en la seva
superfície. Aquest fenomen també es presenta al revés, és a dir, al aplicar un a
diferencia de potencial a l’estructura de la ceràmica, aquesta mitjançant vibracions i
canvi de pressions pot alterar l’ambient que l’envolta. Per expressar-‐ho d’una manera
més representativa, el material en qüestió té la capacitat de generar electricitat segons
els canvis físics que l’afectin del seu voltant, o bé, inversament a l’aplicar-‐li electricitat
produeix un canvi físic en el seu voltant.
4.2.3 Aïllament tèrmic / Conductivitat tèrmica:
La conductivitat tèrmica es defineix com una propietat física dels materials que mesura
la capacitat de conducció de calor. En altres paraules la conductivitat tèrmica és també
la capacitat d'una substància de transferir l'energia cinètica de les seves molècules a
altres molècules adjacents o substàncies amb les que no està en contacte. La seva
magnitud inversa és la resistivitat tèrmica, que és la capacitat dels materials per
oposar-‐se al pas de la calor.
Les ceràmiques, com he mencionat anteriorment, són materials que disposen d’una
gran varietat de composicions químiques i les propietats depenen de si està format
14
amb un polímer o un metall, la ceràmica tindrà propietats aïllants si es tracta d’un
polímer i conductores si és un metall. Encara que hi ha varies excepcions.
4.2.4 Conductivitat elèctrica:
La conductivitat elèctrica és una mesura de la capacitat d'un material de deixar passar
el corrent elèctric, la seva aptitud per deixar circular lliurement les càrregues
elèctriques. La conductivitat depèn de l'estructura atòmica i molecular del material, els
metalls són bons conductors perquè tenen una estructura amb molts electrons amb
lligams febles i això permet el seu moviment. La conductivitat també depèn d'altres
factors físics del propi material i de la temperatura.
Aquesta propietat física es molt variable a les ceràmiques ja que és molt depenent de
la temperatura, hi podem trobar que es comporta com aïllant (temperatura ambient),
semiconductor (o dielèctric) a l’escalfar-‐lo i superconductor (només unes poques
ceràmiques tenen present aquesta capacitat i s’observa a temperatures entre -‐250ºC i
-‐140ºC). Aquestes propietats les esmentaré més endavant i més profundament.
4.3 PROPIETATS QUÍMIQUES
Una propietat química és qualsevol propietat evident durant una reacció química, és a
dir, qualsevol qualitat que pot ser establerta només en canviar la identitat o estructura
química d'una substància. En altres paraules, les propietats químiques no es
determinen simplement veient o tocant la substància, sinó que l'estructura interna ha
de resultar afectada perquè les seves propietats hagin estat modificades. Les
propietats químiques poden ser contrastades amb les propietats físiques, les quals es
poden discernir sense canviar l'estructura de la substància.
4.3.1 Resistència química:
Les ceràmiques són materials completament inerts. Això significa que no poden
reaccionar i que la seva composició química no es veurà afectada per cap altre
compost o element químic. Sinó hi ha cap tipus d’alteració en la composició les seves
propietats específiques tampoc canvien.
15
4.3.2 Resistència a la corrosió:
La corrosió es defineix com el deteriorament d'un material a conseqüència d'un atac
electroquímic pel seu entorn. De manera més general, es pot entendre com la
tendència general que tenen els materials a buscar la seva forma més estable o de
menor energia interna.
La corrosió és una reacció química (oxidoreductora) en la qual intervenen tres factors:
la peça manufacturada, l'ambient i l'aigua, o per mitjà d'una reacció electroquímica.
Els factors més coneguts són les alteracions químiques dels metalls a causa de l'aire,
com el rovell del ferro i l'acer o la formació de pàtina verda en el coure i els seus
aliatges (bronze, llautó).
No obstant això, la corrosió és un fenomen molt més ampli que afecta tots els
materials (metalls, ceràmiques, polímers, etc.) i tots els ambients (mitjans aquosos,
atmosfera, alta temperatura , etc.).
Però les ceràmiques avançades ja són compostos òxids per tant no reaccionen a la
oxidació. Tampoc reaccionen davant de compostos àcids ni alcalins.
4.3.3 Metal·∙lització (Tecnologia d’acoblament)
Metal·∙lització és el nom genèric per a una tècnica de revestiment de metall sobre la
superfície d'objectes. A vegades es considera que l'altre objecte és no metàl·∙lic perquè
no es pot metal·∙litzar una cosa que ja és metàl·∙lic. Aquest mètode modifica les
propietats superficials dels productes mitjançant l'aplicació de la capa superficial de
metall. Quan s'aplica sobre un altre metall es busca millorar alguna propietat d’aquest.
Pel metal·∙litzat es poden emprar diferents tecnologies però la utilitzada en el procés
de fabricació de ceràmica únicament és:
• Projecció tèrmica que és una tècnica utilitzada en la fabricació de components que
consisteix a projectar petites partícules foses, semifuses, calents i fins i tot fredes
(cold spry) que s'uneixen successivament a una superfície
16
4.4 PROPIETATS BIOLOGIQUES
4.4.1 Biocompatibilitat:
Els materials ceràmics, com l'òxid d'alumini, aluminats de calci, òxids de titani i alguns
carbonis són usats com a biomaterials. Els seus avantatges són la bona
biocompatibilitat (és un compost farmacològicament inert dissenyat per ser implantat
o incorporat dins del sistema viu), resistència a la corrosió i inèrcia química. No obstant
això presenten problemes davant esforços d'alt impacte, són inelàstics, posseeixen
alta densitat (alguns) i són de difícil producció.
4.4.2Compatibilitat alimentària:
Les ceràmiques compleixen un seguit de requisits que permeten treballar els aliments
amb aquest material. Com per exemple: no es deteriora, no es gasta, no s’oxida, no té
porositats, no te la necessitat de ser esmolat com els ganivets de acer inoxidable,
entre d’altres.
5. TEORIES
5.1 TEORIA BCS
La teoria es basa en el fet que els portadors de càrrega no són electrons sinó parelles
d'electrons (conegudes com parells de Cooper). Els electrons habitualment es
repel·∙leixen a causa que tenen igual càrrega. No obstant això, quan es troben
immersos en una xarxa cristal·∙lina (és a dir, la microestructura del material) és possible
que l'energia entre ells sigui negativa (atractiva) en lloc de positiva (repulsiva), de
manera que es creïn parelles per minimitzar l'energia.
És possible comprendre l'origen de l'atracció entre els electrons, gràcies a un argument
qualitatiu simple. En un metall, els electrons, al tenir càrrega negativa, exerceixen una
atracció sobre els ions positius que es troben en el seu veïnatge. Aquests ions en ser
molt més pesats que els electrons, tenen una inèrcia molt gran. Per aquesta raó,
mentre que un electró passa prop d'un conjunt d'ions positius , aquests ions no tornen
immediatament a la seva posició d'equilibri original. Això resulta en un excés de
càrregues positives en el lloc pel qual l'electró ha passat. Un segon electró sentirà
doncs una força atractiva resultat d'aquest excés de càrregues positives.
17
Formalment se sol dir que els electrons interaccionen entre si mitjançant fonons, sent
aquests una mena de partícula imaginària que representa la vibració de la xarxa
cristal·∙lina (generada en aquest cas pel pas dels electrons).
Gràcies a aquesta teoria podem afirmar que:
L'existència d'una temperatura crítica, per sota de la qual el material passa a l'estat
superconductor.
• L'existència d'una discontinuïtat en la calor específica en passar a l'estat
superconductor, amb el fet notable que, independentment del material, en l'estat
superconductor és 2.43 vegades més gran que en el normal (per a T = Tc).
• L'efecte Meissner, i pel qual el camp magnètic és expulsat de l'interior del material
superconductor, donant lloc a efectes molt populars , com la levitació d'imants .
5.2. EFECTE MEISSNER
L'efecte Meissner, consisteix en la desaparició total del flux del camp magnètic a
l'interior d'un material superconductor per sota de la seva temperatura crítica.
Es va trobar que el camp magnètic s'anul·∙la completament a l'interior del material
superconductor i que les línies de camp magnètic són expulsades de l'interior del
material, de manera que aquest es comporta com un material diamagnètic perfecte.
L'efecte Meissner és una de les propietats que defineixen la superconductivitat i el seu
descobriment va servir per deduir que l'aparició de la superconductivitat és una
transició de fase a un estat diferent. L'expulsió del camp magnètic del material
superconductor possibilita la formació d'efectes curiosos , com la levitació d'un imant
sobre un material superconductor a baixa temperatura.
18
6. CONDUCTIVITAT ELÈCTRICA DE LES CERÀMIQUES
SUPERCONDUCTORES SEGONS LA TEMPERATURA
6.1 AÏLLANT
És l’estat en que es troba a temperatura ambient i fins a -‐140ºC (cada cop la
temperatura augmenta gràcies a nous descobriments). És un aïllant degut a que la
seva composició està formada per òxids que no permeten l’intercanvi d’electrons.
6.2 SEMICONDUCTOR
En el moment que s’aplica calor, augmenta l’energia cinètica de les partícules i
permeten que els electrons de les últimes capes del núvol electrònic poden
transmetre’s. Aquest flux de corrent elèctric és molt fluix i es necessita dependre de la
temperatura per al seu funcionament.
6.3 CONDUCTOR
No hi ha cap ceràmica que actuï com a conductor, però es necessari definir el seu
procés físic per tal de comparar-‐lo amb la superconductivitat. Els materials conductors,
com els metalls, tenen un núvol electrònic molt gran i molt llunyà del nucli, facilitant
que els electrons de les últimes capes es transmetin de forma uniforme sense aplicar
calor. Però tots els materials conductors presenten un problema, no són perfectament
conductors i ells mateixos tenen una resistència elèctrica deguda a la distància del
material. Aquesta resistència crea un increment de la temperatura del material
excitant l’activitat cinètica de les partícules del nucli entorpint el pas d’electrons:
Representació de l'efecte de l'increment de temperatura a la transmissió d'un material conductor, on les esferes blaves són els protons i els punts vermells són els electrons
19
6.4 SUPERCONDUCTOR
És la transmissió “ideal”, no hi ha cap tipus de resistència degut a que els electrons no
troben cap impediment a la seva trajectòria. Aquest estat de superconductivitat
només es dona a temperatures inferiors als -‐160ºC i en aquest cas són únicament
ceràmiques d’última generació encara en processos d’estudi. Però el més habitual són
ceràmiques que actuen al voltant de una temperatura crítica que és propera a la
temperatura de fusió del nitrogen, -‐196ºC.
En aquest estat les partícules de la ceràmica es reorganitzen entrant en una vibració
cíclica (fonons) que deixa espais buits simultàniament per cada vibració. Aquests
espais reben el nom de fluxons, que serà l’espai per on passaran el electrons. La
velocitat amb què passa cada electró coincideix amb una vibració del nucli, per tant el
material entra en estat de fase, on hi ha un continuo pas de electrons fixats en uns
canals determinats, creant a més una fixació quàntica, ja que les partícules es mouen a
velocitats properes a les de la llum.
Representació de les partícules en fase degut a l'estat de superconductivitat
20
7. TIPUS DE CERÀMIQUES TÈCNIQUES
Les ceràmiques són un material que disposa d’una gran varietat de classificacions
degut a les seva gran varietat de composicions i propietats. Endavant exposaré les
ceràmiques més innovadores que hi ha a la actualitat, situades en una classificació de:
ceràmiques amb òxids, ceràmiques de silicats, ceràmiques sense òxids i per últim
compostos de ceràmica.
7.1 CERÀMIQUES AMB ÒXIDS
7.1.1 Òxid d’alumini – Alúmina – (Al2O3):
És el material ceràmic que més s’utilitza. Aquesta ceràmica es pot trobar en diferents
tipus de granat (conglomeració de divisions que te una estructura) que poden variar
des de divisions més grans de 3μm a més petites d’1μm.
Òxid d'alumini – CeramTec Iberia
• Molt bon aïllament elèctric (1x1014 a 1x1015 Ω·∙cm)
• Força mecànica entre moderada i summament alta (de 300 a 630 MPa)
• Força compressiva molt alta(de 2.000 a 4.000 MPa)
• Alta duresa (de 15 a 19 GPa)
• Conductivitat tèrmica
moderada (de 20 a 30 W/mK)
• Alta resistència a la corrosió
• Bones propietats de desplaçament
• Baixa densitat (de 3,75 a 3,95 g cm3)
• Temperatura operativa sense carga mecànica de 1.000 a 1.500°C.
7.1.2 Titanat d’alumini – (Al2TiO5):
La característica fonamental del titanat d’alumini és la seva excel·∙lent resistència
tèrmica als impactes. Els components fets amb aquest material poden resistir fins i tot
els més severs canvis de
temperatura de varis
centenars de graus sense
patir cap deteriorament.
La seva bona resistència
tèrmica als impactes és el
resultat de la seva baixíssima
expansió tèrmica i de certa
porositat en la seva
microestructura. La baixa
humeactibilitat d’aquest
material ceràmic amb
metalls fosos també fa idoni el seu ús en la tecnologia de fusió i en el camp de la fusió
metal·∙lúrgica.
• Excel·∙lent resistència tèrmica a impactes (0 – 1.000°C)
• Excel·∙lent resistència tèrmica a impactes (<1x10-‐6K-‐1 entre 20 y 600°C)
• Alt aïllament tèrmic (1,5 W/mK)
• Mòdul de Young baix (de 17 a 20 GPa)
• Mòdul de Young baix (de 17 a 20 GPa)
• Mòdul de Young baix (de 17 a 20 GPa)
Titanat d'Alumini – CeramTec Iberia
22
7.1.3 Ceràmica Mixta / Ceràmica de dispersió:
Les ceràmiques amb òxids mixta o de dispersió són productes obtinguts com a resultat
de diverses mescles de certs materials ceràmics bàsics específicament dissenyats per a
millorar i optimitzar algunes propietats.
Els exemples que s’inclouen són el zirconi de alúmina endurit (ATZ) i l’alúmina de
zirconi endurida (ZTA). Un dels efectes positius de reforçar un òxid amb un altre són les
propietats de força que es poden obtenir. Existeixen material ZTA que poden
aconseguir forces de flexió de fins a 1350 MPa i forces compressives de 4700 MPa.
Força fins a 1.350 Mpa
• Mòdul de Weibull de fins a 14 (una mesura de la fiabilitat del material)
• Força compressiva fins a 4.700 MPa.
• Resistència a fractures: 6.4 MPam1/2
• Duresa Vickers: 17 GPa
Ceràmica de dispersió – CeramTec Iberia
23
7.1.4 Piezoceràmiques:
La piezoceràmica s’utilitza pera convertir els paràmetres mecànics, tals com la pressió
y la acceleració, en paràmetres elèctrics o, inversament, per a convertir les senyals
elèctriques en moviment o vibracions mecàniques. Aquests conjunt de ceràmiques no
es poden identificar per un únic compost, sinó que el formen en diferents
proporcionalitats: Òxid plumbós (PbO), diòxid de titani (TiO2) i diòxid de zirconi (ZrO2).
Aquests materials es poden classificar segons les seves propietats per aplicacions
específiques:
• Materials per a transductors d’energia (aplicacions ultrasòniques).
• Materials per a sensors (transmissors i receptors ultrasònics).
• Materials per a actuadors (posicionament de precisió o sistemes d’injecció).
El contacte entre la piezoceràmica metal·∙litzada pot fer-‐se utilitzant adhesius o cautxús
conductors, contactes de molla o mitjançant soldadura.
Transductors d’energia
Sensors Actuadors
Permissivitat relativa ε33 τ/ε0 1,000 – 1,300 1,500 – 1,850 1,800 – 3,800
Factor de perduda δ 2x10-‐3 – 3x10-‐3 12x10-‐3 – 20x10-‐3 15x10-‐3 –16x103
Constant de freqüència KHzŊmm 2,210 – 2,280 2,210 – 2,280 2,020 – 2,050
Factors d’acoblament 0.55 – 0.57 0.59 – 0.62 0.65
Constant de carga 10-‐12 C/N 240 – 310 390 – 450 475 – 680
Constant de voltatge 10-‐3 Vm/N 26.9 – 27.1 26.9 – 33.1 20.2 – 28.5
Observacions elàstiques 10-‐12 m2/N 11.4 – 14.9 16.3 – 18.5 15.8 – 17.9
Rigidesa elàstica 1010N/m2 15.9 – 16.2 14.5 – 15.8 14.7 – 15.2
Densitat g/cm2 7.65 – 7.70 7.65 – 7.80 7.70 – 7.83
Qualitat Qm 500 – 1,000 60 – 90 75 – 80
Índex d’obsolescència % -‐4.5 – -‐3.0 -‐2.3 – -‐0.3 -‐ 1.6 – -‐0.8
24
7.1.5 Ceràmiques amb silicats
Els primers desenvolupaments en l’àrea de la ceràmica tècnica van començar amb l’ús
de la ceràmica amb silicats per a aïllament elèctric. Es poden produir molts tipus
diversos de ceràmica amb diferents propietats variant la classe i la quantitat de
matèries primeres. Els materials ceràmics amb silicats consten de:
• Porcellanes: Silicats d’alumini alcalí.
• Esteatites: Silicats de magnesi.
• Cordierites: Silicats de silici alcalí mineral.
• Mul·∙lites: Composicions d’òxid de silici i alúmina.
Ceràmiques amb silicats – CeramTec Iberia
• Molt bon aïllament elèctric (de 1x1010 a 1x1013 Ω·∙cm)
• Expansió lineal de mínima a moderada (de 0.4x10-‐6K-‐1 a 6x10-‐6K-‐1)
• Excel·∙lent resistència tèrmica a impactes (de 250 a 610 K)
• Baixa conductivitat tèrmica (de 2 a 4 W/mK)
• Resistència a la flexió de 80 a 180 MPa
25
7.1.6 Òxid de zirconi – Zircònia – (ZrO2)
A diferència d’altres materials ceràmics, l’òxid de zirconi és un material que presenta
una resistència molt alta a la propagació de ruptures. La ceràmica també posseeix un
índex d’expansió tèrmica molt elevat, per tant es sol escollir com a material per a unir
la ceràmica i l’acer.
Una altra gran combinació de propietats es la seva baixa conductivitat tèrmica i la seva
extrema solidesa. A més, alguns tipus de ceràmica d’òxid de zirconi poden conduir els
ions d’oxigen.
• Elevada expansió tèrmica (α=11 x 10-‐6/K, similar a alguns tipus de acer)
• Excel·∙lent aïllament tèrmic / baixa conductivitat tèrmica (de 2,5 a 3 W/mK)
• Molt alta resistència a propagació de ruptures, resistència a las fractures elevada (de
6.5 a8 MPam1/2)
• Capacitat per conduir els ions d’oxigen
Òxid de zirconi – CeramTec Iberia
26
7.2 CERÀMIQUES SENSE ÒXIDS
7.2.1 Nitrur d’alumini – (AlN)
El nitrur d’alumini és l’únic material ceràmic tècnic que presenta una interessant
combinació d’una molt alta conductivitat tèrmica i unes excel·∙lents propietats de
aïllament elèctric.
Molt elevada conductivitat tèrmica (> 170 W/mK)
Elevada capacitat de aïllament elèctric (>1.1012Ωcm)
Força segons el mètode de doble anella >320 MPa (força biaxial)
Baixa expansió tèrmica de 4 a 6x10-‐6K-‐1 (entre 20 i 1000°C)
Bona capacitat de metal·∙lització
Nitrur d'alumini – CeramTec Iberia
27
7.2.2 Carbur de silicona – (SiSiC / SSiC)
El carbur de silicona té gairebé las mateixes propietats que un diamant. No és només el
material ceràmic més lleuger sinó també el més sòlid, a més, posseeix una excel·∙lent
conductivitat tèrmica, un baix índex d’expansió tèrmica i és molt resistent
Baixa densitat (de 3.07 a 3.15 g/cm3)
Elevat grau de duresa (HV10 ≥ 2,200 GPa)
Elevat índex en Mòdul de Young (de 380-‐430 MPa)
Alta conductivitat tèrmica (de 120 a 200 W / mK)
Sota coeficient d'expansió lineal
(de 3.6 a 4.1x10-‐6 / K a temp. entre 20 i 400 ° C)
Màxima temperatura operativa del SSiC sota gas inert: 1.800 ° C
Excel ·∙ lent resistència tèrmica a impactes del SISIC: At 1,100 K
erosionable
Resistent a corrosió i desgast fins i tot a altes temperatures
No tòxic
Bones propietats de lliscament
Carbur de silicona – CeramTec Iberia
28
7.2.3 Nitrur de silicona – (Si3N4)
El nitrur de silicona (Si3N4) presenta una excel·∙lent combinació de propietats de
materials. Són gairebé tan lleugeres com les ceràmiques de carbur de silicona (SiC),
però a més la seva microestructura els confereix una excel·∙lent resistència tèrmica als
impactes i la seva elevada resistència a les fractures les fa resistents a tot tipus
d'impactes i cops.
La seva microestructura consisteix en una sèrie de vidres allargats que s'entrellacen
formant micro-‐barres.
• Molt baixa densitat (3.21 g/cm3)
• Molt elevada resistència a les fractures (7 MPam1 / 2)
• Bona resistència a les flexions (850 MPa)
• Excel ·∙ lent resistència tèrmica als impactes: paràmetres de tensió
tèrmica elevats (569 K)
• Màxima temperatura operativa en atmosfera oxidant: 1.300 ° C
• Màxima temperatura operativa en atmosfera neutral 1.600 ° C
29
7.3 COMPOSTOS CERÀMICS
Compost de matriu de metall ceràmica – (MMC)
L'àmbit d'aplicacions dels components de
metall lleugers i d'elevada duresa
principalment l'alumini, però també el
magnesi i el titani està creixent constantment.
La motivació per utilitzar metalls lleugers en
la indústria de l'automòbil és rebaixar el pes i
en última instància reduir les emissions i el
consum de
combustible.
No obstant això, la construcció de
metalls lleugers aconsegueix els seus
límits en àrees on ha de resistir altes
tensions teriològiques, tèrmiques o
mecàniques. Aquestes debilitats
poden resoldre, mantenint un baix
pes de components, mitjançant el
reforç selectiu i, en alguns casos,
parcial del metall amb partícules de ceràmica. És possible variar el tipus de partícules
de ceràmica, així com la seva grandària i fraccions de volum. Els objectius del disseny
estructural tècnic i específic d'una aplicació per a aquests ceràmiques inclouen:
• Augment de la força mecànica
• Influència en la fricció i el desgast
• Influència en l'expansió
• Millora de l'estabilitat tèrmica
*Totes les imatges de tipus de ceràmica tècnica són obtingudes de CeramTec Iberia
• Aliatge de metall 60 Vol -‐% AlSi9MgMn
• Ceràmica 40 Vol -‐% Al2O3
• Densitat 3.21 g/cm3
• Resistència a la flexió: de 550-‐620 MPa
• Elasticitat: de 380-‐460 MPa
• Càrrega de ruptura: aprox. 0,5%
IMMC – CeramTec
30
•
PART PRÀCTICA
31
1. INTRODUCCIÓ PRÀCTICA
Abans d’explicar la meva part pràctica, us introduiré perquè la he realitzat i les
dificultats que he tingut per portar-‐la a terme.
Des d’un principi volia realitzar la producció en primera persona d’una ceràmica,
exposar les seves propietats amb un experiment molt visual i finalment explicar les
aplicacions que tenen sortida segons les seves propietats; per tal de fer tot el cicle
industrial d’un material tècnic. Un cop vaig saber quin era el mètode totes les meves
opcions de portar-‐lo a terme es van anul·∙lar, bàsicament per la dificultat de mantenir
un cos durant tan temps (14h) a temperatures de més de 1200ºC. Això va suposar una
gran decepció, també va afavorir que deixes aquest treball quan vaig saber la
inaccessibilitat que tenia per adquirir una ceràmica conductora o manipular-‐la, degut
al elevat preu que suposa produir-‐la. Però encara que la gent anava aconsellant-‐me
que busques alternatives, jo no podia concebre el fet de deixar aquest tema que em
crea tanta curiositat. A l’anar molt perdut l’únic lloc on veia possibilitats que tinguessin
coneixements del tema eren les universitats, (UB i UAB) tenen el grau d’enginyeria de
materials i era possible que tinguessin al seu abast el material en qüestió.
Trucant durant varies setmanes als diferents departaments de ambdues universitats i
enviant correus electrònics, vaig arribar a poder contacta amb doctors del Institut de
Materials de Catalunya (ICMAB), però no va haver cap resposta.
Finalment, gràcies a un professor de la facultat de química de Bellaterra, Joan Carles
Bayon, que treballa juntament amb el meu pare; ens va brindar l’oportunitat de
importar una pastilla de ceràmica (YBa2Cu3O7) des de la Universitat de Saragossa.
Un cop ens vam reunir vaig aprofitar per poder resoldre dubtes i ampliar
coneixements, des de explicacions seves fins a llibres i documents relatius al treball.
Tot seguit començàrem amb la preparació dels materials necessaris, entre ells el
nitrogen líquid, que està emmagatzemat a una temperatura de -‐196ºC. Sincerament
ha estat una experiència molt divertida i entretinguda treballar amb aquesta
substància, pots arribar a tocar-‐la durant pocs segons, fins hi tot el pots tirar al terra o
a la roba i no mulla, ja que s’evapora de seguida pel contrast tèrmic que hi ha.
Seguidament realitzàrem l’experiment que descriure més endavant.
32
Respecte a l’apartat de producció no l’he pogut realitzar jo per la seva complexitat,
però si que abstret la informació de primera mà de l’empresa CeramTec Iberia s.a que
és una multinacional pionera en aquest àmbit.
Tot seguit en aquest apartat faré una descripció de l’experimentació que he realitzat
per dur a terme el meu treball, aquest consta d’un seguit de processos per explicar la
producció de la ceràmica, la visualització de les seves característiques i propietats i per
acabar les aplicacions tècniques de les ceràmiques més innovadores.
2. PRODUCCIÓ D’UNA CERÀMICA SUPERCONDUCTORA
Concretament en aquest apartat explicaré el procés que segueix la manufacturació de
la ceràmica superconductora amb la qual m’he basat per realitzar la meva part
pràctica. El procés consta de diverses etapes:
2.1. MESCLA
Aquesta etapa consisteix en combinar els components principals del superconductor
(YBa2Cu3O7) que són òxids de itri (Y2O3), bari (BaO) i coure (CuO). En aquest procés
també s’introdueixen inhibidors per tal de que la futura reacció doni: YBa2Cu3O7 i no
YBa2Cu3O9.
2.2. CALCINACIÓ OXIDANT
La calcinació és el procés d'escalfar una substància a temperatura elevada,
(temperatura de descomposició), per provocar la descomposició tèrmica o un canvi
d'estat en la seva constitució física o química. El procés, que sol dur-‐se a terme en
llargs forns cilíndrics, té sovint l'efecte de tornar fràgils les substàncies.
Les temperatures a les quals poden arribar aquest forns són de fins a 1200ºC, encara
que la mescla anterior només necessita entre 800 i 900 graus centígrads durant 11-‐17
hores.
2.3. TRITURACIÓ
La trituració és el nom dels diferents mètodes de processament de materials. El
triturat és també el nom del procés per reduir la mida de les partícules d'una
substància per la mòlta per tal d’augmentar la seva puresa.
33
COMPONENTS PREMSATS
2.4.1 PLASTIFICACIÓ
El procés de plastificació és discontinu, i és portat totalment per una sola màquina
anomenada injector. El procés d’injecció consisteix bàsicament en:
1. Plastificar i homogeneïtzar, amb ajuda de calor, el material plàstic (normalment un
polímer com el polivinil acetat).
2. Injectar el material fos (polivinil acetat escalfat) per mitjà de pressió en les cavitats
del motlle, del qual prendrà la forma o figura que tingui aquest motlle.
3. En el temps en què el plàstic es refreda dins del motlle s’està duent a terme el pas
“1”, posteriorment s’obre el motlle i s’expulsa la peça modelada.
2.5.1 ASSECAT PER ASPERSIÓ
L'assecat per aspersió comença amb l'atomització d'un líquid en un esprai o fines
gotes, l'esprai entra en contacte i és suspès per un corrent de gas calent, permetent
l'evaporació del líquid i traient el sòlid sec, en essencial amb la mateixa mida i forma
que les gotes atomitzades. Finalment, del corrent de gas, la pols seca és separada i
col·∙lectada.
Amb aquest procés podem eliminar tota la humitat que contingui el material
processat.
2.6.1 COMPRESSIÓ
L'emmotllament per compressió és un procés de conformat de peces en què el
material, generalment un polímer, és introduït en un motlle obert al que després se li
aplica pressió i calor perquè el material adopti la forma del motlle desitjada.
2.7.1 SINTERITZACIÓ
Sinterització és el tractament tèrmic d'un pols o compactat metàl·∙lic o ceràmic a una
temperatura inferior a la de fusió de la mescla (1000ºC – 1300ºC), per incrementar la
força i la resistència de la peça creant enllaços forts entre les partícules.
34
COMPONENTS MULTICAPA
2.4.2 PREPARACIÓ DE LA BEURADA / LLETADA
La lletada és un compost en base de ciment que s’utilitza per unificar i homogeneïtzar
un compost sòlid estructurat per partícules molt petites.
2.5.2 COLAT EN CINTA
El sistema permet l'obtenció de forma reproduïble de làmines ceràmiques amb gruixos
de >10 mil·∙límetres. El desplaçament continu i sense vibracions en un ampli rang de
velocitats de la fulla doble posicionada mitjançant cargols micromètrics de gran
precisió, asserena el pla amb el paral·∙lelisme de la cinta. Mitjançant aquesta tècnica es
poden obtenir substrats ceràmics, recobriments ceràmics controlats, elements
ceràmics multicapa i materials ceràmics controlats amb gradient de funció.
2.6.2 IMPRESSIÓ / APILAT
Consisteix en el desplaçament de trossos de ceràmica al quals es fan girar en un angle
de 90º amb unes maquines conegudes com a voltejador.
2.7.2 LAMINAT I TROSSEJAT
En aquest procés, la ceràmica s’introdueix en una màquina que la tritura utilitzant uns
corrons giratoris que la esmicolen en forma amorfa o bé en petites làmines.
2.8.2 SINTERITZACIÓ
Sinterització és el tractament tèrmic d'un pols o compactat metàl·∙lic o ceràmic a una
temperatura inferior a la de fusió de la mescla (1000ºC), per incrementar la força i la
resistència de la peça creant enllaços forts entre les partícules.
2.9. ESMERILAT
Consisteix en abrasar la superfície de la ceràmica amb un disc aglutinat d’esmeril, que
gira a velocitats molt elevades.
2.10. METAL·∙LITZACIÓ
Procés de recobriment o d’acoblament d’un metall a una ceràmica segons els
procediments explicats.
35
3. VISUALITZACIÓ DE LA PROPIETAT SUPERCONDUCTORA
Un cop s’ha obtingut la pastilla ceràmica, per poder observar que és un material
superconductor, es pot visualitzar amb dos efectes. Per realitzar l’experiment cal
arribar a la temperatura crítica de la ceràmica, que són 96 K (-‐178ºC), en aquesta
temperatura l’estructura de la ceràmica es reorganitza i entre un estat d’oscil·∙lació
(fonons), que permeten que qualsevol flux magnètic en el que estigui sotmès la
ceràmica no la travessi i que el flux envolti l’estructura.
Aquest fet causa dos efectes que demostraré endavant, l’efecte Meissner que la
resistència elèctrica que sigui 0Ω (Ohm):
3.1 EFECTE MEISSNER
Per realitzar aquest experiment, vaig haver d’anar a la facultat de ciències i biociències
de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), per parlar amb el professor Bayon i
realitzar l’experiment. Aquest experiment el vaig haver de repetir dos cops, ja que en
el primer intent, la ceràmica no entrava en fase i per tant l’imant no levitava. Degut al
repetitiu canvi brusc de temperatura, la ceràmica no va resistir el xoc tèrmic,
esmicolant-‐se en petits trossets.
En el segon intent si que vàrem poder observar l’efecte i en el laboratori preparem
totes les eines i materials necessaris:
3.1.1 Materials:
• Recipient cilíndric de poliestirè expandit 500ml
• Safata de poliestirè
• Guants d’aïllament tèrmic
3.1.2 Productes químics:
• Ceràmica (YBa2Cu3O7)
• Nitrogen líquid (N2 -‐196ºC)
• Imant d’alta densitat (Fe3O4)
36
3.1.3 Procediment:
Per començar, és necessari omplir el recipient de poliestirè amb nitrogen líquid, que
està emmagatzemat en un dipòsit especial. Tot seguit es col·∙loca la pastilla de
ceràmica en el centre de la safata i s’hi aboca el nitrogen. Amb uns guant d’aïllament
tèrmic agafem l’imant i el col·∙loquem de seguida a sobre de la ceràmica, respectant
una distància. Poc a poc s’anirà notant que el imant queda fixat a la ceràmica:
Aquest resultat el podem explicar segons la Teoria BCS i l’efecte Meissner, definits a la
part teòrica del treball, en materials superconductors.
Com a curiositat, l’experiment va causar gran expectació dins de els diferents
laboratoris i despatxos del voltant, (formalitats a part) semblàvem nens petits
contemplant una joguina espectacular.
3.2 SUPERCONDUCTIVITAT
Aquest experiment el vaig realitzar amb la meva segona visita a la Universitat,
principalment consisteix en donar a conèixer el significat real d’un superconductor,
que implica que a temperatura crítica, indiferentment de la seva longitud, té una
resistència de 0 Ω.
3.2.1 Materials:
• Recipient cilíndric de poliestirè expandit 500ml
• Safata de poliestirè
• Guants d’aïllament tèrmic
• Tèster
Línies de camp magnètic Levitació d'un imant d'alta densitat sobre una ceràmica refrigerada amb nitrogen líquid (UAB
– FCiBC)
37
3.2.2 Productes químics:
• Ceràmica (YBa2Cu3O7)
• Nitrogen líquid (N2 -‐196ºC)
3.2.3 Procediment:
S’inicia comprovant la resistència que té la ceràmica a
temperatura ambient. Aplicant els dos vectors del
tèster, entre els extrems superficials de la pastilla, ens
surt una resistència de l’ordre de 20000 Ω; aquesta
xifra permet considerar que la ceràmica a temperatura
ambient és un aïllant en tota regla.
En el següent pas, realitzem la mateixa prova però
havent-‐hi refredat la ceràmica fins a la seva
temperatura crítica. El tèster s’ha de canviar l’ordre en
que registre i passar-‐ho a l’interval de 0 – 200Ω.
S’introdueixen els vectors del tester i sorprenent el
tester indica un valor nul, això s’interpreta que el valor de la resistència no existeix o
que és tan petit que l’instrument no ho pot percebre.
4. APLICACIONS TECNOLÒGIQUES
Un cop he observat les propietats d’un superconductor, he d’explicar la seva aplicació
tècnica, que és directament definida i útil per les seves característiques:
4.1. MAGLEV
El Maglev és un tren d’alta velocitat
japonès, que es mou entre els
principals nuclis urbans de la regió.
L’atractiu d’aquest tren, a part de
ser el tren més ràpid del món i que
circula als 500 km/h de velocitat de
Tèster (UAB – FCiBC)
Esquema de funcionament d'un tren tipus Maglev
38
viatge. Es pot arribar a una velocitat màxima propera als 580 km/h, degut s que circula
levitant per sobre d’imants, aprofitant la propietat de superconductivitat que jo vaig
observar al laboratori, però traslladat a un exemple molt més gran i que es necessari
una quantitat més elevada de superconductor per sostindré l’estructura amb les forces
de dinàmica que pateix.
El tren funciona sobre una
placa que actua com a
electroimant, el material
que permet la fixació
quàntica són les ceràmiques
superconductores adherides
al tren, que estan
refrigerades per un flux
continuo de nitrogen líquid. Al ser una fixació quàntica el tren no pot incrementar ni
disminuir la distància que hi ha entre el tren i el suport. La propulsió del tren és
únicament electromagnètica, degut a la polaritat causada entre la diferència de
potencial entre extrems del tren.
Si només importés l’estructura del tren, la seva velocitat quedaria limitada per la
màxima resistència que pot oferir respecte el fregament de l’aire o del suport del tren,
durant el temps que estigui refrigerada la ceràmica, mai es separarà ni ajuntarà a cap
altra cosa. Però la realitat és que el tren no pot superar certes velocitats ja que els
passatgers no restarien a dins del transport i sortirien disparats del habitacle.
4.2. XARXA / LÍNEA ELÈCTRICA
Gràcies als coneixements sobre conductors elèctrics, que he anat adquirint durant
aquest treball; em permeten afirmar que segons he explicat a apartats anterior, un
simple conductor té tendència a tenir una resistivitat elèctrica degut a la seva pròpia
longitud en l’espai, degut a un augment de la seva temperatura. Aquest tema si el
traslladem al conjunt de xarxes elèctriques que hi ha repartides, per exemple a
Catalunya, podem afirmar que es perd fins a més d’un 30% de l’energia generada en
un reactor o un embassament, abans de que arribi a Barcelona ciutat.
Tren de tipus Maglev ubicat a Japó (Banc d’imatges INTEF)
39
Per poder posar un remei, a
Brussel·∙les s’ha dut a terme un
gegantí i complex mètode per a
que sigui rentable la producció
energètica i el seu transport:
Per començar, s’ha construït un
captador de nitrogen de l’aire just
al costat del generador en qüestió.
La seva finalitat és obtenir un gran
flux de nitrogen, que per condensació es manté en estat líquid.
El següent pas que varen realitzar va ser la substitució de la xarxa elèctrica comuna,
per un gran cable format per un nucli d’una ceràmica superconductora, i envoltada per
un pas continuo de nitrogen líquid obtingut dels captadors d’aire. D’aquesta manera la
resistència que ofereix el superconductor és igual a zero i per tant una producció del
100%.
5. APLICACIÓ DE LES CERÀMIQUES TÈCNIQUES INOVADORES
5.1 ALÚMINA (Al2O3)
L’alúmina és la ceràmica avançada més utilitzada i present, és fa servir com a substitut
de metalls que en condicions físiques i químiques, no podrien treballar, però que sí
són necessàries les seves propietats. Els exemples d'aplicació per a les ceràmiques
avançades d'òxid d'alumini (Al2O3) són:
5.1.1. Les eines de modelatge d'alt rendiment:
• Gràcies a la seva elevada força mecànica que presenta (300 a 630 MPa)
• La seva elevada duresa (15 a 19 GPa)
• Bones propietats de desplaçament degut a la inexistència de imperfeccions a la
superfícies
• Temperatura operativa elevada (fins a 1000 -‐ 1500ºC)
Visió infraroja d'una línia elèctrica, mostrant l'espectre tèrmic (Banc d’imatges INTEF)
40
5.1.2. Els substrats i nuclis de reòstats en la indústria de l'electrònica:
• Molt bon aïllant elèctric (14000 a 15000 ohms)
• Conductivitat tèrmica moderada (de 20 a 30 W/K·∙m)
5.1.3. Les rajoles per a la protecció contra el desgast i balística:
• Força compressiva molt elevada
• Elevada duresa
5.1.4. Les guies de fils en l'enginyeria tèxtil
• Bona propietat de desplaçament
• Elevada duresa
• Força mecànica elevada
5.1.5. Els discos de segellat i del regulador per a les aixetes d'aigua:
• Bona propietat de desplaçament
• No pateix oxidació ni deteriorament pel contacte de l’aigua
• Elevada força de compressió
• Elevada duresa
5.1.6. Els dissipadors tèrmics per als sistemes d'il·∙luminació:
• Aïllant elèctric
• Conductor tèrmic moderat
5.1.7. Els tubs de protecció en els processos tèrmics:
• Treball operatiu a temperatures elevades
5.1.8. Els portadors catalítics per a la indústria química:
Permet la dispersió de partícules d’un element no pertanyent al compost al llarg de la
seva superfície, en el cas d’un catalitzador permet augmentar la seva superfície activa
de treball.
41
5.2. NITRUR D’ALUMINI (AlN)
El nitrur d'alumini és l'únic material de ceràmica tècnica que presenta una interessant
combinació d'una molt alta conductivitat tèrmica i unes excel·∙lents propietats
d'aïllament elèctric. Això fa que el nitrur d'alumini estigui predestinat a ser usat en
aplicacions de:
5.2.1. Microelectrònica i electricitat.
La microelectrònica és la tecnologia mitjançant la qual es dissenyen dispositius
electrònics empacats en grans densitats en una pastilla única de semiconductor.
5.2.2. Dissipador de calor en tecnologia d'il·∙luminació LED
Es diu que la il·∙luminació LED no proporciona calor com la il·∙luminació per
incandescència o fluorescència. Això no és del tot cert, degut al afecte Joule, la calor és
projectada en direcció contraria del feix de llum, causant que la part visible del LED
sigui freda encara que el suport, pot arribar a escalfar-‐se molt. Aquí entre el
funcionament del Nitrur de Alumini, que permet la dissipació de la temperatura
acumulada i l’impediment de que el corrent elèctric pugui transmetre’s a zones no
convenients.
5.2.3 Electrònica d'alta potència.
L'electrònica de potència permet adaptar i transformar l'energia elèctrica per a
diferents fins com ara alimentar controladament altres equips, transformar l'energia
elèctrica de contínua a alterna o viceversa, i controlar la velocitat i el funcionament de
màquines elèctriques, etc. mitjançant l'ús de dispositius electrònics, principalment
semiconductors.
(Degut a una molt elevada conductivitat tèrmica de 170 W/K·∙m, una elevada capacitat
d’aïllament elèctric 12000 ohms i una bona capacitat de metal·∙lització).
5.3. CARBUR DE SILICONA (SiSiC / SSiC)
El carbur de silicona té gairebé les mateixes propietats que un diamant. No és només
el material ceràmic més lleuger sinó també el més dur. A més, posseeix una excel·∙lent
conductivitat tèrmica, un baix índex d'expansió tèrmica i és molt resistent als àcids i les
aigües alcalines.
42
Amb la ceràmica de carbur de silicona les propietats del material romanen constants
fins i tot a temperatures superiors a 1.400°C. L'elevat mòdul de Young > 400GPa
assegura una excel·∙lent estabilitat dimensional. Aquestes propietats del material
semblen predestinar-‐lo per al seu ús com a material de construcció. El carbur de
silicona venç la corrosió, l'abrasió i l'erosió tan hàbilment com suporta el desgast per
fricció. Els components s'usen, per exemple, en plantes químiques, fàbriques,
expansors i extrusores o com toveres.
El carbur de silicona no és tòxic i pot usar-‐se en la indústria de l'alimentació. Una altra
aplicació típica d'aquests components és la tecnologia de segellat dinàmica utilitzant
coixinets de fricció i segells mecànics, per exemple en bombes i sistemes de propulsió.
Comparat amb els metalls, el carbur de silicona permet solucions molt econòmiques
amb llarga vida útil a usar-‐se en mitjans molt agressius i d'altes temperatures. A més,
la ceràmica de carbur de silicona és també ideal per a les exigents condicions regnants
en l'àmbit de la balística, la producció química, la tecnologia energètica, la fabricació
de paper i com a component en sistemes de canonades.
5.4. NITRUR DE SILICONA (SI3N4)
El nitrur de silicona presenta una excel·∙lent combinació de propietats de materials. Són
gairebé tan lleugeres com les ceràmiques de carbur de silicona (SSiC), però a més la
seva microestructura els confereix una excel·∙lent resistència tèrmica als impactes i la
seva elevada resistència a les fractures les fa resistents a tot tipus d'impactes i cops.
Una de les aplicacions on aquesta combinació de propietats s'ha mostrat especialment
útil és al maquinat de ferro colat gris o del ferro fos amb inserits de ceràmica. A
diferència dels metalls durs o altres materials de tall, els processos de maquinat poden
realitzar amb inserits de ceràmica a màxima velocitat sense utilitzar lubricants de
refrigeració. La combinació de bones propietats tribològiques (propietats específiques
del desgast i friccions) i excel·∙lent resistència a les fractures converteix la ceràmica de
nitrur de silicona en l'aliat ideal per a aplicacions com boles i elements rodants per a
coixinets lleugers i d'extrema precisió, eines de modelatge de ceràmica d'alt rendiment
i components de l'automoció subjectes a altes tensions. A més, la seva bona
resistència tèrmica als impactes i a les altes temperatures s'aprofita en els processos
de soldadura.
43
5.5. MATRIU DE METALL CERÀMICA (MMC)
L'àmbit d'aplicacions dels components de metall lleugers i d'elevada duresa
principalment: l'alumini, però també el magnesi i el titani està creixent constantment.
La motivació per utilitzar metalls lleugers en la indústria de l'automòbil és rebaixar el
pes i en última instància reduir les emissions i el consum de combustible.
No obstant això, la construcció de metalls lleugers aconsegueix els seus límits en àrees
on ha de resistir altes tensions tribològiques, tèrmiques o mecàniques. Aquestes
debilitats es poden resoldre. Mantenint un baix pes de components, mitjançant el
reforç selectiu i, en alguns casos parcial, del metall amb partícules de ceràmica. És
possible variar el tipus de partícules de ceràmica, així com la seva grandària i fraccions
de volum. Els objectius del disseny estructural tècnic i específic d'una aplicació per a
aquests ceràmiques inclouen:
• Augment de la força mecànica
• Influència en la fricció i el desgast
• Influència en l'expansió
• Millora de l'estabilitat tèrmica
Alguns exemples d'aplicació de compostos de metall / ceràmica són les camises del
cilindre en motors (tribologia), les parets de recés del pistó (tribologia), les plaques de
subjecció de les pastilles de frens (pes), els coixinets (expansió tèrmica), els discos de
fre (tribologia) , els articles esportius o els dissipadors de calor en electrònica.
44
CONCLUSIONS
45
CONCLUSIONS
Amb aquest apartat conclou el meu treball de recerca sobre ceràmiques tècniques.
L’objectiu inicial amb el qual vaig fonamentar la meva recerca, que era buscar una
temàtica que unifiques l’explicació teòrica amb l’experimentació empírica, ha estat un
èxit. Les teories i fonaments han coincidit amb els resultats que s’esperaven, i això és
molt gratificant.
Un altre qüestió que em vaig plantejar a l’inici de començar a buscar informació, és
que el tema que tractés havia de ser completament desconegut, que em crides molt
l’atenció i que estigues molt relacionat amb el grau d’enginyeria que m’agradaria
cursar. Amb això voldria esmentar que un cop acabat aquest treball, no tinc pensat
deixar-‐lo de banda, al contrari, el meu interès ha crescut i encara en vull conèixer més
perquè això sé que és tot just un inici
Pel que fa a la informació adquirida a través de la recerca, he pogut arribar a l’opinió i
em permeto dir l’afirmació, que la ceràmica és un dels materials més competents per
poder ser aplicats a una activitat específica. Les seves propietats i característiques són
molt útils per qualsevol industria i presenten molts pocs inconvenients pel seu ús.
Permeten ajustar-‐se a les necessitats de cada situació i per primer cop a la indústria,
són els materials els que s’adapten a la fabricació i no els productes els que s’hi
adapten. (Ex: Amb la invenció del procés mecànic del tèxtil, el producte va passar a ser
de cotó en lloc de llana per suportar les estivades de les maquines. Actualment és la
maquina la que es modifica actualitzant-‐la amb materials innovadors per tal de que
podi treballar en qualsevol condició.)
Actualment la indústria està definida per la presència única i exclusiva de materials
metàl·∙lics degut a què econòmicament són els més rentables per suportar els esforços.
Però presenten moltes deficiències, es deterioren molt fàcilment, i les seves propietats
són iguals per tots els tipus de metalls, únicament es diferencien en el seu valor de
magnitud. Amb aquesta observació i tornant a pensar en la hipòtesis plantejada,
fonamentada en tot el coneixement teòric que he adquirit sobre propietats i
característiques de materials, m’atreveixo afirmar que, “en el futur és possible que les
ceràmiques substitueixin als metalls en totes les seves aplicacions”. Aaron Beade
Aguilar, treball de recerca de 2013.
46
BIBLIOGRAFIA I WEBGRAFIA
47
BIBLIOGRAFIA • “Los superconductores” (Luis Fernando magaña Solís) ISBN 968-‐16-‐5329-‐7
• “Correlations between normal-‐state properties and superconductivity” (Department
of Physics, University of California, San Diego, La Jolla, California 92093-‐0319)
• Quimica/ Chemistry (Raymond E. Davis,Kenneth W. Whitten) Google Books
• De los especialistas en cerámica de altas prestaciones (CeramTec)
WEBGRAFIA
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas (28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/fabricacion-‐
aplicaciones (28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/carburo-‐silicio
(28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/caracteristicas-‐
ceramica-‐carburo-‐silicio (28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/nitruro-‐silicio
(28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/produccion-‐
nitruro-‐silicio (28/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/caracteristicas-‐
ceramica-‐nitruro-‐silicio (29/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/zirconia
(29/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/fabricacion-‐
zirconia (29/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/caracteristicas-‐
aplicaciones-‐zirconia (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/recubrimientos-‐
ceramicos (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/recubrimientos-‐
tenaces (30/10/13)
48
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/recubrimientos-‐
corrosion (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/resistentes-‐calor
(05/11/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/ceramicas-‐
superplasticas (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/ceramicas-‐
reforzadas (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/adherencia-‐
ceramica-‐metal (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/ceramica-‐
electronica (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/procesado-‐
electroceramicas (30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/ceramica-‐
multiples-‐capas (2/11/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/pelicula-‐gruesa
(30/10/13)
! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-‐avanzadas/progresos-‐
ceramica-‐electronica (30/10/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/oxido-‐de-‐aluminio/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/titanato-‐de-‐aluminio/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/ceramica-‐mixta-‐dispersion/
(07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/piezoceramica/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/ceramica-‐con-‐silicatos/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/nitrito-‐de-‐aluminio/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/carburo-‐de-‐silicona/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/nitrito-‐de-‐silicona/ (07/11/13)
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/sialon/ (07/11/13)
49
! http://www.ceramtec.es/materiales-‐ceramicos/compuestos-‐de-‐matriz-‐de-‐metal/
(07/11/13)
! http://es.slideshare.net/evaelectrotecnia/materiales-‐superconductores-‐6922365
(20/10/13)
! http://es.slideshare.net/salmonete/superconductores-‐1560825 (20/10/13)
! http://www.aragoninvestiga.org/Materiales-‐superconductores-‐para-‐una-‐
electricidad-‐mas-‐segura/ (6/11/13)
! http://www.textoscientificos.com/fisica/superconductividad/tipos-‐y-‐diferencias
(6/11/13)
