Las cerámicas técnicas presentan fuertes enlaces atómicos híbridos iónico/covalentes, que les confiere, además de fragilidad (impedimento del desplazamiento de los planos atómicos entre sí) dureza y rigidez, un alto punto de fusión que las convierte en excelentes materiales resistentes al calor, es decir, refractarios. Las principales innovaciones en el campo de las cerámicas refractarias son las siguientes.
Cerámicas resistentes a las altas temperaturas
En las últimas décadas se han obteniendo muestras de N4Si3 y CSi, que mantienen sus resistencias a la tracción de 56 kg/mm2 y 39 kg/mm2 respectivamente, a 1200 °C.
El mantenimiento de la resistencia a elevadas temperaturas de los productos terminados, con ambas cerámicas, es función del proceso de fabricación llevado a cabo para obtenerlas.
Se han llevando a cabo estudios sobre una cerámica tenaz transformada que resulta lo suficientemente estable a elevadas temperaturas, como para poderse considerar aplicable en el desarrollo y construcción de cilindros para motores Diesel ligeros, camisas de cilindros, cabezas de pistón, turbinas de gas adiabáticas y recuperadores e intercambiadores de calor, es decir, se trata de una de las cerámicas más avanzadas para intentar progresar en el importante campo de los motores adiabáticos.
La cerámica en cuestión ha sido ensayada a 1.200 °C durante 300 horas sin mostrar degradación alguna, y al parecer podría mantenerse a la misma temperatura durante 600 horas.
Los investigadores comparan a dicho material con la circonia (ZrO2) parcialmente estabilizada (PSZ), pero la cerámica en estudio, al contrario de lo que le sucede a la PSZ, no se degrada a las temperaturas que harían perder su tenacidad a ésta.
Dicha cerámica está formada por partículas de solución sólida, finamente divididas, de ZrO2/HfO2, dispersa en otra solución sólida, como matriz, de alúmina (Al2O3/Cr2O3) o mullita (3Al2O3, 2SiO2/3Cr2O3, 2SiO2).
Los mejores resultados, con las propiedades óptimas, se obtienen cuando la cerámica contiene 20% de moles de Cr2O3 lo que, eleva la dureza y el modulo elástico del material; con el 10/20 moles % de HfO2 se mejora sustancialmente la fractura tenaz.
Cerámicas moldeables y maquinables
Actualmente existen cerámicas de OMg que pueden moldearse, por métodos convencionales, para obtener piezas de posible mecanización para ser utilizadas a elevadas temperaturas. Este material cerámico está formado por un sistema de dos elementos, un polvo cerámico y un activador líquido. Dicha mezcla puede moldearse bajo cualquier forma; después de calentarse puede mecanizarse por medio de herramientas convencionales. Las piezas terminadas poseen una buena resistencia térmica y excelentes propiedades dieléctricas (resistividad: 1010 ohm/cm; resistencia dieléctrica: 100 vols/mil) y puede soportar temperaturas de hasta 1.540 °C.
En varios laboratorios se han desarrollado materiales de N4Si3 especiales para aplicaciones resistentes al calor. Añadiéndole óxidos de Lantano y otros metales de Tierras Raras, se obtiene una cerámica altamente estable, que puede ser perfectamente sinterizada (elevada presión y temperaturas), no presentando pérdida alguna de resistencia mecánica incluso cuando se calienta hasta los 1.300°C.
Cerámica tenaz resistente a los choques térmicos
Una cerámica obtenida en Zirania constituida por O2Zr/Ti producto de interreacción obtenido en crisoles en los que el Ti puede fundirse sin la aplicación de oxígeno, puede soportar choques térmicos de hasta 1.650 °C y que, en consecuencia, tiene la resistencia suficiente para aplicarse en álabes de turboalimentadores.
Se proyecta introducir óxido de circonio pulverizado y Ti en el interior del molde, y fundirlos conjuntamente. Ambos materiales “roban” oxígeno del ZrO2 por oxidación/reducción para formar cristales de anclaje de ZrO, TiO2 y metal (Ti). Con este proceso se mejora la estabilidad de la cerámica para soportar ciclos térmicos.
Los investigadores de estas cerámicas la han calentado hasta los 1.900°C, enfriándola a continuación a 204/260 °C, repitiendo el ciclo 20 veces sin destruir la integridad de la estructura. Un crisol fabricado con Zr02 simple no soportaría ni un solo ciclo. Los cambios dimensionales son del orden del 1%, y el punto de fusión de la cerámica se aproxima a los 2.200°C.
La cerámica en cuestión puede obtenerse por una variedad de métodos, incluyendo la compresión isostática y el H.I.P, y el prensado en frío utilizando una cera parafina como aglomerante, para mantener los polvos ligados. La contracción durante el procesado es del 8/10%.
Cerámica mullita para elevadas temperaturas
La cerámica de mullita (Al2O3/SiO2) en la que, la proporción de impurezas se rebaja al 0,1% adquiere una resistencia mecánica comparable al CSi, que puede mantenerse a temperaturas de hasta 1.400°C. La mullita en cuestión se obtiene a base de Sílice (SiO2) y Alúmina (Al2O3) de alta pureza. Calentando la mezcla y controlando el crecimiento de las mallas cristalinas se consiguen mullitas de las purezas especificadas.
Además de su elevada resistencia a altas temperaturas, las cerámicas en estudio poseen las ventajas de, relativos bajos costes de producción, fácil fabricación y resistencia a la corrosión.