Al igual que se hizo en los apartados anteriores, a continuación se va a dar una visión detalladas de las cerámicas electrónicas (electrocerámicas) dando a conocer las últimas y más recientes investigaciones y descubrimientos de estos materiales.
Mientras que los átomos de los materiales metálicos forman estructuras reticulares con electrones externos libres (conductividad electrónica), los enlaces híbridos iónico/covalentes de las cerámicas limitan el movimiento electrónico por lo que, en general, las cerámicas son buenos materiales dieléctricos, con buenas propiedades de polarización (condensadores) y piezoeléctricos.
Existen muchas cerámicas que presentan propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas lo suficientemente importantes para su aprovecha miento para poder realizar con ellas una función determinada como, por ejemplo: emisión, modulación, rectificación, filtrado, detección, transporte, etc.
Dichas cerámicas se dividen en cinco grandes grupos:
- Semiconductores.
- Superconductores.
- Ferroeléctricos (piezoelectricidad).
- Magnéticos (ferromagnéticos y ferrimagnéticos).
- Óptica.
Las principales aplicaciones de las electrocerámicas pueden resumirse en: aislamientos eléctricos, semiconductores, substratos para circuitos integrados, resistencias, varistores, filtros, piezoeléctricos, condensadores, imanes, memorias, diodos LÁSER, diodos emisores de luz, porcelanas translúcidas resistentes al calor, fibras ópticas para comunicaciones, etc.
Una de las aplicaciones más interesantes, en la actualidad, de las electrocerámicas, son los varistores o resistores variables, basados en la variación de las propiedades de la estructura atómica de una cerámica en una dirección determinada, combinando aquélla con otra microestructura particular para conseguir un nue vo material con una propiedad específica determinada.
La obtención de resistores variables se realiza a partir del OZn, cuyos cristales son semiconductores, pero se transforman en conductores eléctricos por inclusión de ciertas impurezas en su estructura cristalina (dopado). Así pues, las propiedades eléctricas del conjunto, cerámica/ZnO dopado, pueden hacerse no lineales; a pequeños voltajes, el nuevo material muestra una baja conductividad (efecto dieléctrico de la cerámica); sin embargo, a voltajes más elevados, la corriente electrónica tiene energía suficiente para superar las barreras aislantes existentes entre los granos conductores del ZnO dopado por lo que, el material compuesto resulta un buen conductor. Los varistores de ZnO están empleándose cada vez más en la protección automática de cortocircuitos en montajes eléctricos de cualquier voltaje.
Cerámicas conductoras estables para altas temperaturas en células de combustible
Se están comenzando a ensayar ciertos materiales cerámicas constituidos por carbonatos fundidos, que se piensan comercializar para la producción de las cada vez más interesantes, en el campo de la producción de energía, células de combustible. (sistema de generación masiva de electricidad a partir de combustibles fósiles, por un nuevo concepto electro químico que evita el paso térmico intermedio de los sistemas convencionales). Hasta el presente, la vida de los carbonatos es de unas 20.000 horas de operación y lo que se está investigando es ampliar aquélla hasta las 40.000 horas de funcionamiento para que el sistema sea rentable.
El problema radica en el cátodo de la célula constituido, normalmente, por óxido de níquel con litio. Aquél es inestable en el carbonato fundido, al desintegrarse por pérdida continua del óxido de níquel en el electrólito. Así, los iones de níquel, en el electrólito, se reducen en la región del ánodo, depositándose en éste como níquel metálico, disminuyendo, en consecuencia, la duración de la célula por acortamiento de la vida del cátodo.
Las investigaciones están tendiendo al desarrollo de materiales catódicos químicamente más estables, que sean conductores y que resulten más operativos a las elevadas temperaturas que se alcanzan en las células (500 °C – 700 °C), y que sean prácticamente insolubles en el electrólito. Entre los materiales ensayados figuran cerámicas aislantes, químicamente estables, dopadas convenientemente para convertirlas en conductores sin variar esencialmente sus microestructuras cristalinas, excepto por la incorporación del elemento dopante. En estas condiciones se ha logrado reducir la resistividad de dichas cerámicas desde los 1.000 ohmios/cm a 30 ohmios/cm.
Específicamente, las cerámicas están constituidas por un metal alcalin (Li ó K) y un óxido metálico de transición (por ejemplo los números 21 (Sc) a 30 (Zn) de la tabla periódica), y sustituyendo, selectivamente, los iones del álcali o del metal de transición, por los iones de un metal dopante (por ejemplo Mg, Fe, Mn) en la estructura cristalina del óxido sin dopar.
Por ejemplo, al sustituir el Mn en el LiFeO2, se alcanza una resistividad de 12 ohm/cm a 650°C; al sustituir el Mg en el LiO 2MnO3, se reduce la resistividad a 8/9 ohm/cm. En estos estudios, no ha aparecido depositado ningún metal en el ánodo de la «célula de combustible». Así, los nuevos materiales catódicos, según parece, podrían doblar la vida operativa de las «células de combustible». La próxima etapa de investigación consistirá en hacer funcionar la «célula» aumentando fuertemente la carga de trabajo.
Los técnicos están trabajando para conseguir alcanzar una resistividad de 10 ohm/cm, ensayando estos materiales en ambientes corrosivos y a elevadas temperaturas.
Cerámicas con conductividades metálicas
Se ha experimentando con una cerámica a base de titania (TiO2), denominada “Ebonex”, que posee una conductividad eléctrica aproximada a la de un metal, y que podría utilizarse en aplicaciones electroquímicas. Esta cerámica resiste bien a las altas temperaturas y a la corrosión química y electrolítica.
Dimensionalmente es estable de tal forma que los electrodos fabricados con la cerámica en estudio pueden actuar indistintamente como ánodo o cátodo, incluso recubierta o no por un material anódicamente activo.
Dicha cerámica se obtiene al calentar una titania especial, bajo presión y en condiciones altamente reductoras, durante varias horas. El producto obtenido puede fundirse, extruirse y ser moldeado por inyección.
Mientras que los titanatos conductores existen hace años, su escasa densidad de corriente impide algunas aplicaciones eléctricas. Por otra parte, la conductividad eléctrica del «Ebonex» es de 5*10-3 ohm/cm. Esta titania podría utilizarse para producir electrodos que resistan a la oxidación en células combustibles de Aire/H2, y, a la corrosión en precipitadotes electrostáticos de la polución del aire, y para electrocloradores de elevada duración. También son previsibles aplicaciones industriales para baterías en automoción.