Cerámicas conductoras de protones (sensores de gas)
Se han investigando con éxito cerámicas conductoras de protones, como sensores de hidrógeno en mezclas de gases.
Dichas cerámicas están constituidas por wolframatos de tántalo y amonio (NH4TaWO6), que se obtienen por el intercambio del ion amonio del correspondiente compuesto sinterizado de rubidio (Rb). Lo verdaderamente crítico en el proceso de obtención de las cerámicas de wolframato de tántalo y rubidio (Rb.Ta.WO6) es el poder alcanzar suficiente densidad en el cuerpo de la cerámica (80%) con la ayuda de elevadas presiones. La densidad final, un 97%, tiene que conseguirse mediante la sinterización; el cambio del ion amonio (NH+ 4), por el ion rubidio (Rb+), se realiza por la fusión del sulfato/nitrato amónico, utilizando un voltaje exterior (c.a.) aplicado durante 1.000 horas.
El material final obtenido (NH4TaWO6) es estable hasta 300 ºC, a partir de los 400 ºC se descompone en relativamente corto tiempo, por lo que se recomienda no utilizar dicha cerámica a temperaturas superiores a los 300 ºC.
La conductividad protónica del (NH4TaWO6) es de: 1,5 x 1.0-4 ohm/cm a 250°C, y su número de transporte es superior a 0,95. La misma cerámica formada con niobio (Nb) en lugar de Ta parece ser un excelente sensor protónico (H +) en solución, con un tiempo de respuesta de 10 sg.
El material en estudio, al parecer, tiene futuro en su utilización en la electrólisis del vapor de agua, y para células de combustible.
Compuesto cerámico electroconductor resistente al calor
Otros investigadores han desarrollado un compuesto cerámico con el objeto de reemplazar a las aleaciones metálicas en sus aplicaciones como elementos de calor (resistencias óhmicas).
Dicho compuesto cerámico está basado en un carburo de silicio (SiC), al 30-50% en volumen, y diboruro de circonio (ZrBz) , con una conductividad eléctrica superior a la de la aleación Cr/Ni.
Para encontrar una cerámica óptima se han ensayado varias combinaciones de SiC, con diversos grados de presión y temperatura y mediante la adición de diversos electroconductores; el objeto era hallar un compuesto con una elevada resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas, alta resistencia a la flexión y elevada resistividad.
La combinación finalmente elegida tenía la más alta resistividad del grupo ensayado y una resistencia a la flexión superior a la alúmina (A12O3), ambas a la temperatura ambiente y a 1.200 °C. Algunas de las propiedades de la combinación cerámica elegida son: densidad relativa 98%; buena resistencia a la oxidación por encima de los 1.200 °C; resistividad 5*105 ohm/cm; resistencia a la flexión, superior a los 450 MPa (4600 kg/cm2) mantenida desde la temperatura ambiente hasta los 1200°C; coeficiente de aumento de resistencia eléctrica con la temperatura: 3*10-3 ohm/cm.
Los elementos de calor fabricados con el compuesto pueden soportar 30.000 ciclos, desde la temperatura ambiente hasta 1.200°C, con un promedio de velocidad de crecimiento de la temperatura de 1.000°C/sg:, con menos del 3% de variación en la resistencia eléctrica.
Compuesto cerámico como resistor (varistor) para elevados voltajes
Recientemente han sido obtenidos resistores (varistores) con un compuesto cerámico único, desarrollado para proteger al conjunto de componentes electrónicos, de los tubos de rayos catódicos (CTRC) utilizados en los procesadores de datos, de los daños producidos por los arcos de alto voltaje (superiores a 20 kV)
Además dichos varistores mejoran la resolución y la claridad de los “display” de los TRC ya que, pueden funcionar a tensiones anódicas más elevadas.
En los varistores «standard», existe un pequeño espacio entre parte del conductor interno y la capa aislante exterior; si la corriente es lo suficientemente alta saltará por el mencionado hueco. En estas condiciones los investigadores están desarrollando un compuesto cerámico que suprima dicho hueco de forma efectiva. La composita en cuestión tiene una microestructura única de Al2O3 que resulta continua a lo largo de todo el varistor, no pudiéndose producir el arco independientemente de la magnitud de la corriente; además existe otra ventaja, el material en estudio puede soportar temperaturas elevadas (600 °C) necesarias en la incorporación del resistor en el conjunto del TRC.
El compuesto cerámico se obtiene por sinterizació n reductora controlada de una composita particular: A12O3/C (88%-93% de densidad teórica), seguida de un recocido oxidante para eliminar el carbón superficial.
Los resistores en estudio podrían también utilizarse para mejorar la calidad de los colores en las televisiones, ordenadores... donde los voltajes superan los 25 KV, y en los tubos de proyección (TRC) para displays de vídeo son todavía mayores.
Recubrimientos cerámicos sobre metal. Metales aisladores para substratos electrónicos
Ciertamente, los aislantes convencionales para substratos electrónicos siempre han estado constituidos por cerámicas refractarias, de elevado grado de aislamiento, procesadas a altas temperaturas y, en consecuencia, bastante costosas.
Actualmente ya se comercializan substratos electrónicos aislantes más económicos que la comúnmente utilizada alúmina, y con propiedades físicas superiores. Para ello están usando metales recubiertos con ciertas cerámicas. Los ensayos recientes demuestran que capas de 0,4 mm de cerámica, sobre metal, producen superficies suficientemente uniformes, con un promedio de desviación de 0,3 micras, es decir, con planitud prácticamente perfecta. El recubrimiento así formado proporciona un aislamiento eléctrico notable, con una elevada constante dieléctrica y con, aproximadamente, 10 KV de tensión de ruptura.
El recubrimiento en cuestión, se realiza mediante una electrodeposición controlada, que comienza por una inmersión de la pieza metálica a recubrir en un baño líquido, no acuoso de partículas cerámicas de pocas micras de diámetro. A continuación se hace pasar, una corriente eléctrica a través del metal, durante un tiempo inferior a 120 segundos, para depositar sobre éste una cantidad perfectamente controlada de polvos cerámicos. Seguidamente, la capa de polvos cerámicos se sinteriza a unos 850°C aproximadamente.
Control de las propiedades eléctricas de acuerdo a la microestructura de las cerámicas
En diversos laboratorios se han desarrollando un nuevo proceso para la obtenció n y control de los tamaños de grano de las cerámicas, lo que permite a los técnicos dictaminar sobre las propiedades eléctricas de aquéllas.
Los tamaños de grano submicrómicos producidos por el nuevo proceso, retardan el paso de la corriente eléctrica haciendo crecer la resistencia óhmica de la cerámica.
El nuevo proceso se basa en una precipitación química, un cambio iónico y una temperatura de sinterizado adecuada. Se empieza por la precipitación del Zn, Mn y Co de una solución acuosa de estos cationes; los tamaños de grano y propiedades eléctricas obtenidos para el producto (polvos) dependen, fundamentalmente, del control de la temperatura, del tiempo de reacción y de las proporciones de los materiales de partida. A continuación una solución ácida de Bi3+ se vierte sobre los polvos precipitados para formar una delgada capa de bismuto.
Después los polvos se calcinan, se compactan y sinterizan a 700-760 °C la cerámica resultante contiene únicamente el 10% de porosidad, con tamaños de grano inferiores a 0,1 micra, lo que representa un gran avance comparando este tamaño con las 2 micras obtenidas por molienda y mezcla mecánica convencional y procesos de sinterizado a elevadas temperaturas.
Los resistores variables o varistores, que resisten al paso de bajas corriente y conducen el paso de las corrientes elevadas, obtenidos con las cerámicas de tamaño de grano submicrómico, permiten regular voltajes hasta 100 veces superiores que los de los varistores