Materiales cerámicos y vidrios

Un cerámico es un compuesto de un metal con un no metal —casi siempre oxígeno, pero también carbono, nitrógeno o silicio—, unido por enlaces iónicos o covalentes. De ese enlace sale todo lo demás: los electrones están sujetos, así que no conduce; el enlace es muy fuerte, así que es duro y funde muy alto; y los átomos no pueden deslizar unos sobre otros como en un metal, así que se rompe sin avisar. Este tema cuenta cómo se ordenan esos átomos, qué pasa cuando no se ordenan —el vidrio— y qué se hace con ellos.

En la evaluación continua este tema entra en el test de las presentaciones de los alumnos; en la final, con renuncia, entra en el examen.

Cómo se ordenan los iones

En un cerámico iónico hay dos clases de iones: los cationes, pequeños, y los aniones, grandes. La red tiene que cumplir dos condiciones a la vez: ser neutra —la fórmula química lo garantiza— y que cada catión toque a todos los aniones que lo rodean. Si el catión fuera demasiado pequeño para su hueco, bailaría dentro y la estructura sería inestable.

Por eso el número de aniones que caben alrededor de un catión —su número de coordinación— depende de la relación entre sus radios:

Las estructuras más comunes, algunas ya vistas en los problemas del tema 3:

• Sal gema, la del NaCl y la de la magnesia, MgO: coordinación 6. Los aniones forman una red FCC y los cationes ocupan todos sus huecos octaédricos.
• Cloruro de cesio: coordinación 8. Cada catión, en el centro de un cubo de aniones. No es BCC, porque los dos iones son distintos: son dos cúbicas simples encajadas.
• Blenda, la del ZnS: coordinación 4. Cada ion, en el centro de un tetraedro de iones del otro tipo.
• Fluorita, la del CaF₂: con el doble de aniones que de cationes, cada catión tiene ocho aniones y cada anión, cuatro cationes.
• Perovskita, la del BaTiO₃ y el CaTiO₃: dos cationes distintos y oxígeno. Es la estructura de muchos cerámicos con propiedades eléctricas especiales.

Los silicatos y la sílice

La mayoría de los cerámicos tradicionales —arcillas, cementos, vidrios— están hechos de silicio y oxígeno. Con una relación de radios de 0,286, cada silicio se rodea de cuatro oxígenos: el tetraedro SiO₄, que es el ladrillo de todos ellos. Los tetraedros se unen compartiendo oxígenos de sus vértices, y según cómo lo hagan salen cadenas, láminas —las arcillas— o una red tridimensional, que es la sílice, SiO₂.

La sílice ordenada es cristalina: cuarzo, cristobalita, tridimita. Pero la misma red puede quedarse desordenada, con los tetraedros unidos al azar, y entonces es un vidrio.

Los vidrios

Un vidrio es un sólido amorfo: tiene el orden de corto alcance del cristal —cada silicio sigue rodeado de cuatro oxígenos— pero no el de largo alcance, que es el que hace a un cristal un cristal (tema 1). Se forma cuando el líquido se enfría demasiado deprisa, o es demasiado viscoso, para que los tetraedros tengan tiempo de ordenarse.

Por eso un vidrio no tiene temperatura de fusión: al calentarlo se va ablandando poco a poco, y lo que se usa para describirlo es su viscosidad. La frontera entre el sólido frágil y el líquido subenfriado es la temperatura de transición vítrea. Por encima, el vidrio se puede soplar, estirar y prensar; por debajo, es rígido.

La sílice pura da un vidrio excelente pero con una temperatura de trabajo muy alta. Los vidrios de uso corriente llevan además óxidos modificadores, como el de sodio o el de calcio, que rompen parte de la red: el vidrio sodocálcico de las ventanas y las botellas funde y se trabaja a mucha menos temperatura.

Por qué un cerámico es frágil

Un metal se deforma plásticamente porque sus dislocaciones se mueven (tema 3). En un cerámico iónico, mover una fila de iones una distancia atómica pondría cationes frente a cationes y aniones frente a aniones, y eso la repulsión eléctrica no lo permite; en uno covalente, los enlaces son fuertes y tienen dirección. Las dislocaciones casi no se mueven, no hay deformación plástica, y el material rompe en cuanto una grieta empieza a crecer.

Y las grietas están siempre: poros, rayas, defectos de fabricación. Una grieta concentra la tensión en su punta, y la resistencia de la pieza cae con la raíz cuadrada del tamaño de su grieta más grande:

$$\sigma_f \propto \frac{1}{\sqrt{a}}$$

De ahí salen las tres cosas que caracterizan a un cerámico en servicio:

• Resiste mucho más a compresión que a tracción. A compresión las grietas se cierran; a tracción se abren.
• Su resistencia varía mucho de una pieza a otra, porque depende de la grieta más grande que le haya tocado. Por eso se trata con estadística.
• No se ensaya a tracción, porque es difícil agarrar la probeta sin romperla: se ensaya a flexión.

El vidrio templado usa justo esto. Se enfría de golpe la superficie de un vidrio caliente; la superficie se endurece antes que el interior, y cuando el interior se enfría y se contrae, tira de ella y la deja comprimida. Una grieta de la superficie tiene que vencer esa compresión antes de abrirse, y el vidrio aguanta mucho más. Si se rompe, lo hace en trozos pequeños y romos.

Cómo se fabrican

Un cerámico funde tan alto, o es tan frágil, que casi nunca se le puede dar forma como a un metal. Hay tres caminos:

• Vidrio: se funde y se le da forma mientras está caliente y viscoso —se prensa, se sopla, se estira en láminas o en fibras— y después se recuece para quitarle las tensiones.
• Arcilla: mezclada con agua se vuelve plástica y se moldea, o se hace una barbotina líquida y se cuela en un molde. Después se seca con cuidado —si no, se agrieta— y se cuece: parte de la pieza funde y, al enfriar, hace de pegamento vítreo entre los granos.
• Polvo: se prensa en frío o en caliente con la forma final y se sinteriza, calentándolo por debajo de su fusión para que los granos se suelden por difusión. Es el camino de los cerámicos técnicos.

Qué cerámicos se usan

• Productos de arcilla: ladrillos, tejas, porcelana, sanitarios.
• Refractarios: los que aguantan temperaturas altas sin fundir ni reaccionar, para revestir hornos. Se diseñan con diagramas de fase como los del final del tema 4: sílice y alúmina, magnesia y alúmina.
• Abrasivos: los más duros —alúmina, carburo de silicio, diamante— para cortar, pulir y rectificar.
• Cementos: al mezclarlos con agua se hidratan y fraguan a temperatura ambiente. El cemento Portland es la base del hormigón.
• Cerámicos técnicos: alúmina en aislantes eléctricos y bujías; circona en piezas que tienen que resistir impactos; nitruro y carburo de silicio en rodamientos, herramientas y piezas que trabajan calientes.