Cerámica de alúmina y cerámica de zirconio
Las cerámicas especiales, también conocidas como cerámicas finas, son materiales inorgánicos no metálicos fabricados a partir de materias primas inorgánicas no metálicas de alta pureza mediante procesos precisos de conformado y sinterización. A diferencia de la cerámica tradicional, no utilizan minerales naturales como la arcilla como materia prima principal. En cambio, al basarse en materias primas de alta pureza sintetizadas artificialmente y tecnologías de preparación avanzadas, ocupan un lugar insustituible en los campos de la industria moderna, la ciencia y la tecnología.
Las cerámicas especiales se pueden clasificar en una amplia variedad de tipos según su composición química, incluyendo cerámicas de óxido (como alúmina, zirconio, etc.), cerámicas de nitruro (como nitruro de silicio, nitruro de aluminio, etc.), cerámicas de carburo (como carburo de silicio, carburo de boro, etc.), cerámicas de boruro (como boruro de zirconio, boruro de lantano, etc.), así como cerámicas compuestas de múltiples compuestos y cermets con metales añadidos. Según sus funciones de aplicación, se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías: cerámicas estructurales compuestas de alta resistencia y resistencia a altas temperaturas, y cerámicas funcionales eléctricas y electrónicas.
Desde componentes resistentes a altas temperaturas en el sector aeroespacial hasta el encapsulado de chips y los elementos de sensores en la industria electrónica; desde componentes de pilas de combustible en el sector energético hasta prótesis articulares y materiales de restauración dental en el campo biomédico, la cerámica especial está presente en todas partes. Es como un héroe anónimo que impulsa silenciosamente el progreso de la ciencia y la tecnología modernas y transforma nuestras vidas.
Cerámica de alúmina: propiedades y aplicaciones
(1) Características de rendimiento
Las cerámicas de alúmina, cuyo componente principal es la alúmina (Al₂O₃), ocupan un lugar destacado en el campo de las cerámicas especiales gracias a su excelente rendimiento. Presentan una dureza extremadamente alta, con una dureza Rockwell de HRA80-90, solo superada por el diamante, lo que les confiere un excelente rendimiento en aplicaciones resistentes al desgaste. En pruebas de resistencia al desgaste, la resistencia de las cerámicas de alúmina es 266 veces superior a la del acero al manganeso y 171,5 veces superior a la de la fundición con alto contenido de cromo. En las mismas condiciones de trabajo, pueden prolongar la vida útil de los equipos al menos diez veces o más.
La densidad de la cerámica de alúmina es de aproximadamente 3,8 g/cm³, solo la mitad de la del acero, lo que reduce eficazmente la carga de los equipos. Además, posee una excelente estabilidad química, resistiendo la corrosión causada por sustancias químicas como ácidos y álcalis fuertes, lo que la hace muy adecuada para entornos corrosivos como la industria química. Su resistencia a altas temperaturas es también muy destacada, pudiendo soportar temperaturas de hasta 1600 °C o incluso superiores, y puede utilizarse como revestimiento para hornos de alta temperatura y materiales refractarios.
(2) Campos de aplicación
En el campo mecánico, debido a su alta dureza y resistencia al desgaste, la cerámica de alúmina se utiliza para fabricar herramientas de corte, rodamientos, sellos, etc. La velocidad de corte de las herramientas de cerámica de alúmina es mayor que la de las herramientas de corte de carburo cementado general, lo que puede mejorar considerablemente la eficiencia de corte. Las herramientas de corte de cerámica compuesta de Al₂O₃ también pueden procesar diversos materiales como acero endurecido y acero aleado.
En el campo de la electrónica y la energía eléctrica, la cerámica de alúmina se utiliza ampliamente. Presenta un buen aislamiento y conductividad térmica, y se puede utilizar para fabricar sustratos cerámicos, obleas, películas cerámicas, cerámicas transparentes y dispositivos aislantes, entre otros. Por ejemplo, los sustratos cerámicos de alúmina, con alta resistencia mecánica, buen aislamiento y alta capacidad de protección contra la luz, se utilizan a menudo en sustratos cerámicos para cableado multicapa, encapsulado electrónico y encapsulado de alta densidad.
En la industria química, la cerámica de alúmina se puede utilizar para hacer revestimientos de calderas de reacción, tuberías, válvulas, etc. Con su estabilidad química y resistencia a la corrosión, pueden resistir la erosión de varios medios químicos, lo que garantiza el funcionamiento seguro y estable de la producción química.
Cerámica de zirconio: propiedades y aplicaciones
(1)Características de rendimiento
La cerámica de zirconio, cuyo componente principal es zirconio (ZrO₂), ofrece un rendimiento excelente. Presenta una dureza relativamente alta, con una dureza de Mohs de 7-8, y un excelente rendimiento en aplicaciones resistentes al desgaste. En las mismas condiciones de fricción, la pérdida por desgaste de la cerámica de zirconio es solo una décima parte de la de los materiales metálicos convencionales.
Su tenacidad también es muy destacada, con una tenacidad a la fractura de 7 a 15 MPa·m¹/², muy superior a la de la cerámica convencional. Resiste eficazmente la propagación de grietas y no se rompe fácilmente. Su resistencia al desgaste es excelente, más de 200 veces superior a la del acero inoxidable, y ofrece importantes ventajas en entornos de alto desgaste.
La cerámica de zirconio también posee buenas propiedades aislantes. Es un excelente aislante a temperatura ambiente y cumple con los requisitos de aislamiento en los campos electrónico y eléctrico. Su resistencia a altas temperaturas es también notable, con un punto de fusión de hasta 2700 °C, lo que le permite un uso estable en entornos de alta temperatura.
(2）Ámbito de aplicación
En el campo de la cerámica estructural, la cerámica de zirconio se utiliza a menudo para fabricar herramientas de corte, rodamientos, válvulas, etc. Las herramientas de corte de cerámica de zirconio son afiladas y duraderas, con un excelente rendimiento de corte. Pueden procesar diversos materiales difíciles de cortar y no reaccionan con los alimentos, por lo que pueden utilizarse para fabricar cuchillos de mesa, bisturíes, etc. Los rodamientos de cerámica de zirconio ofrecen resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y al desgaste, y se utilizan ampliamente en equipos de alta velocidad y alta precisión.
En términos de cerámica funcional, la cerámica de zirconio se puede convertir en sensores de oxígeno, electrodos de celdas de combustible de óxido sólido, etc. Los sensores de oxígeno, que utilizan sus características de conducción de iones de oxígeno, pueden detectar de manera rápida y precisa el contenido de oxígeno en el ambiente y se utilizan ampliamente en campos como la detección de escape de automóviles y el control de combustión industrial.