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Engranajes de porcelana

27/03/2014

Jarrones, azulejos, platos... La cerámica está presente en nuestra vida cotidiana a través de todos estos objetos y de otros muchos. Además, tiene otra cara, la dura, la de las aplicaciones industriales y tecnológicas que la convierten en un elemento de gran utilidad para sectores tan dispares como el químico, el metalúrgico e incluso el espacial.

Los materiales cerámicos se han convertido con el paso de los años en los grandes aliados de la industria. Su excelente resistencia al calor y a los ataques químicos los hace ser un compañero perfecto para todo tipo de sectores. Entre sus distintas aplicaciones se engloban las electrónicas, mecánicas, biológicas, magnéticas, ópticas, químicas, térmicas, nucleares, estructurales y decorativas, siendo quizás estas últimas las más conocidas por el gran público.

Los elementos cerámicos ofrecen una gran resistencia gracias a que sus átomos se mantienen en su posición de equilibrio mediante fuertes enlaces. Sin embargo, la fragilidad, debido a su composición porosa, es su talón de Aquiles. Desde que se comenzó a usar la cerámica para fines industriales, los esfuerzos de los investigadores se han centrado en crear nuevos materiales que tuvieran más dureza y resistencia.

El principal objetivo es diseñar nuevas micro estructuras que eviten la creación de grietas, que casi siempre suponen la rotura de las piezas, e intentar solventar las limitaciones que se puedan dar con los plásticos y los metales. A esta y a otras tareas se dedican en el departamento de cerámica del Instituto de Cerámica y Vidrio, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y dirigido por Rodrigo Moreno.

Entre sus objetivos se hallan el estudio, diseño, procesamiento y caracterización de distintos constituyentes cerámicos. Sus investigaciones en este momento se focalizan en el diseño y procesamiento de nuevos cementos refractarios; aplicación de novedosos métodos de síntesis autosostenida a fin de crear nuevos materiales compuestos por cerámica y metal; estudios de corrosión por fundidos y escorias a elemen tos refractarios; y el diseño de materiales obtenidos a partir de residuos industriales o urbanos que pueden ser utilizados como fertilizantes de liberación lenta.

 

Electrocerámica

Las aplicaciones eléctricas, ópticas y magnéticas de la cerámica, denominadas electrocerámicas, son con mucho las más extensas y las que más se han estudiado en los últimos años.

Se trata de un término que es relativamente reciente, ya que se emplea desde la segunda mitad del siglo XX. Los llamados materiales electromecánicos poseen un grandísimo número de funciones electrotécnicas, eléctricas y electrónicas que están muy presentes en la vida diaria (ver despiece: Ellos eligen la cerámica).

No se puede hablar exclusivamente de compuestos con función eléctrica porque quedarían fuera los que tienen usos ópticos y magnéticos, que también se encuentran en este grupo.José Francisco Fernández Lozano, que es uno de los investigadores del departamento de electrocerámica, habla sobre las numerosas aplicaciones de ésta, destacando como las más relevantes “las de los aisladores cerámicos que permiten la distribución de la electricidad; los condensadores milimétricos; los circuitos multiestrato electrónicos; los transductores ecográficos; y los protectores de sobretensiones”.

Elaborar una clasificación de los materiales electrocerámicos es, cuando menos, una tarea complicada, ya que constantemente surgen nuevas aplicaciones, compuestos, estudios, etc. No obstante, puede hacerse una agrupación general que combina de forma conjunta materiales y usos de los mismos.

 

Porcelana eléctrica

Los materiales aislantes o dieléctricos lineales sirven como soporte mecánico y aislante para los diferentes elementos que soportan. La esteatita y la porcelana eléctrica son las más utilizadas en este tipo de aislantes que están presentes en todas las líneas eléctricas, desde las de alto voltaje hasta las de distribución de baja tensión.

Un cometido parecido tienen los substratos (normalmente son de alúmina, óxido de berilio, nitruro de silicio, etc.), que se emplean en el montaje de condensadores o de circuitos integrados. Para las aplicaciones de baja capacidad, como la electrónica de consumo, las telecomunicaciones o los ordenadores, los condensadores cerámicos (principalmente compuestos de titanato de bario) destinados a montajes en superficie son muy útiles.

Los elementos piezoeléctricos se hallan entre los más apreciados en este tipo de cerámica. Se incorporan en dispositivos que transforman la energía eléctrica en deformaciones mecánicas o viceversa. Esto significa que si se someten a una fuerte presión o fuerza generan cargas eléctricas y, si se someten a un campo eléctrico, se deforman.

Marina Villegas, vicedirectora del Instituto de Cerámica y Vidrio e investigadora del departamento de electrocerámica, explica que actualmente los materiales piezoeléctricos aplicados a la industria aeroespacial “constituyen un valioso aliado en el control no destructivo por ultrasonidos y para compensar vibraciones”.

El control no destructivo posibilita hacer todo tipo de pruebas a un material para determinar su homogeneidad y calidad sin alterar ninguna de sus propiedades físicas o químicas. Las composiciones magnéticas se emplean, en el caso de los imanes de ferritas blandas, en transformadores, motores eléctricos y sensores de temperatura; si se habla de ferritas duras entonces poseen infinidad de usos, desde piezas para un sencillo juguete a una complicada escobilla de un motor eléctrico.

No es posible finalizar la enumeración de aplicaciones sin nombrar a los semiconductores cerámicos, estudiados en este mismo departamento por Amador Caballero, que bajo determinadas condiciones permiten el paso de la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica de estos materiales suele variar cuando los atraviesa algún gas, por eso son muy utilizados, por ejemplo, para detectar fugas. Por otro lado, los superconductores son eficaces en la generación de altos campos magnéticos y se incluyen, por ejemplo, en componentes de microondas.

 

Tendencias

Las principales tendencias en cerá- mica técnica para el futuro continuarán siendo la investigación y desarrollo de nuevos materiales para conseguir cada vez mejores piezas que puedan tener un servicio en nuevos campos. Fabricar una cerámica de extrema dureza no es un proceso barato ni, desde luego, sencillo, sin embargo, merece la pena seguir invirtiendo en esta área debido a la gran cantidad de aplicaciones útiles que tiene.

No es extraño que, por esta razón, el procesamiento de la cerámica técnica, tanto en laboratorios como en la industria, sea uno de los grandes desafíos de la ingeniería en la actualidad. El desarrollo de la industria y el constante estudio de nuevos materiales en todos los ámbitos plantean la posibilidad de que la cerámica técnica sea sustituida por otro tipo de productos.

Daniel Fernández Hevia, director técnico de la empresa Inael, cree que “en el contexto de sistemas de aislamiento eléctrico, por ejemplo, los elastómeros de silicona han desplazado exitosamente a la cerámica. Pero en las aplicaciones electrónicas de los materiales cerámicos, no veo que las revoluciones tecnológicas a corto y medio plazo pasen por su sustitución por materiales poliméricos”.

Los expertos en este sector creen que será en electrocerámica y en biocerámica donde se lleven a cabo más investigaciones en el futuro. José Francisco Fernández Loza no estima que “uno de los aspectos en los que más hay que incidir es en la combinación de diferentes funciones en un solo material, por ejemplo, acoplamiento de ciertas utilidades ópticas, eléctricas y magnéticas que permitan integrar diferentes dispositivos en sistemas miniaturizados. Estos avances vendrán dados en función de desarrollos en nanotecnología que ofrecerán nuevas posibilidades no exploradas hasta ahora”.

 

Cerámica técnica

Es previsible que surjan nuevas empresas tecnológicas a causa del gran interés que suscitan los proyectos en los que se está trabajando en los laboratorios. Fernández Lozano considera que el gran déficit del sector español es la cerámica técnica y que “para liderar esta tendencia es necesaria una apuesta sólida, tanto desde la Administración como desde el sector industrial, con el fin de crear nuevos conocimientos que se puedan aplicar al sector industrial”.

El mercado de materiales electrocerámicos seguirá una línea similar al resto, experimentando con novedosas sustancias y tratando de trabajar con métodos de producción más rentables, eficientes y que tengan un desarrollo sostenible. Uno de los ejes principales en la creación de materiales es la integración de éstos en mecanismos más complejos que permitan concebir sistemas inteligentes.

Por un lado, la miniaturización y, por otro, las superficies e interfases, son las áreas con más posibilidades para la obtención de nuevos elementos. La tendencia a disminuir el tamaño y la búsqueda de nuevas funciones continuará marcando el futuro de este sector, intensamente atraído por el abanico de posibilidades que brinda el “nanomundo”.

 

Ejemplos prácticos

Para paliar este déficit, desde el CSIC proseguirán investigando y apoyando a las compañías que fabrican esta clase de materiales especiales. Hace unos años ayudaron a Vicar –una empresa familiar de pastas cerámicas para artesanos– a transformarse en una importante productora de cerámica técnica.

De hecho, actualmente el 90% de la producción de la firma se destina a este campo. Inael es otra de las compañías que ayudaron a crecer, y en estos momentos en su planta de Toledo poseen un volumen de producción que alcanza las 1.200 t anuales de productos cerámicos. En 2007 fueron galardonados con el premio Iberdrola al Proveedor del Año. De esta forma, se reconoce su trabajo y se elogia la estrecha colabora ción que mantienen con universidades y centros de investigación.

Daniel Fernández Hevia, director técnico de la compañía, pone el énfasis en su producción de varistores –semiconductores basados en óxido de zinc– que se utilizan para la protección contra sobretensiones en todo tipo de redes eléctricas, desde circuitos de microelectrónica (como los que se pueden encontrar en un teléfono móvil), que funcionan a 1 ó 2 V, hasta circuitos de salida de subestaciones de gran potencia, con líneas eléctricas que alcanzan los 800 kV. Durante una tormenta, los circuitos de una típica pantalla de plasma doméstica pueden destrozarse por sobretensiones de un 20-30% sostenidas durante menos de una milésima de segundo.

 

En la Vanguardia

Las últimas innovaciones en el sector son, según la opinión de este experto, los varistores basados en óxidos distintos al de zinc, utilización de vidrios libres de plomo y, sobre todo, “la mejora de las prestaciones eléctricas de los dispositivos, lo cual se traduce en los márgenesde protección cada vez mayores que demanda el mercado debido a la extrema sensibilidad de muchos equipos, tanto domésticos como industriales”, precisa Fernández Hevia.

En la actualidad, la empresa está inmersa en la investigación de materiales novedosos, ya sea por su composición química o por sus ciclos de proceso. El objetivo es mantener la calidad del producto tratando de abaratar los costes para hacer frente a la dura competencia que viene de otros países que ofrecen precios muy bajos.

Nuestra única forma de competir es ir diez pasos por delante, tecnológicamente hablando, y desarrollar productos con formulaciones más económicas, y también menos costosas, así como procesos más eficientes, más rentables y, a la vez, más respetuosos con el medio ambiente”, concluye Hevia.

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COMPLEJO PROCESO DE FABRICACIÓN

Las cerámicas industriales o técnicas requieren una tecnología de fabricación mucho más compleja que las normales. A grandes rasgos, se establecen cuatro pasos en el proceso: Procesado de polvos Los polvos, que tienen que ser químicamente puros y de granulado fino, se mezclan con distintos aditivos dependiendo de las aplicaciones finales que vaya a tener el producto.

Conformado Aunque se trata de un proceso bastante más complejo, se puede definir como una operación de prensado en seco de los polvos. Se distingue entre el prensado uniaxial, que consiste en la aplicación de presión en una única dirección, y el prensado isostático, que introduce los polvos en un molde de goma o látex aplicándoles presión mediante un líquido que puede ser agua o aceite.

Densificación Cuando la pieza está conformada, se procede a su inmediata cocción en el horno. Es en este momento cuando se eliminan los aditivos orgánicos que se emplearon para su procesado. La temperatura, que puede alcanzar hasta 1.800 ºC, hace posible la sinterización –proceso tecnológico destinado a convertir polvos fundidos en sólidos–, alcanzando una elevada densidad. Los mecanismos de densificación siempre llevan asociados reacciones que dan lugar a la estructura y microestructura final del material cerámico.

Acabado Se efectúa una inspección final del producto en la que se hace un control dimensional y un análisis de la microestructura del material. En el caso de materiales cerá- micos para electrónica, el 100% de las piezas se evalúa para asegurar un producto con las características esperadas.

 

MATERIAS PRIMAS CON PODEROSAS PROPIEDADES

A la cerámica utilizada en diferentes procesos de producción se la denomina técnica o avanzada. Sus componentes se suelen obtener de materias primas tales como los óxidos metálicos (alúmina o circona, por ejemplo), que son sometidos a distintos procesos técnicos hasta alcanzar la composición deseada.

Algunos de estos elementos son el nitruro de silicio, usado como polvo abrasivo; el óxido de zinc, que se emplea como semiconductor; la esteatita, que funciona como aislante eléctrico; o el óxido de uranio, que sirve de combustible en reactores nucleares.

 

Características similares

Dependiendo del proceso de transformación aplicado, los usos del material varían mucho, aunque los resultados obtenidos suelen tener las mismas características: estabilidad a altas temperaturas; extrema dureza (la más estudiada de todas ellas); elevada resistencia a la corrosión; fuerte aguante al vacío; importante estabilidad en atmósfera oxidante y una gran vida útil.

El hecho de que las materias primas de la cerámica se obtengan de la naturaleza, hace que estos componentes resulten más baratos que otros más especiales y costosos como el cobalto o el cromo.

 

Ellos eligen la cerámica

Son muchos los sectores de la industria que utilizan la cerámica, bien para fabricar sus productos o bien porque trabajan con elementos y herramientas que la contienen. A continuación se citan alguno de los muchos que existen.

Automovilístico

• Sensores de motor

• Bujías

• Convertidores catalíticos Sanitario

• Marcapasos

• Implantes óseos

• Dentaduras

• Ecógrafos Espacial y aeronáutico

• Ventanas de transbordadores espaciales

• Lentes de telescopio

• Turbinas de aviones Eléctrico

• Pararrayos

• Aislantes

• Lámparas Electrónico

• Ordenadores

• Televisores

• Teléfonos móviles

• Radios

• Micrófonos

• Detectores sónar.