Los materiales cerámicos han recorrido un largo camino desde que se construyeron los primeros objetos de alfarería hace algunos miles de años. En aquella época la alfarería ayudó a desarrollar la agricultura debido a que se requerían recipientes fuertes para transportar y almacenar granos, frutas y raíces. Hoy en día los materiales cerámicos encuentran todo tipo de aplicaciones; los escultores, cirujanos, diseñadores de computadoras e ingenieros, con frecuencia utilizan cerámicas en una u otra forma.

Los objetos de cerámica como las vajillas, los jarrones chinos y los azulejos, generalmente se hacen moldeando arcilla en la forma deseada y luego calentándola a temperaturas altas. De hecho, la palabra cerámica proviene del vocablo griego keramos que significa "materiales calcinados". Muchos materiales de construcción como los ladrillos, el concreto y el vidrio, también son considerados cerámicas. En los últimos cincuenta años se han desarrollado otras cerámicas nuevas, incluyendo el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tung
steno.

Todos estos materiales comparten algunas propiedades físicas y químicas importantes: son duros y quebradizos, malos conductores del calor y la electricidad, soportan altas temperaturas y son resistentes al ataque químico de ácidos y bases fuertes. Estas propiedades forman la base de la definición de un material cerámico.


Dureza y resistencia. El secreto químico

Las propiedades de las cerámicas son el resultado de su composición y estructura química. Muchas cerámicas son óxidos metálicos y puesto que ya se encuentran oxidados, existen pocas posibilidades que experimenten nuevas reacciones químicas. Esto significa que ellas son capaces de sobrevivir en ambientes corrosivos. Los átomos que las constituyen están ligados estrechamente entre sí mediante fuertes enlaces, formando estructuras tridimensionales gigantes, de manera que el material puede resistir altas temperaturas sin derretirse ni disociarse. Las cerámicas han sido utilizadas por mucho tiempo en la producción de metales como por ejemplo, en forma de ladrillos para construir el interior de hornos y de las plantas de fundición. Debido a su alta resistencia al calor intenso, estos materiales se denominan refractantes.

La construcción de un material de cerámica involucra un proceso antiguo y simple de dos etapas: primero, se moldea la arcilla en la forma deseada y luego se calienta en un horno de secado hasta una temperatura de varios cientos de grados. La arcilla es un material que se encuentra constituido naturalmente por granos finos de sedimentos provenientes de la erosión de las rocas, con una composición y estructura compleja y variable. La porcelana china es una de las más simples, puesto que está compuesta por cristales finos y aplanados de silicato de aluminio hidratado, A12Si2O5(OH)4. En estos cristales los átomos están ligados fuertemente entre sí, formando láminas entre las cuales sólo existen enlaces débiles de manera que pueden deslizarse unas sobre otras. Cuando estas láminas se encuentran rodeadas por una capa delgada de agua pueden deslizarse mucho mas fácilmente, por lo que la arcilla húmeda se puede moldear sin dificultad para obtener la forma requerida. Cuando la arcilla se deja secar se remueven estas capas de agua y el objeto mantiene su forma.

La mayor parte de las arcillas son mucho más complejas que la china. Ellas están formadas por diferentes minerales (principalmente silicatos de aluminio y potasio) y con frecuencia se mezclan entre sí para obtener un producto final deseado.

Para conseguir un objeto durable de arcilla, éste se debe calentar. A las altas temperaturas de los hornos de secado (unos 1.000 °C), cualquier remanente de agua en torno a los cristales se evapora. Más aún, el agua se pierde como grupos hidroxilos (OH) los cuales se descomponen fuera de la estructura cristalina. A estas temperaturas, el silicio se funde y fluye dentro del material. Como resultado de la tensión superficial, estos líquidos se reúnen entre medio de los cristales que permanecen sólidos. Cuando el objeto se enfría, estos líquidos se solidifican formando puentes vítreos entre los cristales, uniendo el material entre sí y aumentando su dureza notablemente. En la porcelana china el resultado es una cerámica constituida por cristales de silicato de aluminio (3AI203.2SiO2), enlazados por silicato vítreo. Este proceso une físicamente a los cristales, debido a que se funden unos contra otros formando un tipo de unión conocida como incrustación.

La densidad de un objeto de cerámica aumenta durante la incrustación cuando el silicato líquido llena los poros que existen dentro de la arcilla. Cualquier poro que permanezca debilitará el producto final; en el transcurso de los años los alfareros han desarrollado diversos aditivos para reducir las porosidades. Por ejemplo el hueso chino, una porcelana de baja porosidad, se hace incorporando cenizas de huesos (principalmente fosfato de calcio), feldespato de potasio (silicatos de aluminio y potasio) y cuarzo en la arcilla china. Los defectos, como pequeñas trizaduras o partículas de impurezas, debilitan el producto por lo cual se deben usar materias primas de alta pureza.

Si bien las cerámicas se deben producir moldeándolas y calentándolas, se han desarrollado otras técnicas, llamadas ingeniería de cerámicas, para poder construir cerámicas de alta calidad con propiedades controlables. Los materiales como las alúminas (óxido de aluminio, AIO3), a menudo se obtienen con la técnica de presión caliente. En ésta el polvo se deposita en un recipiente o molde con la forma deseada. Luego, se calienta y simultáneamente se comprime hasta una presión elevada. Si bien el polvo no se derrite, en estas condiciones los átomos son lo suficientemente móviles para difundir a través de las superficies de los granos y formar puentes entre ellos. Los granos quedan unidos entre sí y los poros entre ellos se llenan, produciendo un objeto cerámico denso con muy pocos defectos.

El nitruro de silicio (Si3N4) es una cerámica extremadamente fuerte que se crea mediante enlaces de reacción. En este caso el material que forma el objeto final se produce mediante reacciones químicas durante su manufactura. El polvo de partículas de silicio puro se moldea en la forma deseada. Luego, éste se calienta en una atmósfera de nitrógeno que genera reacciones químicas entre el polvo y el gas. El nitruro de silicio ocupa más espacio que el silicio original y por lo tanto, los poros entre los granos se llenan. Las dimensiones y formas del objeto creado mediante enlaces de reacción cambian ligeramente durante el proceso. Esta es una gran ventaja ya que permite usar el nitruro de silicio para construir piezas con tolerancias muy altas sin necesidad de pulirlas y ajustarlas al finalizar el proceso.

En una cerámica los átomos se encuentran unidos entre sí formando estructuras gigantescas, mediante una mezcla de enlaces covalentes (en los cuales los electrones son compartidos entre dos átomos vecinos) e iónicos (en los cuales los electrones son transferidos de un átomo a otro). Si la cerámica es un óxido la mayoría de sus enlaces son iónicos mientras que en las cerámicas de carburo y nitruro, la mayor parte de los enlaces son covalentes. Para mover un átomo o ión desde una posición a otra se requiere romper y rehacer fuertes enlaces direccionales, lo que necesita de fuerzas elevadas. Así, las cerámicas son materiales resistentes y rígidos. Uno de los primeros científicos que estudió la resistencia de los enlaces en las cerámicas fue el físico alemán Max Born. El demostró que la dureza y la resistencia al ataque químico de las cerámicas se deben al empaquetamiento denso de sus átomos.


Fracturas quebradizas. Grieta fatal.

En contraste con las cerámicas, los metales consisten en un arreglo regular de átomos empaquetados estrechamente en un mar de electrones libres. A diferencia de los enlaces covalentes, no existen electrones específicos compartidos entre los átomos; por el contrario, los electrones son libres de vagar a través del metal. Ya que estos enlaces no son direccionales como los iónicos y covalentes, es relativamente fácil para un plano de átomos deslizarse sobre otro, por lo que los metales son flexibles o dúctiles.

Las consecuencias de estos diferentes tipos de enlaces se ven si se compara lo que sucede cuando un metal y una cerámica son sometidos a esfuerzos y se miden sus deformaciones. Al graficar la extensión en función del esfuerzo, una cerámica típica muestra una clara respuesta lineal con una mayor rigidez que la del metal (se dice que tiene un Módulo de Young mayor que el del metal (ver Figura 2). Esto es una medida de la rigidez elástica del material. Más allá de un cierto punto, llamado límite elástico aparente, el metal se deforma significativamente ante una pequeña variación del esfuerzo aplicado y queda deformado permanentemente cuando el esfuerzo deja de actuar. Por otro lado, cuando las cerámicas alcanzan una cierta intensidad con el esfuerzo aplicado, éstas se rompen súbitamente con un resultado catastrófico, análogo al de un vidrio cuando se quiebra; este evento súbito se conoce como fractura de quiebre.

La resistencia de un material se representa a través del esfuerzo máximo que puede soportar sin romperse o deformarse. Aquí las cerámicas se comportan bien comparadas con los metales. Sin embargo muchas cerámicas son decepcionantemente débiles con respecto a los esfuerzos teóricos o ideales, calculados a partir de las fuerzas entre los enlaces interatómicos. Los valores teóricos pueden ser diez o más veces mayores que los medidos experimentalmente. Los científicos de los materiales que buscan producir cerámicas más duras están realizando un gran esfuerzo para entender por qué sucede esto.

Las cerámicas pueden resistir una alta carga que tienda a comprimirlas; esta resistencia a la compresión hace que los ladrillos y el concreto sean materiales de construcción muy utilizados. Las construcciones de ladrillo pueden ser de varios pisos pero su altura máxima está limitada por la resistencia a la compresión de los ladrillos (las capas más bajas de ladrillos deben soportar el peso de todos los de arriba). Por otra parte, las cerámicas son mucho más débiles a la extensión, fracturándose ante esfuerzos extensores que resistirían bajo compresiones.

Pequeñas grietas en las estructuras de las cerámicas son el origen de sus debilidades ante las tensiones. Estas grietas fueron investigadas por primera vez por Alan Griffith, cuando trabajaba en los establecimientos de la Fuerza Aérea Británica durante la década de 1920. En un estudio de varillas y fibras de vidrio, él comprobó que las fibras más delgadas que 10 micrómetros (10 millonésimas de metro) eran mucho más fuertes (para su espesor) que las varillas. Cuando él examinó la superficie de las varillas, descubrió que éstas estaban cubiertas por miles de trizaduras microscópicas. Griffith demostró que estas resquebraduras pueden resultar del daño mecánico o químico de la superficie y que el vidrio recién preparado tiende a ser más fuerte que el que lleva horas o días preparado. También, las resquebraduras se pueden producir cuando el material se calienta o enfría rápidamente. En efecto, la superficie se expande o contrae más rápido que el interior del material, lo que produce esfuerzos y pequeñas trizaduras en la superficie. Estas trizaduras de Griffith eran la clave de la debilidad del vidrio.

La extensión de una varilla de vidrio tiende a empujar la superficie de la trizadura, abriéndola (Figura 3). La tensión se concentra en la punta de la trizadura y cuando las fuerzas en los extremos de la varilla aumentan, las tensiones crecen hasta que son lo suficientemente altas como para comenzar a romper los enlaces entre los átomos del material. En ese instante la trizadura puede continuar propagándose a través del vidrio y la varilla se rompe en una fracción de segundo. Cuando una fractura comienza a propasarse en la superficie lisa del vidrio, no hay nada que la detenga. Griffith demostró que las fracturas más pequeñas necesitan de tensiones más grandes para que se propaguen. Las fibras delgadas son más fuertes simplemente por que las trizaduras en sus superficies son más pequeñas.


Reduciendo lo quebradizo. Controlando las trizaduras.

En contraste, las fuerzas compresoras tienden a cerrar las trizaduras evitando que se extiendan. Los esfuerzos compresores en las cerámicas están limitados sólo por los enlaces interatómicos y no por las trizaduras de las superficies.

Diversas técnicas han sido desarrolladas para reducir los efectos de las trizaduras superficiales en las cerámicas. Así, el vidrio se puede hacer más resistente mediante endurecimiento térmico, el cual se emplea a menudo para reforzar el vidrio parabrisas de los vehículos. Cuando el vidrio se enfría, ráfagas de aire helado inciden sobre él de modo que las capas superficiales se solidifican rápidamente, tan aprisa que no deja tiempo para que los átomos se arreglen. El interior del vidrio se enfría más lentamente, los átomos son capaces de cambiar sus posiciones y el material del interior puede contraerse más que en la superficie. En consecuencia, la superficie queda expandida artificialmente y los átomos del interior la tiran hacia ellos, cerrando cualquier resquebradura microscópica de la superficie.

Una segunda técnica usada con el vidrio es el endurecimiento químico en el cual un objeto como por ejemplo una botella o un jarro, se deposita en una solución caliente de iones. Los iones grandes de la solución como el Na+ reemplazan en la superficie del vidrio a los iones más pequeños como el Li+, dando como resultado una capa superficial que no puede contraerse tanto como el interior cuando el vidrio se enfría. Así, la superficie queda en compresión y el vidrio no se quiebra a menos que se apliquen fuerzas extensoras suficientemente altas como para sobrepasar la compresión.

Los artefactos de vidrio endurecido han hecho mucho más fácil el almacenamiento y el transporte de sustancias tales como la leche, la cerveza y el aceite. Las láminas de vidrio endurecida son mucho más seguras que las de vidrio tradicional. Las cerámicas tradicionales también se pueden endurecer cubriéndolas con un material vítreo antes de cocerlas. Cuando se enfrían, el material que cubre la cerámica forma una capa vítrea que se expande menos que el material del interior, lo que somete a la superficie de la cerámica a un esfuerzo compresivo que cierra cualquier resquebradura e incrementa la resistencia del objeto por lo menos al triple.

El concreto pre-tensionado, reforzado con alambres de metal, es utilizado ampliamente en edificios y puentes. Los alambres se mantienen tensos mientras el concreto se solidifica. Una vez que el concreto se ha solidificado se liberan las tensiones de los alambres, lo que hace que éstos tiren el concreto hacia el interior, comprimiéndolo y cerrando cualquier resquebradura superficial.

Los materiales modernos se han desarrollado para mejorar algunas propiedades de las cerámicas. A menudo éstos son químicamente más simples que la arcilla tradicional, por lo que sus estructuras son más fáciles de controlar y muchos de los problemas asociados con las resquebraduras y las no uniformidades pueden ser sobrellevados mediante procedimientos cuidadosos.

Muchas cerámicas muestran una excelente resistencia a elongar. Este fenómeno ocurre cuando un material se expande gradualmente después de un período de tiempo sometido a tensiones extensoras. Por ejemplo, un laminado de plomo en el techo de una iglesia elonga lentamente hacia el suelo debido a su propio peso. Los metales son particularmente propensos a elongar cuando su ductilidad crece al aumentar la temperatura y sus átomos se pueden deslizar unos sobre otros. En las cerámicas, donde los átomos están fuertemente ligados entre sí mediante enlaces direccionales resistentes, el movimiento de un átomo sobre otro es mucho más difícil.

En los motores de turbinas, las aspas de los rotores giran a alta velocidad y operan a temperaturas cercanas a los 1.000°C. Si las aspas se hicieran de metal, su elongación llegaría a ser un gran problema y sería necesario mantener la temperatura de operación baja para prevenirlo. Sin embargo cuando la temperatura de un motor se eleva, éste consume menos combustible y se hace más eficiente. Se han desarrollado aspas de cerámica que permiten elevar la temperatura de operación de los motores en 300°C o más, elevando la eficiencia de los motores por lo menos al doble. Un material apropiado para esto es el nitruro de silicio, que tiene un bajo factor de elongación y una alta resistencia a los golpes de temperatura, es decir, puede soportar cambios rápidos de temperatura. Muchos materiales cerámicos se rompen cuando se calientan o enfrían súbitamente, debido a que sus superficies se expanden o contraen más rápido que sus interiores (puesto que son malos conductores del calor). Esto origina fuertes esfuerzos. Estos efectos no constituyen un problema en el nitruro de silicio debido a que su expansión térmica es muy pequeña. Muchos vehículos que se producen comercialmente en la actualidad cuentan con motores diesel con componentes cerámicos. Un beneficio adicional es que el motor resulta más liviano, lo que hace más eficiente el uso del combustible.


Las cerámicas al trabajo. Labores duras

Las propiedades mecánicas de las cerámicas modernas hacen que sean muy utilizadas como bio-materiales, reemplazando directamente materiales en nuestros cuerpos como por ejemplo los huesos. La extrema dureza del carburo de silicio lo hace apropiado para prótesis de caderas, así como otros materiales cerámicos se emplean para las dentaduras. Nuevamente, la baja densidad y la alta resistencia al uso de estos materiales los hacen muy útiles. También, es posible controlar las porosidades de las cerámicas durante el proceso de incrustación, variando la temperatura y la presión. En la actualidad los implantes de huesos artificiales se hacen deliberadamente porosos, de manera que durante la regeneración de los huesos del paciente éstos crezcan y se unan a los implantes cerámicos.

Las cerámicas son a menudo incorporadas en los materiales compuestos (combinaciones de dos o más materiales), los cuales son diseñados para tener mejores propiedades mecánicas que los componentes por separado (Figura 4). Debido a su resistencia, las fibras cerámicas se usan frecuentemente para fabricar materiales compuestos. Usualmente se agregan fibras de vidrio a matrices de resinas de polímeros; este material compuesto es ampliamente usado en barcos y caravanas, y se conoce como plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP, Glass Fibre Reinforced Plastic). Las fibras de cerámica también pueden ser insertadas en matrices de metal (compuestos de matrices metálicas) o en otras cerámicas para aplicaciones con mayores requerimientos. Recientemente se han desarrollado materiales en los cuales dos cerámicas cristalinas se interpenetran entre sí. Se ha encontrado que estos materiales son fuertes y dúctiles a temperaturas muy altas. Esto sugiere que tales materiales podrían ser moldeados en piezas útiles manteniendo su resistencia, lo que trae buenos augurios para su uso en aplicaciones de ingeniería avanzada como por ejemplo en los motores de los jets.

Muchas cerámicas tienen propiedades eléctricas interesantes. Los semiconductores, que son el corazón de la industria microelectrónica moderna son cerámicas. También lo es el titanato de bario, un material que tiene uno de los valores más altos conocidos de permitividad eléctrica, la cual es una medida de cuán bueno es el material para transmitir un campo eléctrico. La alta permitividad eléctrica del titanato de bario lo hace muy apropiado como capa aisladora dentro de componentes electrónicos tales como los condensadores. Estos elementos requieren de capas aislantes de alta permisividad eléctrica para poder ser miniaturizados y empleados por ejemplo, en computadores de bajo peso.

Algunas sustancias como el titanato de zirconato de plomo (PZT), son materiales piezoeléctricos. Estos pueden convertir directamente la electricidad en movimiento y viceversa. Al comprimir o extender un material piezoeléctrico se generan pequeños voltajes a través del cristal; debido a ello, con frecuencia se emplean estos materiales en sistemas de ignición de gases. En efecto, al comprimir un material piezoeléctrico el voltaje generado produce una chispa que inflama el gas. Los materiales plezoeléctricos también se pueden usar como sensores para detectar vibraciones y/o movimientos como por ejemplo, cuando se rompe el vidrio de una ventana. Así, las vibraciones causadas en el cristal por un intruso producen voltajes que varían rápidamente a través del material, las cuales se pueden amplificar para activar una alarma. Ya que los sistemas piezoeléctricos pueden operar en reversa (un voltaje variable aplicado a través del material lo hace vibrar), éstos se utilizan para construir parlantes y audífonos pequeños.

Los nuevos superconductores de alta temperatura son cerámicos. Los superconductores pierden completamente su resistencia eléctrica bajo una cierta temperatura crítica, la cual es hasta ahora demasiado baja para que los materiales tengan algún uso práctico. Las cerámicas superconductoras podrían un día operar a temperaturas cercanas al ambiente y permitir a los ingenieros eléctricos mejorar la eficiencia de los motores y transformadores o incluso, diseñar instrumentos completamente nuevos.

Las cerámicas avanzadas de la actualidad parecen no tener relación con los fragmentos de las antiguas alfarerías que se observan en los museos. No obstante, su química básica es la misma; al mejorarles algunas características los investigadores han desarrollado nuevos tipos de cerámicas, más duras y resistentes, para ser usadas en aplicaciones de mayores requerimientos.