Revisión: Métodos de densificación de materiales cerámicos

Review: Densification process of ceramic materials

Contenido principal del artículo

Isabel Cristina Minota-Yepes
Román Álvarez-Roca
Fernando Andrés Londoño-Badillo

Resumen

Las cerámicas han tenido un papel muy importante en el desarrollo tecnológico y socioeconómico de la humanidad, a tal punto que pueden ser utilizadas para identificar diferentes periodos históricos de la humanidad. Babilonios, griegos, andaluces, entre otras culturas han utilizado la cerámica y desarrollado diversos métodos para mejorar los productos obtenidos a partir de la alfarería. En general, las cerámicas pueden ser divididas en dos grandes áreas, cerámicas tradicionales y cerámicas estructurales. Las cerámicas fabricadas con arcillas, Cerámicas Tradicionales, actualmente son estudiadas en el mejoramiento de materiales estructurales, abrasivos, cementos, refractarios, entre otros. Por otro lado, las cerámicas desarrolladas como consecuencia de las nuevas tecnologías y la explotación de recursos naturales, Cerámicas Estructurales, son de gran interés para la ciencia de los materiales cerámicos debido al desarrollo de cerámicas con propiedades que logran incorporar atributos de diversos materiales en un único material, además de contribuir con el estudio fenomenológico a nivel científico. Avances en los procesos de densificación y dopaje de estos materiales han permitido obtener cerámicas con alta resistencia mecánica, alta dureza, elevada resistencia al desgaste y a la corrosión, buena estabilidad química y térmica; características que han influido directamente en el tipo de aplicaciones como: chalecos antibalas, blindajes transparentes, aislantes eléctricos de alta temperatura, dispositivos superconductores, materiales electrónicos entre otras aplicaciones. Para que las propiedades sean óptimas se manipula la microestructura del material por medio de los parámetros de densificación los cuales caracterizan cada uno de los métodos, densificación convencional, densificación por impulsos de plasma y densificación por prensado en caliente. Este trabajo pretende establecer una relación entre los diferentes métodos y la influencia de estos en los materiales cerámicos, resaltando semejanzas, eficiencia, vigencia, sus posibles y futuras aplicaciones, ventajas y desventajas de cada método

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Biografía del autor/a (VER)

Isabel Cristina Minota-Yepes, Universidad de Antioquia

Física

Román Álvarez-Roca, Universidade Federal de São Carlos

Doutor

Fernando Andrés Londoño-Badillo, Universidad de Antioquia

Postdoc in Transparent Materials

Referencias (VER)

J. Schwartz and G. A. Merritt, “Proof of principle experiments for react wind sinter manufacturing of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x magnets,” Supercond. Sci. Technol., vol. 20, no. 10, pp. L59–L62, 2007.

B. P. Zhang, J. F. Li, K. Wang, and H. Zhang, “Compositional dependence of piezoelectric properties in Na xK 1-xNbO 3 lead-free ceramics prepared by spark plasma sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 89, no. 5, pp. 1605–1609, 2006.

T. N. & M. N. Yasuyoshi Saito, Hisaaki Takao, Toshihiko Tani, Tatsuhiko Nonoyama, Kazumasa Takatori, Takahiko Homma, “Lead-free piezoceramics,” Phys. Status Solidi B, vol. 432, no. November, pp. 1–4, 2004.

G. S. Snow, “Improvements in Atmosphere Sintering of Transparent PLZT Ceramics,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 56, no. 9, pp. 479–480, 1973.

H. Maiwa, “Dielectric and Electromechanical Properties of (K,Na)NbO 3 Ceramics Prepared by Hot Isostatic Pressing,” Ferroelectrics, vol. 491, no. 1, pp. 71–78, 2016.

R. R. Menezesa, P. M. Soutob, and R. H. G. A. Kiminamib, “Microwave fast sintering of submicrometer alumina,” Mater. Res., vol. 13, no. 3, pp. 345–350, 2010.

X. Zhu, Piezoelectric ceramics material: processing, properties, charaterization and aplications., no. March. 2017.

A. S. S. De Camargo et al., “Infrared to visible frequency upconversion temperature sensor based on Er3+-doped PLZT transparent ceramics,” Solid State Commun., vol. 137, no. 1–2, pp. 1–5, 2006.

A. SUÁREZ, M. Durruthy-Rodríguez, D. MAYOR, A. Aulet, and C. BELLO, INFLUENCIA DEL DOPAJE SIMULTANEO CON La Y Nb EN LA SINTERIZACION DE CERAMICAS PIEZOELECTRICAS PZT 54/46, vol. 19, no. January. 2002.

K. Uchino, Future of Ferroelectric Devices, 2nd ed. 2009.

S. COHEN, “Novel VOAs provide more speed and utility,” Laser Focus world, vol. 36, no. 11, pp. 139–146, 2000.

S. Cohen and P. Melman, “New breakthrough design for VOAs based on electro-optic materials.”

H. Jiang et al., “Transparent electro-optic ceramics and devices,” Proc. SPIE, vol. 5644, no. 1, p. 380, 2005.

J. Y. Cheng and Q. Chen, “An ultrafast phase modulator for 3D imaging,” Sensors, Cameras, Syst. Sci. Appl. VII, vol. 6068, p. 60680L, 2006.

R. German, Sintering: From Empirical Observations to Scientific Principles. 2014.

C. Huerta, M. Vilafranca, and P. U. Jaume, “CERÁMICA: ORIGEN, EVOLUCIÓN Y TÉCNICAS,” 2007.

C. Huerta, M. Vilafranca, and P. U. Jaume, Cerámica: origen, evolución y técnicas., 1st ed. Castellon de la plana, 2007.

Y. Gong, Z.-G. Liu, Y.-J. Jin, J.-H. Ouyang, L. Chen, and Y.-J. Wang, “Effect of sintering process on the microstructure and ionic conductivity of Li7–xLa3Zr2–xTaxO12 ceramics,” Ceram. Int., vol. 45, no. 15, pp. 18439–18444, Oct. 2019.

L. Ouyang, W. Wang, H. Fan, Z. Weng, W. Wang, and H. Xue, “Sintering behavior and microwave performance of CaSiO3 ceramics doped with BaCu(B2O5) for LTCC applications,” Ceram. Int., vol. 45, no. 15, pp. 18937–18942, Oct. 2019.

H.-M. Kim, Y.-W. Kim, and K.-Y. Lim, “Pressureless sintered silicon carbide matrix with a new quaternary additive for fully ceramic microencapsulated fuels,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 39, no. 14, pp. 3971–3980, Nov. 2019.

E. de A. Francisco Alcántara, “Cerámica.” [Online]. Available: http://ceramica.name/tecnologia_ceramica/ceramica/Ceramica.html. [Accessed: 11-Mar-2018].

N. Shanbhog, V. K., A. N., and S. R. Bakshi, “Effect of graphene nano-platelet addition on the microstructure and spark plasma sintering kinetics of zirconium diboride,” Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 84, p. 104979, Nov. 2019.

S. F. Wang et al., “Transparent ceramics: Processing, materials and applications,” Prog. Solid State Chem., vol. 41, no. 1–2, pp. 20–54, 2013.

M. H. Bocanegra-Bernal, “Hot isostatic pressing (HIP) technology and its applications to metals and ceramics,” J. Mater. Sci., vol. 39, no. 21, pp. 6399–6420, 2004.

S.-F. Liu, I. R. Abothu, and S. Komarneni, “PLZT ceramics prepared from conventional and microwave hydrothermal powders,” Mater. Lett., vol. 38, no. October 2014, pp. 344–350, 1999.

G. H. Haertling, “Ferroelectric ceramics: History and technology,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 82, no. 4, pp. 797–818, 1999.

L. A. Celi, A. C. Caballero, M. Villegas, P. Durán, C. Moure, and J. F. Fernández, “Cerámica y Vidrio Microestructura y propiedades de materiales cerámicos PZT con control de crecimiento de grano,” vol. 491, pp. 487–491, 1999.

B. Malič et al., “Sintering of lead-free piezoelectric sodium potassium niobate ceramics,” Materials (Basel)., vol. 8, no. 12, pp. 8117–8146, 2015.

G. S. Snow, “Fabrication of Transparent Electrooptic PLZT Ceramics by Atmosphere Sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 56, no. 2, pp. 91–96, 1973.

F. A. Londoño, J. A. Eiras, and D. Garcia, “Optical and electro-optical properties of (Pb,La)TiO3 transparent ceramics,” Opt. Mater. (Amst)., vol. 34, no. 8, pp. 1310–1313, 2012.

D. Garcia, “Síntese e caracterizacao de ceramicas ferroelectricas transparentes do sistema (Pb,La)(Zr,Ti)O3,” universidade de Sao Paulo, 1995.

K. R. Carroll, J. M. Pond, D. B. Chrisey, J. S. Horwitz, R. E. Leuchtner, and K. S. Grabowski, “Microwave measurement of the dielectric constant of Sr 0.5 Ba 0.5 TiO 3 ferroelectric thin films,” Appl. Phys. Lett., vol. 62, no. 15, pp. 1845–1847, 1993.

Y. Zhen, J. F. Li, K. Wang, Y. Yan, and L. Yu, “Spark plasma sintering of Li/Ta-modified (K,Na)NbO 3 lead-free piezoelectric ceramics: Post-annealing temperature effect on phase structure, electrical properties and grain growth behavior,” Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol., vol. 176, no. 14, pp. 1110–1114, 2011.

R. Chaim, M. Kalina, and J. Z. Shen, “Transparent yttrium aluminum garnet (YAG) ceramics by spark plasma sintering,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 27, no. 11, pp. 3331–3337, 2007.

L. Wen, X. Sun, Z. Xiu, S. Chen, and C. T. Tsai, “Synthesis of nanocrystalline yttria powder and fabrication of transparent YAG ceramics,” J. Eur. Ceram. Soc., vol. 24, no. 9, pp. 2681–2688, 2004.

M. Hoch and K. M. Nair, “Densification characteristics of ultrafine powders,” Ceramurg. Int., vol. 2, no. 2, pp. 88–97, 1976.

X. F. Wang, H. M. Xiang, X. Sun, J. C. Liu, F. Hou, and Y. C. Zhou, “Porous YbB6 Ceramics Prepared by in Situ Reaction between Yb2O3 and B4C Combined with Partial Sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 98, no. 7, pp. 2234–2239, 2015.

V. G. Lee and T. H. Yeh, “Sintering effects on the development of mechanical properties of fired clay ceramics,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 485, no. 1–2, pp. 5–13, 2008.

X. Kuang, G. Carotenuto, and L. Nicolais, “A review of ceramic sintering and suggestions on reducing sintering temperatures,” Adv. Perform. Mater., vol. 4, no. 3, pp. 257–274, 1997.

C. Baudin and J. S. Moya, “Sinterizacion en estado solido,” Boletín la Soc. Española Ceram. y Vidr., vol. 22, pp. 133–142, 1983.

A. Herabut and A. Safari, “Processing and Electromechanical Properties of (Bi0.5Na0.5)(1-1.5x)LaxTiO3 ceramics,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 80, pp. 2954–2958, 1997.

A. Ikesue and Y. L. Aung, “Ceramic laser materials,” Nat. Photonics, vol. 2, no. 12, pp. 721–727, 2008.

J. Schwartz and G. A. Merritt, “Proof-of-principle experiments for react–wind–sinter manufacturing of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x magnets,” Supercond. Sci. Technol., vol. 20, no. 10, pp. L59–L62, 2007.

J. D. S. AMADO, P. Y. M. VILLAFRADES, and E. M. C. TUTA, “Caracterización De Arcillas Y Preparación De Pastas Cerámicas Para La Fabricación De Tejas Y Ladrillos En La Región De Barichara, Santander,” Dyna, vol. 78, no. 167, pp. 50–58, 2011.

J. A. Muñoz Chaves, R. A. Muñoz Menese, P. Mancill, and J. E. Rodríguez Páez, “Estudio del procesamiento cerámico de las arcillas de la vereda ‘ La Codicia ’ ( Guapi , Colombia ) para potencializar su uso en la elaboración de piezas cerámicas,” Fac. Ing. Univ. Antioquia., vol. 42, pp. 68–78, 2007.

X.-F. Wang, H.-M. Xiang, X. Sun, J.-C. Liu, F. Hou, and Y.-C. Zhou, “Porous YbB 6 Ceramics Prepared by In Situ Reaction between Yb 2 O 3 and B 4 C Combined with Partial Sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 2239, no. 36123, p. n/a-n/a, 2015.

A. Piras et al., “Structural and morphological investigation of ceria-promoted Al 2O3 under severe reducing/oxidizing conditions,” J. Phys. Chem. B, vol. 109, no. 22, pp. 11110–11118, 2005.

F. J. DELGADO GARCÍA, MENOCAL, J.A., MOREJÓN, L., MARTÍNEZ, S., GIL, “Cerámicas de circona para aplicaciones biomédicas,” BIomecanica, vol. 11, pp. 46–52, 2003.

A. SUÁREZ, M. Durruthy-Rodríguez, D. MAYOR, A. Aulet, and C. BELLO, INFLUENCIA DEL DOPAJE SIMULTANEO CON La Y Nb EN LA SINTERIZACION DE CERAMICAS PIEZOELECTRICAS PZT 54/46, vol. 19. 2002.

E. Bash, “Cerámicas: cocción,” PhD Propos., vol. 1, pp. 1–26, 2015.

E. Giraldo Tobón and P. Abad Mejía, “Obtención de precursores con tamaño de artícula nano y micrométrico para la fabricación de materiales cerámicos con propiedades eléctricas no lineales. (Spanish),” OBTAINING PRECURSORS WITH NANO MICROMETRIC Part. SIZE Synth. Ceram. Mater. WITH NONLINEAR Electr. Prop., pp. E15–E23, 2014.

M. Suárez, Matriales Cerámicos Policristalinos Al2O3 y YAG Con funcionalidad Óptica. 2009.

H. Lee, R. Freer, H. Lee, and R. Freer, “The mechanism of abnormal grain growth in Sr0 . 6Ba0 . 4Nb2O6 ceramics,” vol. 376, no. 1997, 2012.

T. Hiroshima, K. Tanaka, and T. Kimura, “Effects of microstructure and composition on the curie temperature of lead barium niobate solid solutions.” p. 79, 1996.

T. Takeuchi, M. Tabuchi, I. Kondoh, N. Tamari, and H. Kageyama, “Synthesis of Dense Lead Titanate Ceramics with Submicrometer Grains by Spark Plasma Sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 83, no. 3, pp. 541–544, 2000.

G. Zhang et al., “Large enhancement of the electrocaloric effect in PLZT ceramics prepared by hot-pressing,” APL Mater., vol. 4, no. 6, 2016.

R. E. JAEGER and L. EGERTON, “Hot Pressing of Potassium-Sodium Niobates,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 45, no. 5, pp. 209–213, 1962.

H. F. Alkali and N. Ceramics, “Properties of Hot-Pressed Ferroelectric Alkali Niobate Ceramics,” no. June, pp. 329–330, 1967.

J. F. Li, K. Wang, F. Y. Zhu, L. Q. Cheng, and F. Z. Yao, “(K, Na) NbO3-based lead-free piezoceramics: Fundamental aspects, processing technologies, and remaining challenges,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 96, no. 12, pp. 3677–3696, 2013.

M. P. Groover, Fundamentos de manufactura moderna, 3rd ed. México, 2007.

H. T. Larker, Hot Isostatic Pressing of Ceramics - an Overview. Elsevier Science B.V., 1994.

B. Nayebi, M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, and M. Shokouhimehr, “Temperature dependence of microstructure evolution during hot pressing of ZrB2–30vol.% SiC composites,” Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 54, pp. 7–13, 2016.

J. Jia et al., “B2 Grain Growth Behavior of a Ti-22Al-25Nb Alloy Fabricated by Hot Pressing Sintering,” J. Mater. Eng. Perform., 2018.

J. E. Burke and D. Turnbull, “Recrystallization and grain growth,” Prog. Met. Phys., vol. 3, pp. 220–292, 1952.

G. S. SNOW, “Fabrication of Transparent Electrooptic PLZT Ceramics by Atmosphere Sintering,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 56, no. 2, pp. 91–96, 1973.

Y. Abe, K. Kakegawa, H. Ushijima, Y. Watanabe, and Y. Sasaki, “Fabrication of Optically Transparent Lead Lanthanum Zirconate Titanate ((Pb,La)(Zr,Ti)O3) Ceramics by a Three-Stage-Atmosphere-Sintering Technique,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 85, no. 2, pp. 473–475, 2004.

R. Wang, R. Xie, T. Sekiya, and Y. Shimojo, “Fabrication and characterization of potassium – sodium niobate piezoelectric ceramics by spark-plasma-sintering method,” vol. 39, pp. 1709–1715, 2004.

Jing-Feng Li *, “Ferroelectric and piezoelectric properties of fine-grained na05k05nbo3 lead free piezoelectric ceramics prepared by spark plasma sintering,” vol. 709, pp. 706–709, 2006.

Á. C. Isabel, “COMPOSITES MULTIFUNCIONALES DE ALÚMINA SINTERIZADOS POR SPARK PLASMA SINTERING,” 2012.

Z. Shen, M. Johnsson, Z. Zhao, and M. Nygren, “Spark Plasma Sintering of Alumina,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 85, no. 8, pp. 1921–1927, 2002.

M. Gurbuz, O. May, and A. Do, “Sintering of 94Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 -6BaTiO 3 with SPS and conventional methods for crystal growth,” no. March, pp. 1–6, 2016.

E. Olevsky and L. Froyen, “Constitutive modeling of spark-plasma sintering of conductive materials,” Scr. Mater., vol. 55, no. 12, pp. 1175–1178, 2006.

Á. C. Isabel, “Composites multifuncionales de alúmina sinterizados por spark plasma sintering,” 2012.