Refractarios.leccion2.PROPIEDADES.estructurales.fisiCAS.presentacion.2011.2012
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MUCHAS DE LAS APLICACIONES DE LAS CERÁMICAS SE BASAN EN SUS PROPIEDADES FÍSICAS Y TÉRMICAS ÚNICAS. POR EJEMPLO, LAS PLACAS DE PROTECCIÓN TÉRMICA DEL TRANSBORDADOR ESPACIAL REQUIEREN LAS SIGUIENTES CARACTERISTICAS: -PESO ULTRALIGERO -RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS -RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO ELEVADA - CONDUCCIÓN DE CALOR BAJA LA DENSIDAD Y LA TEMPERATURA DE FUSION SON PROPIEDADES FÍSICAS IMPORTANTES. LA CONDUCCIÓN DE CALOR ES UNA CARACTERÍSTICA TERMICA Y LA RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO ES UNA COMBINACIÓN DE PROPIEDAD TÉRMICA Y MECÁNICA PROPIEDADES FÍSICAS Ceramic Tiles The space shuttle is covered with approximately 24,000 ceramic tiles made from a silica fiber compound.
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MUCHAS DE LAS APLICACIONES DE LAS CERÁMICAS SE BASAN EN SUS
PROPIEDADES FÍSICAS Y TÉRMICAS ÚNICAS.
POR EJEMPLO, LAS PLACAS DE PROTECCIÓN TÉRMICA DEL TRANSBORDADOR
ESPACIAL REQUIEREN LAS SIGUIENTES CARACTERISTICAS:
-PESO ULTRALIGERO
-RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS
-RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO ELEVADA
- CONDUCCIÓN DE CALOR BAJA
LA DENSIDAD Y LA
TEMPERATURA DE
FUSION SON
PROPIEDADES FÍSICAS
IMPORTANTES. LA
CONDUCCIÓN DE CALOR
ES UNA CARACTERÍSTICA
TERMICA Y LA
RESISTENCIA AL CHOQUE
TÉRMICO ES UNA
COMBINACIÓN DE
PROPIEDAD TÉRMICA Y
MECÁNICA
PROPIEDADES FÍSICAS
Ceramic Tiles
The space shuttle is covered with approximately 24,000 ceramic
tiles made from a silica fiber compound.
UN ENFOQUE EMPLEA
MATERIALES ABLATIVOS QUE
DISIPAN EL CALOR, PERO QUE
SE VAN CONSUMIENDO
DESPACIO Y DEBEN SER
SUSTITUIDOS DESPUÉS DE
CADA MISIÓN.
EL OTRO ENFOQUE USA
MATERIALES QUE PUEDEN
SOPORTAR LAS
TEMPERATURAS GENERADAS
DURANTE LA REENTRADA Y
QUE SE UTILIZAN EN UNA
NUEVA MISION
ESTE SEGUNDO ENFOQUE ES
EL QUE FUE SELECCIONADO
PARA LA PROTECCIÓN DEL
TRANSBORDADOR ESPACIAL.
CUANDO UN VEHÍCULO COMO EL TRANSBORDADOR ESPACIAL ENTRA DE NUEVO EN LA
ATMÓSFERA, SE PUEDEN ALCANZAR TEMPERATURAS SUPERFICIALES HASTA DE 1650
°C (~3000 °F) DEBIDO A LA FRICCIÓN
DOS ENFOQUES DISTINTOS
DE DISEÑO HAN SIDO
USADOS CON EL FIN DE
PROTEGER SUPERFICIES DE
ENTRADA CRÍTICAS.
Distribución de
temperaturas
aproximada que debe
soportar el
transbordador durante
la subida y la reentrada
en la atmosfera.
Nariz del
transbordador.
© CSM 2000 Figure 7
Coated LI-900 Tile Cross-Section
0.33 mm
(0.013 in.)
160 X
Magnification
Rigidized Fiberous Silica
(144 Kg/m3 or 9 lb/ft3 )
Dense Silica Coating
(1600 Kg/m3 or 100 lb/ft3)
• Emittance Control
• Mechanical Protection
of Base Material
• Waterproofness
Purpose: InsulationPurpose:
© CSM 2000 Figure 6
Rigidized Silica Fiberous Insulation
Silica fibers magnified
hundreds of times
White hot at 2300 °F (1260 °C), the
glow from a cube of LI-900 held in
bare hand provides the only light
in this photo, taken 10 seconds
after removal from the oven.
© CSM 2000 Figure 20
Tiles During
Installation
on the Space
Shuttle
Note grouping of
tiles by array
E1.- COMPOSICIÓN QUÍMICA.
E2.- COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. GRADO DE VITRIFICACIÓN.
E3.- TAMAÑO DE LOS CRISTALES.
E4.- POROSIDAD Y DENSIDAD. TAMAÑO Y TIPO DE POROS.
E5.- PERMEABILIDAD (AL AIRE, GASES O VAPORES).
A.- CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS
B.- CARACTERISTICAS OPERATIVAS
B1.- MECANICAS
OM1.- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN FRÍO.
OM2.- RESISTENCIA A LA FLEXIÓN EN FRÍO. MÓDULO DE DEFORMACIÓN.
OM3.- RESISTENCIA AL DESGASTE.
OM4.-RESISTENCIA A LA ABRASIÓN.
B2.- MECANICO –TERMICAS
OMT1.- REFRACTARIEDAD BAJO CARGA (TA), REBLANDECIMIENTO BAJO
CARGA A TEMPERATURA CRECIENTE.
OMT2.- FLUENCIA BAJO PRESIÓN (REBLANDECIMIENTO BAJO CARGA A
TEMPERATURA CONSTANTE, DURANTE UN LARGO PERÍODO DE TIEMPO).
OMT3.- RESISTENCIA A LA FLEXIÓN EN CALIENTE (MOR).
.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS
B.- CARACTERISTICAS OPERATIVAS
B3.- TERMICAS
OT1.- REFRACTARIEDAD (RESISTENCIA PIROSCÓPICA, CPE).
OT2.- DILATACIÓN TÉRMICA.
OT3.- MODIFICACIÓN PERMANENTE DE LA LONGITUD (DEFORMACIÓN
PERMANENTE).
OT4.- CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
OT4.- CALOR ESPECIFICO.
OT5.- RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO.
B4.- QUIMICAS
OQ1.- RESISTENCIA A ESCORIAS, METALES FUNDIDOS.
OQ2.-RESISTENCIA A GASES Y VAPORES.
OQ3.- RESISTENCIA A LOS ÁCIDOS.
OQ4.- RESISTENCIA A LA HIDRATACIÓN.
DENTRO DE LAS PROPIEDADES LAS HAY FUNDAMENTALES Y
SIMULADAS.
SE DICE QUE UNA PROPIEDAD ES FUNDAMENTAL CUANDO ES
INTRÍNSECA AL MATERIAL (PROPIEDAD FÍSICO-QUÍMICA DEL
MISMO), POR EJEMPLO: COMPOSICIÓN QUÍMICA, DENSIDAD REAL,
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA, ETC
POR SU PARTE, UNA PROPIEDAD ES SIMULADA CUANDO PARA SU
DETERMINACIÓN SE SIMULA EN EL LABORATORIO UN ENSAYO
QUE SEA LO MÁS SEMEJANTE POSIBLE A LA CORRESPONDIENTE
CONDICIÓN O SOLICITACIÓN EN EL HORNO (MATERIAL
REFRACTARIO EN SERVICIO), POR EJEMPLO: RESISTENCIA AL
ATAQUE POR ESCORIAS, CHOQUE TÉRMICO, REFRACTARIEDAD
BAJO CARGA, ETC.
COMPOSICIÓN QUÍMICA
LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE UN MATERIAL REFRACTARIO SIRVE PARA HACER SU
CLASIFICACIÓN Y DETERMINAR SU CARÁCTER QUÍMICO, SIENDO DE GRAN
IMPORTANCIA PARA DECIR CUAL SERÁ SU RESISTENCIA A LOS ATAQUES POR
ESCORIAS, VIDRIO FUNDIDO, GASES Y VAPORES, ETC.
CLASIFICACIÓN DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS FRENTE A REACCIONES DE CONTACTO.
ADEMÁS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS CON
LAS SUSTANCIAS EXISTENTES EN LA ATMÓSFERA DEL HORNO O CON LOS
MATERIALES A PROCESAR Y SUS PRODUCTOS DE REACCIÓN (ESCORIAS, METALES
FUNDIDOS, VIDRIO, ETC.), SE PRODUCEN REACCIONES EN EL CONTACTO DE
LADRILLOS REFRACTARIOS DE DISTINTA COMPOSICIÓN, EN UNA PARED DE UN
HORNO TRABAJANDO A TEMPERATURAS ALTAS. SE DEBERÁN TENER
ESPECIALMENTE EN CUENTA A TEMPERATURAS DE UTILIZACIÓN DE HORNOS POR
ENCIMA DE 1600 °C, SI NO SE QUIEREN SORPRESAS DESAGRADABLES.
LOS LADRILLOS DE CADA GRUPO MONTADOS ENTRE SÍ PUEDEN SOPORTAR UNA
TEMPERATURA DE 1600 °C Y MÁS SIN QUE SE LLEGUEN A PRODUCIR REACCIONES
DE CONTACTO SIGNIFICATIVAS. SIN EMBARGO, ES IMPOSIBLE CARGAR A ALTAS
TEMPERATURAS LADRILLOS DEL GRUPO ÁCIDO CON LOS DEL BÁSICO SIN QUE SE
PRODUZCAN DESTRUCCIONES POR REACCIONES DE CONTACTO.
COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. GRADO DE VITRIFICACIÓN
EL COMPORTAMIENTO DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS DE UNA
MISMA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEPENDE DE LAS MATERIAS PRIMAS
UTILIZADAS Y DE LAS REACCIONES QUE SE HAYAN PRODUCIDO
DURANTE EL PROCESO DE COCCIÓN, ES DECIR DE LOS COMPUESTOS
FINALMENTE PRESENTES EN EL MATERIAL REFRACTARIO.
A LA VISTA DEL ANÁLISIS MINERALÓGICO, SE PUEDE RESPONDER A LOS
INTERROGANTES PLANTEADOS A LA VISTA DE LOS RESULTADOS DEL
ANÁLISIS QUÍMICO DEL MATERIAL REFRACTARIO. ASÍ, PARA UN
REFRACTARIO SILICO-ALUMINOSO, SE PUEDE RESPONDER A LOS
SIGUIENTES INTERROGANTES:
1.- ¿QUÉ PROPORCIÓN DE SiO2 SE ENCUENTRA LIBRE?.
2.- ¿BAJO QUE FORMA CRISTALINA (CUARZO, TRIDIMITA, CRISTOBALITA)
SE ENCUENTRA EL SiO2 LIBRE?.
3.-¿QUÉ PARTE DEL SiO2 SE ENCUENTRA EN LA MATERIA AMORFA
INTERGRANULAR (CONSTITUYENTE MATRIZ)?.
COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. GRADO DE VITRIFICACIÓN
EL COMPORTAMIENTO DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS DE UNA
MISMA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEPENDE DE LAS MATERIAS PRIMAS
UTILIZADAS Y DE LAS REACCIONES QUE SE HAYAN PRODUCIDO
DURANTE EL PROCESO DE COCCIÓN, ES DECIR DE LOS COMPUESTOS
FINALMENTE PRESENTES EN EL MATERIAL REFRACTARIO.
A LA VISTA DEL ANÁLISIS MINERALÓGICO, SE PUEDE RESPONDER A LOS
INTERROGANTES PLANTEADOS A LA VISTA DE LOS RESULTADOS DEL
ANÁLISIS QUÍMICO DEL MATERIAL REFRACTARIO. ASÍ, PARA UN
REFRACTARIO SILICO-ALUMINOSO, SE PUEDE RESPONDER A LOS
SIGUIENTES INTERROGANTES:
1.- ¿QUÉ PROPORCIÓN DE SiO2 SE ENCUENTRA LIBRE?.
2.- ¿BAJO QUE FORMA CRISTALINA (CUARZO, TRIDIMITA, CRISTOBALITA)
SE ENCUENTRA EL SiO2 LIBRE?.
3.-¿QUÉ PARTE DEL SiO2 SE ENCUENTRA EN LA MATERIA AMORFA
INTERGRANULAR (CONSTITUYENTE MATRIZ)?.
La cantidad de fase con estructura no cristalina (Fase vítrea), o lo que es lo
mismo el grado de vitrificación es difícil de determinar, pudiendo
detectarse su presencia mediante la difracción de Rayos X , pues en el
difractograma debe de aparecer una banda difusa debida a la fase vítrea
Difractograma con
una banda difusa.
EL GRADO DE VITRIFICACIÓN TIENE SU IMPORTANCIA, YA QUE LA FASE
VÍTREA ES MUCHO MÁS VULNERABLE, POR LO GENERAL, AL ATAQUE
DE ESCORIAS QUE EL FIELTRO DE CRISTALES BIEN ENTRELAZADOS.
ASÍ MISMO, EL AUMENTO DEL GRADO DE VITRIFICACIÓN PRODUCE UNA
DISMINUCIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA Y DE LA
REFRACTARIEDAD
LA EXTENSIÓN DEL GRADO DE VITRIFICACIÓN SE PUEDE REDUCIR
MEDIANTE UN RECOCIDO A ALTA TEMPERATURA. SIN EMBARGO, ESTE
TRATAMIENTO INFLUYE DESFAVORABLEMENTE SOBRE LA
RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO (LO QUE NO QUIERE DECIR QUE
UNA ALTA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SUPONGA SIEMPRE UNA
BAJA RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO).
TAMAÑO DE LOS CRISTALES
LOS AGREGADOS DE PEQUEÑOS CRISTALES PUEDEN
DISOLVERSE Y TRANSFORMARSE POR INFILTRACIÓN DE
SUBSTANCIAS MÁS RÁPIDAMENTE QUE UNA ESTRUCTURA
CRISTALINA GRUESA (GRANDES CRISTALES).
La densidad de un material se define como la masa del
mismo por unidad de volumen, es decir: M
V
.
Varios factores influyen en la
densidad:
- Tamaño y peso atómico de
los elementos
-Factor de empaquetamiento
de los átomos en la estructura
cristalina
- Cantidad de porosidad en la
microestructura.
DENSIDADES. POROSIDADES. COMPACIDAD
El término densidad puede usarse de varios modos, cada uno de
ellos con un significado diferente. Para estar seguro del significado
correcto, tenemos que usar palabras para diferenciarlas:
DENSIDAD CRISTALOGRAFICA: ES LA DENSIDAD IDEAL DE UNA
ESTRUCTURA CRISTALINA ESPECÍFICA DETERMINADA A PARTIR DE DATOS
DE COMPOSICIÓN QUÍMICA Y DE DATOS DEL ESPACIADO INTERATÓMICO
OBTENIDOS POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X.
DENSIDAD TEÓRICA O REAL: LA DENSIDAD DE UN MATERIAL QUE CONTIENE
UNA POROSIDAD MICROESTRUCTURAL NULA, TENIENDO EN CUENTA LAS
FASES MÚLTIPLES, LOS DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA Y LAS SOLUCIONES
SÓLIDAS).
DENSIDAD GLOBAL: LA DENSIDAD DE UNA PIEZA CERÁMICA, INCLUYENDO
TODA LA POROSIDAD, LOS DEFECTOS DE RED Y LAS DISTINTAS FASES).
DENSIDAD ESPECÍFICA: LA DENSIDAD DE UN MATERIAL EN RELACIÓN CON
LA DENSIDAD DE UN VOLUMEN IGUAL DE AGUA A 4 °C (POR LO GENERAL,
BASADA EN LA DENSIDAD CRISTALOGRAFICA O TEÓRICA). ASÍ, UN
MATERIAL CON UNA DENSIDAD ESPECÍFICA DE 4.5 TIENE UNA DENSIDAD 4.5
VECES LA DENSIDAD DEL AGUA A 4° C. ASIMISMO, UN VOLUMEN IGUAL
PESA 4.5 VECES QUE EL DE AGUA.
ESTRUCTURA DE LA FLUORITA
31 0.225
2
i
s
r
r
Cúbica Tetragonal Monoclínica
O = 16, Zr = 91.22, Si = 28, MZrO2 = 123.22 , MZrSiO4 =183.22
Celda unidad circón
Factor de empaquetamiento = 34 % DIAMANTE GRAFITO
LA POROSIDAD DE UN MATERIAL CONFORMADO INCIDE DIRECTAMENTE EN SU
RESISTENCIA MECÁNICA (QUE DISMINUYE AL AUMENTAR LA POROSIDAD).
OTRAS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES COMO EL COMPORTAMIENTO FRENTE AL
ATAQUE QUÍMICO, LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y LA RESISTENCIA AL CHOQUE
TÉRMICO, QUEDAN TAMBIÉN INFLUENCIADAS POR EL TAMAÑO, FORMA, NÚMERO Y
DISTRIBUCIÓN DE LOS POROS.
LA POROSIDAD PUEDE PERMITIR LA PERMEABILIDAD A GASES O LÍQUIDOS, CAMBIAR
LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS O COMPROMETER EL COMPORTAMIENTO ÓPTICO.
POROSIDAD. COMPACIDAD
20 1 1.9 0.9E E P P
LA INFLUENCIA DE LA POROSIDAD EN LA RESISTENCIA ES MUCHO MÁS
DRAMÁTICA, POR EJEMPLO, NO ES RARO QUE UN 10 % DE POROSIDAD
DISMINUYA EL MÓDULO DE ROTURA EN UN 50 % DEL VALOR MEDIDO
PARA EL MATERIAL NO POROSO.
LA POROSIDAD ES DESFAVORABLE PARA LA RESISTENCIA A LA
FRACTURA (O MÓDULO DE ROTURA) POR DOS RAZONES:
(1).- LOS POROS REDUCEN EL ÁREA DE LA SECCIÓN A TRAVÉS DE
LA CUAL SE APLICA LA CARGA
(2).- ACTÚAN COMO CONCENTRADORES DE TENSIÓN: EN EL
CASO DE UN PORO ESFÉRICO LA TENSIÓN ES AMPLIFICADA EN
UN FACTOR 3.
AGUJERO ELIPTICO
EN UNA PLACA PLANA
21A
a
b
La relación A/ se define como el factor de
concentración de tensiones, kt, Cuando a = b, el
agujero es circular y en este caso kt = 3
Cuando el eje mayor a, aumenta respecto a b, el
agujero elíptico comienza a tener la apariencia de una
grieta aguda. Para este caso, Inglis encontró más
conveniente la expresión siguiente:
1 2A
a
2A
a
Si a » b
2b
a
Fórmula de Balshin:
01
100
n
tP
0
ng
r
Fórmula de Ryshkevich:
0exp
mfnP
0 (Módulo de rotura del material no poroso) y
n son constantes experimentales.
DISTINTOS VOLÚMENES QUE PRESENTA UN MATERIAL
ap m pcV V V
VOLUMEN TOTAL
VOLUMEN APARENTE
m pc paTV V V V
SATURACIÓN DE LA PROBETA POR INMERSIÓN PROGRESIVA EN
AGUA A EBULLICIÓN
Se introduce la probeta en un
recipiente de manera que no
quede tocando el fondo del
mismo y se añade agua
destilada que se halle a la
temperatura ambiente, hasta que
cubra aproximadamente
1
4
Se continua añadiendo agua cada media hora hasta que al cabo de dos horas
se encuentre completamente sumergida. A continuación, se hierve durante
dos horas, reponiendo el agua evaporada con agua destilada hervida y
caliente, de tal modo que la probeta esté, durante las dos horas, totalmente
cubierta. Se deja enfriar dentro del agua hasta que alcance la temperatura
ambiente.
de su altura y se comienza a calentar
INSTALACIÓN DE VACÍO PARA
LA DETERMINACIÓN DE LA
DENSIDAD APARENTE Y
POROSIDAD ABIERTA
Se hace el vacío hasta que se alcance una
presión, constante de 25 mbar y se mantiene
esta presión durante 15 minutos como
mínimo Para comprobar que se ha
conseguido la desgasificación total de la
probeta, se desconecta el recipiente de la
bomba de vacío y se comprueba, mediante
el manómetro que no aumenta la presión en
el interior. Se vuelve a conectar el recipiente
a la bomba de vacío y se introduce
progresivamente el líquido de inmersión, de
forma que, al cabo de 3 minutos la probeta
esté totalmente recubierta de líquido. Se
mantiene esta presión reducida durante 30
minutos , se desconecta la bomba y se
abre el recipiente.
YA SE PUEDE CALCULAR LA DENSIDAD GLOBAL, LA
DENSIDAD APARENTE Y LA POROSIDAD ABIERTA, ASI
COMO LA CAPACIDAD DE ABSORCIÓN
ELIMINACIÓN DE LOS
POROS CERRADOS
POR PULVERIZACIÓN
CÁLCULO DE LA DENSIDAD
REAL POR EL MÉTODO DEL
PICNÓMETRO
1
1 2 3
r l
m m
m m m m
CÁLCULO DE LA DENSIDAD REAL POR EL MÉTODO
DEL MATRAZ DE REES – HUGIL
(MÉTODO DEL VOLUMENÓMETRO)
EL LÍQUIDO UTILIZADO DEBE
DE SER DE BAJA
VOLATILIDAD Y VISCOSIDAD,
CON EL FIN DE QUE NO
MODIFIQUE LA PESADA EN EL
TIEMPO Y PARA QUE SE
INTRODUZCA CON FACILIDAD
EN LOS HUECOS QUE
EXISTEN ENTRE LAS
PARTÍCULAS DEL POLVO.
ifr
if
m m
V V
DENSIDAD REAL O TEORICA.
PARA MUCHAS APLICACIONES, ES DESEABLE PRODUCIR UN MATERIAL
CERÁMICO QUE CONTENGA UNA POROSIDAD ABIERTA Y CERRADA
MÍNIMA. SI LA CERÁMICA PUDIESE DENSIFICARSE COMPLETAMENTE PARA
NO CONTENER NINGUNA POROSIDAD ABIERTA Y/O CERRADA, CONSISTIRÍA
SÓLO EN UNA MEZCLA DE FASES SÓLIDAS. ESTA CONDICIÓN DEL
MATERIAL LIBRE DE POROS REPRESENTARÍA LA DENSIDAD GLOBAL
MÁXIMA QUE SE PUEDE LOGRAR PARA LA COMPOSICIÓN ESPECÍFICA Y SE
DENOMINA COMO DENSIDAD TEÓRICA O REAL
LA DENSIDAD TEÓRICA A MENUDO SE USA COMO UN ESTÁNDAR FRENTE
AL CUAL COMPARAR LA DENSIDAD GLOBAL ACTUAL ALCANZADA PARA
UN MATERIAL. POR EJEMPLO, SI UN MATERIAL TIENE UNA POROSIDAD
TOTAL DEL 10 %, TENDRÍA UNA DENSIDAD IGUAL AL 90 % DE LA TEÓRICA.
LA DENSIDAD TEÓRICA PUEDE SER CALCULADA SI SE CONOCEN LA
DENSIDAD CRISTALOGRÁFICA Y LA FRACCIÓN DE VOLUMEN DE CADA UNA
DE LAS FASES SÓLIDAS QUE COMPONEN LA MICROESTRUCTURA.
EN FUNCIÓN DE LA IMPORTANCIA FUNCIONAL DE LOS POROS, AL FILTRAR
LÍQUIDOS (GASES) A TRAVÉS DE LOS PRODUCTOS REFRACTARIOS, ENTRE
LOS POROS ABIERTOS SE ENCUENTRAN POROS IMPERMEABLES (CIEGOS) Y
PERMEABLES.
LA RESISTENCIA DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS QUE TRABAJAN EN
LAS CONDICIONES DE LA ACCIÓN DE LAS MASAS FUNDIDAS SE ELEVA
CONSIDERABLEMENTE AL DISMINUIR SU POROSIDAD. NO OBSTANTE, SE
CONOCEN CASOS EN LOS QUE PRODUCTOS CERÁMICOS DE IGUAL
COMPOSICIÓN QUÍMICO-MINERALÓGICA Y DE IGUAL POROSIDAD ABIERTA, Y
EN CONDICIONES APROXIMADAMENTE IGUALES, SE COMPORTAN DE DISTINTA
MANERA.
TAMAÑO Y TIPO DE POROS.
Resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula en un líquido.
Fuerzas que experimenta una molécula del líquido en las
proximidades de la pared de un recipiente
FC
ESQUEMA MOSTRANDO LA INTRUSIÓN DE MERCURIO EN UN PORO DE
DIÁMETRO 2R. DEBIDO A LAS FUERZAS DE COHESIÓN ENTRE EL LIQUIDO Y LA
PARED, LA FORMA DE LA SUPERFICIE DEL LIQUIDO TIENE UN ÁNGULO DE
CONTACTO CARACTERISTICO
La ecuación de Washburn nos indica que a presiones bajas el mercurio penetra o es forzado
a penetrar en los poros grandes (diámetros grandes) y el cambio de volumen suele ser
pequeño y a presiones altas en los pequeños (diámetros pequeños) y el cambio de volumen
es mayor. Por tanto, es posible determinar el radio de los poros usando dicha ecuación
conociendo la presión a la cual el mercurio comienza a penetrar en los poros. El grado de
intrusión del mercurio depende de la presión aplicada, el diámetro del poro, la tensión
superficial y el ángulo de contacto.
4 cosd
p
Después de que se alcanza un nivel de vacío bajo (~ 3 kPa) con objeto de desgasificar la
muestra, la celda del penetrómetro se va llenando con mercurio al ir incrementando la
presión de forma continua. Cuando el valor de la presión va aumentando, el mercurio va
penetrando en poros cada vez más pequeños y más pequeños y el equipo mide el volumen
intruido por medio de los cambios en el nivel del mercurio.
4 cosi
i
dp
Si tiene lugar una variación en el nivel del mercurio cuando la presión aumenta desde el
valor pi-1 a pi se entiende que es una indicación de que existen en la muestra poros con un
diámetro:
Es importante señalar que la variación en el nivel del mercurio es proporcional al número
de poros existentes en la muestra con dicho diámetro. Por tanto, la presión con la cual el
mercurio penetra en la muestra determina el diámetro del poro y el incremento de volumen
introducido la cantidad relativa de poros con dicho diámetro. La gráfica representando el
volumen incremental de mercurio introducido en función del diámetro de poro nos da un
método conveniente para determinar el tamaño de los poros y su distribución.
En la práctica, el volumen de mercurio
introducido en el interior de los poros
se determina por la variación del nivel
de mercurio en un tubo (penetrometro)
conectado al equipo de medida y que
contiene a la muestra objeto de medida.
La figura representa un esquema del
penetrometro.
En los poros en forma de
matraz o con una cámara
al final, el porosímetro nos
mide el radio de acceso al
poro y no el radio de la
cámara final.
La figura muestra un ejemplo del empleo de la porosimetría de mercurio para estudiar la fabricación
del nitruro de silicio consolidado por reacción, el cual se fabrica del modo siguiente:
(1).- Formación de un compacto de partículas de silicio.
(2).- Presinterización del compacto en vacío a 1200 °C (2190 °F) para alcanzar la resistencia adecuada
para el mecanizado en verde
(3).- Conversión lenta de las partículas de silicio a nitruro de silicio por reacción con el nitrógeno a
temperaturas de hasta 1400 °C (2550 °F).
El material debe permanecer permeable al gas nitrógeno para permitir la conversión completa del silicio
a nitruro de silicio, teniendo presente que el objetivo es reducir al mínimo el tamaño y la cantidad de
porosidad final para maximizar la resistencia mecanica y a la oxidación.
La porosimetría de mercurio se usa en
cada etapa del proceso de fabricación
para ayudar a entender los cambios que
ocurren en la cantidad y en el tamaño
de los poros. Como puede verse en la
figura, la porosidad es alta en el
compacto de partículas silicio realizado
por prensado en un molde y en gran
parte esta justamente por debajo del
valor de 0.1 µm para el diámetro de
canal de poro.
La presinterización aumenta
ligeramente el diámetro del canal de
poro, mientras que la nitruración causa
una gran disminución en la cantidad de
poros y en el diámetro del canal de los
poros.
DK A P
QL
P D fK K
P
f
K A PQ
L
Aparato para determinar el coeficiente de permeabilidad
Volumen V
QTiempo t
f
P
LVK
At P
LEY DE DARCY
981
VL
PtS
CÁLCULO DE LOS RESULTADOS
en la cual:
μ permeabilidad, en permes.
V = volumen de aire, en centímetros cúbicos
L = longitud de la probeta, en centímetros
= viscosidad dinámica del aire, en poises
ΔP = presión diferencial, en centímetros de columna de agua
t = tiempo, en segundos
S = sección de la probeta, en centímetros cuadrados.
