Materiales cerámicos

Electrotenia. Porcelana electroténica. Loza. Propiedades eléctricas. Esteatita

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DEFINICIÓN Y PROPIEDADES GENERALES

Los materiales cerámicos están fabricados por productos inorgánicos (no contienen carbono) de alto punto de fusión.

En Electrotecnia se emplean los materiales cerámicos como aislantes, cuando son necesarias especiales condiciones de resistencia mecánica, de resistencia térmica, etc., junto con las cualidades específicamente dieléctricas. Todos los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia tienen una resistencia excepcional al calor, a los cambios de temperatura y a la humedad. No son atacados por los álcalis ni por los ácidos, aun en fuerte concentración, excepción hecha del ácido fluorhídrico.

Los cuerpos fundamentales que entran en la composición de los materiales cerámicos son, esencialmente:

  • Silicatos alumínicos (arcilla, caolín, etc.)

  • Silicatos magnésicos (talco)

  • A estos componentes fundamentales se añaden otros muchos constituyentes secundarios, entre ellos: el cuarzo, el feldespato, la alúmina, el carburo silícico, etc.

    CLASIFICACIÓN DEL OS MATERIALES CERÁMICOS

    Una primera clasificación parte de la permeabilidad de los materiales cerámico:

  • Materiales compactos.

  • Materiales porosos.

  • Una segunda clasificación es según su composición básica, los materiales cerámicos se dividen en cinco grandes grupos, que se definen a continuación.

    GRUPO I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio (arcilla, caolín, etc.), los más conocidos son la porcelana y la loza vidriada.

    GRUPO II. Comprende los materiales en cuya constitución entra en gran proporción, los silicatos magnésicos (talco), el más representativo es la esteatita.

    GRUPO III. En este grupo se incluyen los materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio (principalmente, óxidos y silicatos). Los más empleados son los que emplean el bióxido de titanio como material básico, y que se conocen con los nombres comerciales de Condensa, Kerafar, etc.

    GRUPO IV. En este grupo están incluidos los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas, de forma que el material acabado tiene un coeficiente de dilatación muy reducido. Se conocen con varios nombres comerciales, tales como Ardostam, Sipa, etc.

    GRUPO V. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo tienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o de silicatos de magnesio y se caracterizan, sobres todo, por su gran resistencia al calor. Se conocen con diversos nombres comerciales: Magnesolita, Termisol, Calodur, Morganita, etc.

    En nuestra explicación utilizaremos preferentemente la clasificación anterior.

    PORCELANA ELECTROTÉCNICA

    La porcelana electrotécnica es el más importante de los materiales cerámicos empleados en Electrotecnia. Los materiales básicos que la constituyen, son los siguientes:

  • el caolín o tierra de porcelana cuya composición corresponde a la siguiente fórmula:

  • Al2 O3 - 2 Si O2 - 2 H2 O

  • el cuarzo u óxido de silicio de fórmula:

  • Si O2

  • el feldespato, nombre genérico de un grupo de minerales petrogenétcos o formadores de rocas. Todos los feldespatos son silicatos anhídros de aluminio, con potasio, sodio y calcio. Su fórmula es la siguiente:

  • K2 O - Al2 O3 - 6 Si O2

    Los tres componentes citados se mezclan bien y se amasan con agua, quitando las impurezas. El agua se elimina mediante filtros-prensa. Antes de la cocción se le da la forma debida, mediante tres procedimientos distintos:

  • Moldeo por prensado. Se denomina también porcelana preparada por vía seca y se obtiene por moldeado, a presión, en moldes de acero, estando la porcelana reducida a polvo y ligeramente humedecida; con moldes apropiados pueden obtenerse piezas de forma muy variadas.

  • Con este procedimiento se consiguen piezas de dimensiones muy precisas.

  • Moldeo a torno, utilizado principalmente para aplicaciones en alta tensión: aisladores de apoyo y de cadena, pasamuros, pasatapas, etc. Se denomina también porcelana preparada por vía húmeda. Se elabora en formas y tamaños convenientes.

  • Moldeo por colada es decir, porcelanas preparadas por fusión.

  • Antes de su moldeado, la pasta se divide en bloques que corresponden aproximadamente al tamaño de la pieza terminada.

    Después de moldeadas, se secan las piezas y luego se cuecen, esmaltándolas después. El esmalte está constituido de la siguiente forma:

    79,1 % de óxido silícico (Si O2)

    13,4 % de óxido de aluminio (Al2 O3)

    4 % de óxido de calcio (Ca O)

    1,2% de óxido de magnesio (Mg O)

    1,4% de óxido de potasio (K2 O)

    Después del esmaltadas, se procede a la cocción definitiva, con lo que se forma un nuevo silicato, denominado silimanita, y cuya fórmula es:

    Al2 O3 - Si O2

    La composición aproximada de la porcelana electrotécnica para usos generales, es la siguiente:

    50 % de caolín

    25 % de cuarzo

    25 % de feldespato

    Esta porcelana, tiene unas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de tipo medio. Si se quieren fabricar porcelanas especiales en las que predominen una o más de estas propiedades, deben modificarse las proporciones de los componentes básicos según se expresa en la figura 1: el aumento de contenido de caolín aumenta la resistencia térmica de porcelana. De acuerdo con la figura 1 pueden obtenerse porcelanas de elevadas propiedades eléctricas y térmicas o eléctricas y mecánicas, pero no materiales con elevadas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas, simultáneamente. Por ejemplo una porcelana con la siguiente composición:

    55 % de caolín

    12 % de cuarzo

    33 % de feldespato

    Materiales cerámicos

    FIGURA 1

    Las propiedades generales de la porcelana electrotécnica son:

  • Excelentes características dieléctricas.

  • Gran resistencia mecánica a la compresión y a la flexión y buena resistencia a la tracción y a la torsión.

  • Impermeable al agua y a los gases

  • Inatacable por los álcalis y ácidos concentrados, excepto el ácido fluorhídrico.

  • Soporta perfectamente grandes cambios de temperatura y sus temperaturas máximas de servicio son muy elevadas.

  • Estas propiedades varían según la composición de la porcelana, tal como hemos visto anteriormente (ver figura 1). A continuación, se estudian los factores más importantes que influyen sobre las propiedades de este material.

    Materiales cerámicos

    FIGURA 2

    Materiales cerámicos

    FIGURA 3

    Materiales cerámicos

    FIGURA 4

    Materiales cerámicos

    FIGURA 5

    La resistencia mecánica disminuye con la sección. En las figuras 2 a 5 se muestran, respectivamente, las resistencias a la tracción, a la compresión, a la flexión y a la torsión de probetas macizas y lisas de porcelana dura cuidadosamente esmaltadas.

    La rigidez dieléctrica de la porcelana es elevada (de 34 a 38 KV/mm). Su valor depende, esencialmente, de estos tres factores;

  • Composición de la porcelana.

  • Espesor aislante.

  • Temperatura de funcionamiento.

  • En la figura 6 pueden apreciarse las tensiones de perforación en función del espesor de la capa aislante, la rigidez dieléctrica calculada de acuerdo con estos datos, es de 27 KV/mm.

    Materiales cerámicos

    FIGURAS 6 Y 7

    También la resistencia de volumen depende mucho de la temperatura, tal como puede deducirse del examen de la figura 7.

    Por otro lado, y tal cono se expresa en la figura 8, cuando la temperatura de servicio sobrepasa de los 70o C, la porcelana experimenta una gran disminución en su resistencia a la perforación eléctrica, independientemente del tipo de corriente (alterna, continua o pulsatoria).

    Materiales cerámicos

    FIGURA 8

    Materiales cerámicos

    FIGURA 9

    Materiales cerámicos

    FIGURA 10

    Finalmente, y en lo que se refiere al factor de pérdidas dieléctricas, se puede decir que el espesor del aislamiento influye muy poco sobre su valor (figura 9), mientras que, por el contrario, aumenta notablemente con la temperatura, tal como puede apreciarse en la figura 10.

    A continuación se exponen en una tabla las características más interesantes de los tres tipos de porcelana electrotécnica, es decir, por vía seca, por vía húmeda y por colada. Los datos expuestos en dicha tabla representan valores promedio y se han obtenido con probetas especiales preparadas al efecto; estos datos son variables y dependen de la composición, tamaño, procedimiento de fabricación, etc. por lo que solamente tienen un valor orientativo.

    CARACTERÍSTICAS DE LA PORCELANA ELECTROTÉCNICA

    Procedimiento de preparación

    Características

    Por vía seca

    Por vía húmeda

    Por colada

    Estructura

    Compacta

    Compacta

    Compacta

    Porosidad

    -

    0

    0

    Absorción de agua en 24h., en %

    0 ... 0,5

    0

    0

    Peso especifico en gr/cm3

    2,3 ... 2,5

    2,3 ... 2,5

    2,3 ... 2,5

    Resistencia a la tracción, en Kg/cm2 (con esmaltado)

    100 ...140

    300 - 500

    -

    Resistencia a la tracción, en Kg/cm2 (sin esmaltado )

    70 ... 140

    240 ... 300

    -

    Resistencia a la comprensión en Kg/cm2 (con esmaltado)

    3000 ... 4000

    4000 ... 5500

    4000 ... 5500

    Resistencia a la comprensión en Kg/cm2 (sin esmaltado)

    3000 ... 3500

    4000 ... 4500

    4000 ... 4500

    Resistencia a la flexión en Kg/cm2 (con esmaltado)

    600 ... 700

    900 ... 1000

    900 ... 1000

    Resistencia a la flexión en Kg/cm2 (sin esmaltado)

    300 ... 600

    400 ... 800

    400 ... 800

    Temperatura de reblandecimiento, en 0C

    " 1500

    " 1500

    " 1500

    Temperatura máxima de servicio, en 0C

    1000

    1000

    1000

    Resistencia a la llama

    Infusible

    Infusible

    Infusible

    Resistividad a 200C en ohmnios, cm2/cm

    Superior a 1014

    Superior a 1014

    Superior a 1014

    Rigidez dieléctrica, en KV/mm, a 50 Hz

    34 ... 38

    34 ... 38

    34 ... 38

    Rigidez dieléctrica, en KV/mm, a 1 MHz

    34 ... 38

    34 ... 38

    34 ... 38

    Constante dieléctrica , a 50 Hz

    5 ... 6,5

    5 ... 6,5

    5 ... 6,5

    Constante dieléctrica , a 1 MHz

    5 ... 6,5

    5 ... 6,5

    5 ... 6,5

    Factor de pérdidas (tg ),a 50 Hz

    0,017 ... 0,025

    0,017 ... 0,025

    0,017 ... 0,025

    Factor de pérdidas (tg )a 1MHz

    0,007 ... 0,012

    0,007 ... 0,012

    0,007 ... 0,012

    Resistencia a los agentes químicos

    Excepcional

    Excepcional

    Excepcional

    TABLA 1LOZA ELECTROTÉCNICA

    Su composición es muy parecida a la de la porcelana, excepto que, en lugar de caolín, se utiliza en su fabricación la arcilla cocida. Después de la cocción, puede esmaltarse exteriormente.

    La loza electrotécnica resiste muy bien los efectos químicos y soporta sin inconvenientes los cambios de temperatura, pero sus propiedades aislantes son inferiores a la de la porcelana.

    Sus ventajas están en su menor coste y en la posibilidad de conseguir piezas de mayor tamaño que con la porcelana.

    Generalmente, se emplean en baja tensión par la fabricación de placas de base y, en alta tensión como envolvente de protección en pasamuros al aire libre, en transformadores de media, etc. es decir, en los casos en que no existen elevadas solicitaciones eléctricas.

    ESTEATITA

    Esta constituida por talco o silicato magnésico natural principalmente. La fórmula aproximada del talco es:

    3 Mg O - 4 Si O2 - H2 O

    Al talco, y según las características que se pretendan alcanzar en los productos acabados, se añaden generalmente óxidos de magnesio, de hierro, de titanio, etc.

    Las propiedades eléctricas que se pretendan alcanzar en los productos acabados, se reduce la facilidad para la manipulación de la masa.

    Tiene el inconveniente de que no se deja esmaltar pues, a consecuencia de la diferencia de coeficiente de dilatación, el esmalte se resquebraja y termina desprendiéndose.

    La esteatita se emplea cuando los aisladores u otros objetos fabricados con este material, deban soportar grandes esfuerzos mecánicos, ya que sus resistencias a la tracción, a la comprensión y a la flexión tienen, aproximadamente, un valor doble a las correspondientes a la porcelana.

    El principal inconveniente de la esteatita es su alto coste, que limita su empleo a pequeñas piezas aislantes o a los casos en que se necesitan excepcionales condiciones de resistencia mecánica, bajo factor de pérdidas, etc.

    Algunas denominaciones comerciales: Isolantite, Lava, Lava Rock, Lavita, Al, Si, Mg, etc.

    En la tabla 2 se expresan las más interesantes características de dos tipos de esteatita denominados, respectivamente, normal y especial.

    CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA ESTEATITA

    Materiales cerámicos

    TABLA 2

    MATERIALES CERÁMICOS A BASE DE COMPUESTOS DE TITANIO

    Estos materiales cerámicos están incluidos en el Grupo III, citado anteriormente (Pág. 2). Se caracterizan sobre todo, por una constante dieléctrica elevada, unido aun pequeño factor de pérdidas dieléctricas, incluso a muy altas frecuencias, por lo que resultan muy adecuados para el aislamiento de condensadores, especialmente en frecuencias elevadas.

    El principal constituyente de este grupo es el óxido de titanio. Pero, debido a su elevado precio y difícil obtención, el óxido de titanio puro solamente se emplea en casos muy especiales. Normalmente, se utilizan compuestos cerámicos cuyo componente básico es el óxido de titanio.

    También se incluyen en este grupo, los materiales cerámicos que contienen titanato de magnesio que se caracterizan por una constante dieléctrica media pero un factor de pérdidas extraordinariamente pequeño para altas frecuencias.

    En la tabla 3 se expresan las más importantes características de algunos de estos productos, con los correspondientes nombres comerciales.

    CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS A BASE DE COMPUESTOS DE TITANIO

    Materiales cerámicos

    TABLA 3

    MATERIALES CERÁMICOS DE REDUCIDO COEFICIENTE DE DILATACIÓN

    Estos materiales cerámicos están incluidos en el grupo IV citado anteriormente (Pág. 2). Tienen estructura compacta, gran resistencia a las variaciones bruscas, incluso a altas temperaturas, se emplean sobre todo, para protecciones aislantes contra arcos de chispa y luminosos. Pueden clasificarse en tres subgrupos:

  • Productos con gran contenido de compuestos de aluminio.

  • Entre éstos se pueden citar:

    a) Sinterkorund o corindón vitrificado, aislante cerámico refractario que presenta una gran resistencia mecánica y buenas propiedades dieléctricas a altas temperaturas. Este compuesto es un óxido de aluminio fundido y tiene el aspecto de un cuerpo completamente cristalizado, es muy parecido a la porcelana, pero sus propiedades son muy distintas.

    Se emplea este material cerámico, muy ventajosamente, en la fabricación de bujías de encendido para vehículos automóviles y en todas las aplicaciones en que se requieran aislamientos que permitan altas temperaturas de servicio. También se emplea en la construcción de hornos eléctricos.

    b) Isomar. Este material es un silicato de aluminio, con bastante alúmina y sin que contenga mezcla de silicato magnésico. Las propiedades dieléctricas, mecánicas y térmicas son muy superiores a las de las porcelana. Tiene aplicaciones análogas a las del corindón vitrificado.

    c) Piranita. Contiene silicato de aluminio y silimanita. Exteriormente se parece a la porcelana. Resiste mejor los cambios bruscos de temperatura que los aislantes a base de esteatita y tiene análogas propiedades dieléctricas que esta última.

    d) Masa de Pitágoras. Este material cerámico tiene gran resistencia al calor y a los cambios de temperatura. Su empleo da excelentes resultados en atmósferas muy reductoras. Es insensible a los agentes químicos. Se emplea en la fabricación de vainas para pirómetros, en tubos de caldeo y combustión y en crisoles.

    e) Pirodur. Es de color blanco y se emplea en la aplicación de laboratorio, tales como cubetas y vainas para pirómetros cuyas temperaturas de servicio estén comprendidas entre 11000C y 15000C.

  • Productos con gran contenido de silicato magnésico.

  • Los materiales básicos de composición son hidrosilicatos de magnesio. Estos productos reciben las denominaciones comerciales de Calita, Calan, Ultracalan, Frecuenta y Frecuenta D, entre otros. Todos ellos tienen estructuras cristalinas.

    Estos productos están caracterizados por su pequeño factor de pérdidas dieléctricas, gran resistencia a los choques y excelentes cualidades dieléctricas a elevadas temperaturas y altas frecuencias. Son completamente insensibles a la acción del calor y de la humedad y no experimentan ningún fenómeno de envejecimiento o de fatiga.

    Se utilizan en la técnica de las altas frecuencias para aislamiento de partes bajo tensión, para aplicaciones de electromedicina y como dieléctricos de condensadores. También encuentran aplicación en las partes aislantes que hayan de tener gran resistencia mecánica, en instalaciones de alta y de baja frecuencia, especialmente en electrotermia, a causa de su escasa conductividad a elevada temperatura (por ejemplo, en aislamiento de resistencias, hornos eléctricos, etc.).

  • Productos con mezcla de compuestos de aluminio y de magnesio.

  • Estos productos contienen esencialmente tres componentes principalmente: óxido de magnesio, alúmina y óxido de aluminio (sílice). Combinando adecuadamente estas sustancias, se obtienen materiales caracterizados por su pequeño coeficiente de dilatación cúbica.

    Se conocen con los nombres comerciales de Ardostan, Sipa, etc., y son, generalmente, de color gris.

    Tienen gran resistencia la arco eléctrico, no se pueden esmaltar. Se emplean tanto en alta como en baja tensión.

    En la tabla 4 se expresan las más importantes características de algunos de los materiales cerámicos estudiados.

    CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LSO MATERIALES CERÁMICOS DE REDUCIDO COEFICIENTE DE DILATACIÓN

    Materiales cerámicos

    TABLA 4

    MATERIALES CERÁMICOS POROSOS

    Los materiales cerámicos comprendidos en el Grupo V citado anteriormente (Pág. 2). Tienen buena resistencia mecánica y gran resistencia al calor y a los cambios de temperatura, propiedad esta última que se encuentra favorecida por la estructura porosa y granular de estos materiales.

    Se emplean en calefacción eléctrica y en otras aplicaciones electrotérmicas donde sirven a la vez de soporte y de aislamiento de los conductores incandescentes.

    Por su composición pueden clasificarse en tres subgrupos:

    1) Materiales ternarios. Constituidos a base de óxido de magnesio, alúmina y sílice. Se conocen con los nombres comerciales de, Magnesolita, Termisol, Ost, Elwa, StG, etc.

    La composición y propiedades de estos compuestos, son intermedias entre la del gres y la de la esteatita.

    2) Materiales con gran proporción de alúmina. Estos materiales son más refractarios que los anteriores. Entre estos productos se pueden citar los siguientes:

    Reostita. Contiene corindón y se emplea para la fabricación de tubos-soporte, paredes, etc., para fijación de conductores de calefacción de gran sección. Solamente pueden obtenerse de piezas sencillas.

    Q-5. Es un material muy poco poroso, con gran contenido de alúmina y muy poco fundente. Resiste muy altas temperaturas, ya que su temperatura de reblandecimiento es de unos 17000C.

    Calodur. Este material contiene corindón y carborundo. Se utiliza para resistencias de calefacción cuyos conductores (hilos o pletinas) forman cuerpo con la masa cerámica; de esta forma pueden fabricarse placas o tubos de calefacción de grandes dimensiones. También se emplea este material cono aislamiento de hornos eléctricos que alcanzan temperaturas hasta 1000 grados centígrados.

    4) Materiales varios. Muchos materiales cerámicos están compuestos de materiales carios, tales como la sílice, la bauxita, el zirconio, la magnesita, etc.

    Estos productos se conocen con diversas denominaciones comerciales: Aloska, Pirolita, Silocarbina, Morganita, Globar, etc.

    Como por ejemplo citaremos que la llamada Masa de Marquardt está constituida de la siguiente forma:

    Alúmina 66 %

    Sílice 32,5 %

    Alcalis 1,5 %

    Impurezas 0,1 %

    En la tabla 5 se indican las más interesantes propiedades de algunos de los materiales cerámicos porosos.

    CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS POROSOS

    Materiales cerámicos

    TABLA 5

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