A diferencia de lo que ocurre con los metales, que están claramente definidos dentro del contexto de la física o la química, el concepto de material cerámico es algo, en principio, ajeno a estas disciplinas, y su definición es propia de la ciencia de materiales y no está completamente cerrada. En general, se considera un material cerámico a todo aquel compuesto sólido que se ha producido mediante un tratamiento térmico a alta temperatura (a veces acompañado de la aplicación de altas presiones) y que está constituido por dos elementos químicos, de los cuales al menos uno es no metálico mientras que los otros pueden ser de cualquier naturaleza. Según esta definición, prácticamente todos los compuestos inorgánicos (óxidos, nitruros, carburos, boruros, etc.) podrían considerarse como cerámicas. Dado que esta definición puede ser un poco ambigua, otros autores prefieren denominar materiales cerámicos a todos aquellos que no son metálicos o poliméricos. Así, materiales como el diamante o el grafito podrían considerarse cerámicos de acuerdo con esta segunda definición, pero no serían cerámicos según la primera[1].
A menudo, los materiales cerámicos se suelen dividir en dos grandes grupos: las cerámicas tradicionales y las denominadas cerámicas avanzadas. En el primer grupo se incluye a muchos materiales que se han usado en construcción y decoración desde tiempos antiguos, fabricados a partir de la arcilla, así como a los vidrios, tal como se muestra en los ejemplos de la figura 1.7.
Las arcillas son un tipo de tierra finamente dividida que se encuentra de forma muy habitual en la corteza terrestre. Provienen de la descomposición de rocas sedimentarias y tienen una estructura interna formada por partículas extremadamente pequeñas y de superficie lisa. Desde el punto de vista químico, las arcillas están compuestas por agregados de silicatos de aluminio hidratados y son de color blanco cuando son puras, aunque pueden presentar coloraciones muy diversas según las impurezas que contengan, siendo los colores más frecuentes el rojo-anaranjado o los marrones. Las arcillas tienen la propiedad de que al añadirles agua forman una pasta que se puede moldear fácilmente por su gran plasticidad y endurece si se calienta por encima de 800 oC dando lugar a materiales duros pero, en general, frágiles. A partir de la arcilla se fabrican muchos materiales de gran utilidad, como los ladrillos, las tejas, la loza, el gres, la porcelana o el cemento. Este último está formado por una mezcla de arcilla y caliza (carbonato de calcio) finamente dividida y calcinada, que al mezclarse con agua y yeso endurece adquiriendo una consistencia pétrea.
En cuanto a los vidrios, se obtienen a partir de arena de sílice, carbonato de sodio y caliza, mezcla que cuando se calienta por encima de 1500 oC da lugar a un material duro, frágil y transparente que se usa habitualmente para construir lentes, botellas o ventanas. Todas las cerámicas tradicionales están constituidas principalmente por silicatos cristalinos a excepción de los vidrios, que ya vimos que son amorfos y carecen de simetría de largo alcance. No obstante, las cerámicas tradicionales se caracterizan por tener microestructuras complejas e irregulares. Presentan múltiples inhomogeneidades y a menudo son materiales multifásicos y porosos.
Más recientemente se han empezado a fabricar otros materiales cerámicos sintéticos que no provienen de la arcilla y a los que se les suele denominar cerámicas técnicas o avanzadas. Son materiales cristalinos y con un grado de uniformidad y de cristalinidad mucho mayor que el de las cerámicas tradicionales, ya que se sintetizan en los laboratorios con procesos mucho más cuidadosos.
La estructura cristalina de las cerámicas suele ser más compleja que la de los metales, ya que los motivos estructurales están constituidos por varios átomos. Eso es una consecuencia del enlace iónico que poseen estos compuestos inorgánicos cuyos aniones (normalmente de menor tamaño) forman empaquetamientos compactos mientras que los cationes metálicos se alojan en los intersticios más favorables de la red.
En la figura 1.8 se muestran algunos ejemplos de estructuras con simetría cúbica. A menudo se toma como referencia un compuesto representativo que presenta este tipo de estructura para nombrarla. Así, se puede hablar de estructura tipo cloruro de sodio (NaCl), que es cúbica compacta con ocupación total de intersticios octaédricos; de la de blenda de zinc (ZnS), también cúbica compacta pero con la ocupación de la mitad de los intersticios tetraédricos; o tipo perovskita, que es más compleja y responde a una estequiometria ABO3, común a muchos óxidos. Esta manera de nombrar a las estructuras cristalinas resulta muy conveniente ya que es muy visual y proporciona información acerca de los números de coordinación de los cationes[2].
Las cerámicas avanzadas, como pueden ser la alúmina (Al2O3), el carburo de silicio (SiC), el nitruro de silicio (Si3N4) o el titanato de bario (BaTiO3), están diseñadas para tener unas propiedades muy específicas enfocadas en una aplicación particular. De este modo, la alúmina, dada su estabilidad química y su alto punto de fusión, se usa como revestimiento y como aislante térmico; el carburo de silicio es uno de los materiales más duros que existe, por lo que se emplea habitualmente en herramientas de corte, entre otras aplicaciones (apartado 5.9); el nitruro de silicio, gracias a su resistencia a los cambios de temperatura, se emplea en la industria automovilística para confeccionar algunas partes de los motores (apartado 5.1); el titanato de bario tiene unas propiedades eléctricas muy singulares debido a su estructura cristalina tipo perovskita, comportándose como ferroeléctrico y piezoeléctrico, por lo que se usa en algunos dispositivos electrónicos (apartado 5.6).
Todas las cerámicas, tanto las tradicionales como las avanzadas, tienen muchas características comunes. Son duras y resistentes al desgaste, muy estables químicamente y poco oxidables. Aunque hay ejemplos extremos que difieren de la norma general, las cerámicas se comportan como aislantes eléctricos. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, pese a ser duras, son muy frágiles y carecen completamente de ductilidad. Son muy propensas a la fractura, pero esta es muy distinta a la fractura plástica de los metales, ya que en las cerámicas la rotura se da después de la aparición de grietas que se propagan descontroladamente por el material.
[1] Tal como se discute en M. W. Barsoum. Fundamentals of Ceramics. Taylor & Francis (2003).
[2] Una discusión concisa pero con muchos ejemplos sobre las estructuras cristalinas de los compuestos inorgánicos puede encontrarse en el primer capítulo de A. R. West. Basic Solid State Chemistry. 2ª ed. John Wiley & Sons (1999).
[3] Ilustraciones adaptadas de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
