Los vidrios —y también las cerámicas— han adquirido importancia en los últimos años al aplicar el vidrio a las comunicaciones —transmisión fotónica de mensajes— y para reforzar polímeros de muchos tipos constituyendo los nuevos materiales lla- mados composites —en castellano ¿compósitos?— y obtener materiales de propie- dades superiores para Aeronáutica, Automoción, Náutica, etc.1Han influido tam- bién en estos avances la búsqueda de nuevos y mejores superconductores a través de óxidos formadores de red vítrea.
Las nuevas técnicas desarrolladas al efecto consisten en:
VÍA SOL-GEL: se parte de sales solubles que se purifican y se llevan al estado sol- hidróxido mediante ajustes de pH y temperatura. El sol se deshidrata a gel, y éste se moldea para obtener la pieza deseada —esfera, fibra, etc.—, la que se acaba por es- tabilizar por calcinación. Esta técnica es especialmente importante en el campo cerámico.
VÍA ALCÓXIDO: la sílice —y muchos de los óxidos cerámicos— se pueden obtener
por esta vía a tamaños moleculares, inferiores, por tanto, al tamaño coloidal del proceso anterior. Con ello se mejora aún más el contacto entre los reactantes en la cocción y, naturalmente, desaparece la necesidad de pulverizar los productos con el riesgo consiguiente de impurificar los materiales por la incorporación de las mate- rias desprendidas por la abrasión de los cuerpos moledores. El moldeo es fácil y las formas obtenidas se estabilizan por sinterización a unos 970 K —recuérdese que los
Tabla 6.5 Productos vitrocerámicos con varios nucleantes (P. J. Doyle).
Composición Nucleantes Fases cristalización Aplicaciones
Li2O·Al2O3·SiO2 (Al2O3 10%) Li2O·Al2O3·SiO2 (Al2O3 10%) Li2O·ZnO·P2O5·SiO2 Na2O·BaO·Al2O3·SiO2 MgO·Al2O3·SiO2 TiO2 TiO2, P2O5, ZrO2 P2O5 Cu, Ag, Au P2O5 TiO2 TiO2 Espomudeno Eucriptita Cuarzo. Bisilicato de Li Metasilicatos de Li Disilicato de Li, Silicato
de Li y Zn. Cuarzo Nefelina. Hexacelsina Cordierita, Cristobalita
Útiles de cocina, cambiadores de calor Espejos telescópicos
Vitrocerámica. Metales soldados Aparatos fotoquímicos
Componentes para tubos de vacío
Vajillas
Piezas para misiles
1 OKURA, H. y BOWEN, H. K.: Ceramics Internat., 12, 161 (1985). RINCON, J. M.: Quím. e Ind., 31, 95 (1985).
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métodos clásicos necesitan unos 1500 K—. Las materias de partida son alcoholatos, que a su vez se forman a partir de sales o de hidróxidos:
Cl4Si + 4 C2H5OH SiO(O · C2H5)4 + 4 ClH
El alcóxido (tetraetoxisilano) se vende actualmente a unas 2000 ptas./kg. El derivado bárico se cotiza a más de 450 000 ptas./kg.
Como los alcóxidos son líquidos o sólidos volátiles, se purifican bien por des- tilación o sublimación. Su hidrólisis conduce a los correspondientes hidróxidos:
Si (O · C2H5)4 + 4 H2O Si (OH)4 + 4 C2H5OH
y por calefacción se llega a los óxidos finales.
Los tetroxisilanos se emplean para recubrir los vidrios ópticos con una capa de espesor muy pequeño y controlado, que luego transformada en óxido impide que la lente refleje parte de la luz recibida —brillo— y así se aumenta el rendimiento de captación luminosa.
En Óptica se demuestra que entre el espesor, h, la longitud de la luz incidente, λ, y el índice de refracción de la capa, n, se cumple, para una reflexión cero, que:
h = λ/4n
El índice de refracción de la capa de óxido silícico se puede modificar empleando capas formadas por SiO2-TiO2 a partir del alcóxido mixto. Para una proporción molar de TiO2:SiO2de 78:12 y un espesor, h, de 600 nm —que corresponde a la luz anaranjada del espectro solar— la luz reflejada es nula. Combinando composición y espesores de película se pueden anular las distintas bandas del espectro y hasta dar a los vidrios cualidades antitérmicas, capacidad para reflejar la radiación infrarroja (λ > 800 nm), o de protec- ción contra el ultravioleta (λ < 350 nm)1.
DERIVADOS SÍLICO-ORGÁNICOS: se trata de estructuras silíceas modificadas por
aportaciones orgánicas. Se obtienen a partir de alcóxidos que tengan parte orgánica separable por hidrólisis, cual es el caso del metilsilano, cuya condensación conduce a:
El polimetilsilosano —comercialmente “ormosil” 1985— se emplea para lentillas de contacto y recubrimiento de fibras ópticas.
1 Los índices de refracción de las mezclas de SiO
2y TiO2varían linealmente entre 1,46 para el 100% de SiO2 y 2,40 para el 100% de TiO2.
H2O Si O Si O CH3 O Si CH3 O Si O Si (O CH3)3 CH3
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Se obtienen estructuras más complejas, con propiedades especiales, partiendo de mezclas de varios alcóxidos:
Este polímero —con estructura molecular entrecruzada— se puede considerar como un compósito intramolecular.
Por su resistencia, flexibilidad y transparencia merecen citarse los productos de copolimerizaciones como la del polimetildisiloxano (pm ~1700, que corresponde a una molecularidad de 19) con tetraésteres como el tetraetilortosiloxano, SiO4· (C2 H5)4. La copolimerización cruzada garantiza la estructura tridimensional y las buenas propiedades mecánicas. Los autores anglosajones llaman a estos materiales ceramers (¿cerámeros?).
OBTENCIÓN DE SÍLICE PURA, VÍA GASEOSA, Y DERIVADOS: la inyección en una llama,
de Cl4Si en mezcla con O2 y H2 conduce a la lisis del haluro: Cl4Si + O2 + 2 H2 SiO2 + 4 ClH
La sílice producida tiene forma esférica y grano muy fino. El producto resulta forma- do por agregados, de poca densidad aparente, y se conoce comercialmente como “aerosil”.
Del mismo modo, trabajando simultáneamente con haluros varios (Si, B, P, Ge, etc.) se han podido obtener muchas variedades de aglomerados que se emplean como catalizadores y adsorbentes.
Importantísima es la obtención de nitruro de silicio, materia de gran interés actual, por estos y otros procedimientos análogos:
Por vía de combustión:
3 SiO2 + 6 C + 2 N2 N4Si3 + 6 CO
El nitruro aparece en forma micronizada. Por prensado isostático a alta temperatura alcanza resistencias a la flexión de 800 MPa (1000 °C). Resiste muy bien el choque tér- mico (coeficiente de dilatación = 3,5 · 10–6/K). Se aplica para placas de rotores o tur- binas de alta exigencia, cuando ya fallan las superaleaciones de Ni a las que aventaja por una menor densidad que reduce la inercia de rotación y, por ello, dan respuesta más inmediata a las variaciones de carga. Aventaja también a los materiales metáli- cos en la construcción de cambiadores de calor y para recámaras de combustión de motores diesel, entre otras muchas aplicaciones.
Ti O O O Si O Si O CH3 O Si CH2 CH2 CH2 Si O Al O
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Este importante material se obtiene también por las reacciones siguientes: