ADAPTANDO EL METODO DE ARQUÍMEDES PARA DETERMINAR LAS DENSIDADES Y POROSIDADES DE MUESTRAS PEQUEÑAS DE CERÁMICA

 

Requisitos

Un entendimiento básico de los tipos de volúmenes, densidades y porosidades es requerido. Adicionalmente, se presume la habilidad de determinar las masas utilizando una balanza analítica.

Obejtivo

El propósito de este experimento es demostrar como el Método de Arquímedes y una balanza analítica pueden ser utilizados para determinar la densidad en bulto de la masa y otras propiedades físicas relacionadas a esta de un espécimen pequeño de cerámica ( de aproximadamente 1 g).

Equipos

Además de las provisiones básicas de laboratorios. tales como pinza, y hojas de papel desechable, los siguientes equipo son requerido:

1. Balanza analítica mecánica y exacta a 0.000 1 g
2. Contenedor de vidrio curvado (o un desecador tipo aspiradora)
3. Bomba aspimdora
4. Termómetro. para medir la temperatura del ambiente
5. Alambre de cobre u otro metal que no sea corrosivo. con calibre igual a 0.40 mm o menos
6. Jarra o vaso de precipitados de aproximadamente 9 cm de diametro x 9 cm de altura (¡Un contenedor pequeño de mantequilla de maní funciona muy bien!) Agua destilada
7. Un soporte de 3 patas

El soporte de 3 pata; el cual es utilizado para agarrar el jarrón en una posición hacia arriba y alejada de la bandeja de la balanza puede ser construido de cualquier material que se tenga a mano, pero debe contar con los siguientes elementos: 1 ) una base con tamaño de aproximadante 8 cm x 14 cm. y 2) patas con una altura de 30 mm. aproximadamente.

Procedimiento

1. Destape la balanza analítica. Luego, mida el peso seco, WO, al 0.0001 g má. cercano y regístrelo.


2. Coloque el espécimen en su soporte en el jarrón y llénelo hasta llegar a aproximadamente 1 cm. de colmar su capacidad total con el agua destilada.


3. Coloque el jarrón de agua que contiene el espécimen dentro del contenedor de vidrio curvado.


4. Conecte la bomba aspiradora al contenedor de vidrio curvado (Es recomendable el colocar una trampa en la linea para evitar contaminar el aceite de la bomba aspiradora).


5. Encienda la bomba aspiradora por al menos quince (15) minutos de manera que el agua hierva, penetrando así por todos lo> poros abiertos del espécimen.


6. Elimine la jarra que contiene el espécimen y permita que la temperatura se aproxime al nivel de equilibrio. Registre la temperatura.


7. Coloque el soporte de tres patas sobre la bandeja de la balanza, asegurándose de que no exista contacto directo con la bandeja. Luego, destare la balanza.


8. Ponga la jarra que contiene el espécimen y su soporte en el soporte de 3 patas.


9. Cuelgue el alambre de soporte sobre el segundo gancho debajo de donde el asa de la bandeja está conectado.


10. Mida el peso suspendido y total del espécimen más su soporte. WSS G, ni 0.0001 g más cercano y regístrelo.


11. Utilice pinzas para desalojar el espécimen de su soporte y, o transferirlo de la jarra a otro contenedor de agua a la misma temperatura o dejarlo que caiga hasta el fondo del jarrón.


12. Mida el peso del WSST meientras este suspendido y regístrelo.


13. Quite la jarra y el soporte de 3 patas de la balalanza y destare la balanza de nuevo.


14. Embadurne la superficie del espécimen ulilizando una toalla desechable o paño para eliminar cualquier gota de agua que quede en la superficie inmediatamente después mida el peso saturado WS; y regíslrelo.


15. Mida la temperatura del agua en la jarra Si la misma ha variado masde 0.2 ºC.entonces repita los pasos 7 al 14. De lo contrario, de1ermine la densidad del agua.  correspondiente a la temperatura promedio del agua durante la determinación de los diferentes peso;, saturados.


16. Calcule el volumen de bulto, la densidad de bulto, el volumen aparente, la densidad aparente. la porosidad aparente, y la absorción del agua utilizando la ecuación provista.

Datos de muestras y resultados

Para los especímenes de óxido de aluminio, los cuales han sido sinterizados a 1667 ºC por diez horas, las siguientes medidas fueron tomadas:

Peso seco.g 3.1 J 27
Peso suspendido y saturado total, g 2.7182
Peso de destare, g 0.3869
Peso samrado. g 3.5281

Las propiedades físicas que son calculadas a panir de las medidas que aparecen arriba incluyen:

Volumenen bulto. cm3 1.197
Densidad en bulto. g/ cm3 2.601
Volumen aparente, CM3 0.7814
Densidad aparante, g/ cm3 3.983
% porosidad aparente 34.71
% absorción del agua 13.35

A pesar de no ser parte del alcance de este experimento.puede ser mostrado más adelante que para una densidad teorética de oxido de aluminio igual a 3.98 g/ cm3, otras propiedades son:

% porosidad cerrada 0.00
% porosidad total 34.7
% densidad tcorética 100.0
% densidad teorética 65.3

Nota

Relaciones entre la Densidad y la Porosidad

El Método de Arquímedes permite que sean calculadas con solo tres medidas de peso carias propiedades físicas que relacionan la absorción peso seco, peso saturado y el peso suspendido y saturado neto.

La tabla mostrada en la siguiente página muestra seis de las propiedades comúnmente calculadas usando diferentes notaciones.

Donde: M= W_s peso saturado
S= W_ss peso saturado suspendido
D= W_d peso seco
D_L= densidad del liquido satarado
W_ws = peso saturado del liquido

Note que para las primeras cuatro relaciones ASTM las unidades no parecen ser consientes. Esto se debe a que se asume que el líquido saturante es agua con una densidad igual a la unidad. Para otros líquidos saturados (como por ejemplo cuando se usa el keroseno para materiales refractarios solubles en agua), las ecuaciones indicadas completas que contiene factor de densidad del líquido deben ser utilizadas.

Para una discusión excelente sobre todas estas y otras propiedades relacionadas, vea la referencia 7. La misma claramente explica las diferentes cerradas ( o intra granulares). También ayuda a aclarar las distinciones entre densidad de bulto, densidad aparente y densidad real.

Fuentes de error

Las causas primarias para los resuzados errados incluyen una atención inadecuada a las siguientes precauciones:

1. Permita al menos el tiempo mínimo ( 15 minutos) para que el paso de absorción de "hervir al vacío" tenga lugar de manera que el espécimen absorba bien el agua (u otro líquido de inmersión ) en todos los poros abiertos que sea posible.


2. Permita al agua y a los especímenes suficiente tiempo para aproximarse a la temperatura de equilibrio luego del paso ele absorción. Usualmente esto toma al menos veinte minutos.


3. Asegurarse de destarar la balanza. luego de colocar el soporte sobre la bandeja. antes de determinar el peso saturado y suspendido total y el peso destarado del soporte.


4. No tome más tiempo del absolutamente necesario para medir el peso saturado, de lo contrario, cierta cantidad de agua de los poros abiertos pudiera migrar a la superficie y evaporarse.


5. Tome precauciones para que nocaigan gotas de agua en la bandeja de la balmmt. Adcmás asegúrese que no queden gotas de agua adheridas al anillo de alambre de soporte.


6. Si se ha atado una canasta al alambre de soporte. asegúrese de que solo un único alambre rompa la superficie del agua.


7. Verifique que no haya burbujas de aire adheridas a los especímenes o al ;opone. Este a menudo el caso cuando se utiliza una canasta de malla Tocarla ligeramente será suficiente para liberar las burbujas a la superficie.

Variaciones

Las técnicas básicas pueden ser utilizadas para una variedad de experimentos. tales como:

1. Compare los resultados obtenidos para un pedazo pequeño de ladrillo refractorio con aquellos conseguidos utilizando el método de prueba ASTMC 20 en medio ladrillo.

2. Determine el gradiente en la propiedades de densidad y porosidad entre el centro y los bordes de un anículo de cenímica quemado.

3. Analice los errores y las cifras significativas de los rcsullados.Por ejemplo, ¿cuál errores introducido si la densidad de inmersión se asu­ me que es la unidad y el efecto de la temperatura del ambiente es obviado?

(Obviamente. los cálculos no requieren ser hechos de forma manual, y la data puede proveer la oportunidad de adquirir práctica para rea­lizar programas dedicados de computadoras o programas de hojas de cálculo macro. En particular. la dependencia de la densidad del agua en la temperatura provee un excelente ejercicio para probar realizando una ecuación empírica para ser usada en estos programas)

4. Para epecímenes refractarios que se apagan. hidratan. o que onso­lubles en agua. compare los resultados obtenidos al usar otros líquidos (como el keroseno) con los resultados obtenidos utiliuindo el método de prueba ASTM C 914, el cual involucra recubrir el espécimen con parafina.

5. Compare los resultados con aquellos obtenidos utilizando métodos geométrico .picnométricos (para sólidos o líquidos pueden utilizar picnómctro de diversas formas cuyos volúmene sean conocidos. La densidad se calculará a partir de la diferencia de peso entre el picnómetro lleno y el picnómctro vacío. por una parte, y de su volumen conocido, por la otra).hundirse-flotar u otro detenninado.

6. Si el material solido es de fase única (o idealmente lo es), entonces determine la densidad teórica usando difracción de rayos X u otras fuentes, y calcule el por ciento de la densidad teorética y el porcentaje de la porosidad cerrada.

Breve mirada a los materiales cerámicos

Alúmina (A1₂0₃) se utiliza para contener metales fundidos a latas temperaturas, se requiere una elevada resitencia mecánica. También se utiiza como un sustrado, y contaminada con cromo se utiliza para fabricar láser. Se utilizan finas partículas de alúmina como soporte de catalizador.

El Nitruro de aluminio (A1N) sirve como un  aislante eléctrico, es un buen reemplazo para el A1₉0₃ como material para sustrado de los circuitos electrónicos que operan a alta frecuencia.

El titanalo de bario (BaTi0₃) es el material cerámico electrónico de una amplia utilización Varios millones de capacitores se fabrican usando este material.

El carburo deboro (B₄C) es muy duro y al mismo tiempo bastante ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear, se le utiliza en aplicadones que requieren una excelente resistencia a la abrasión y como una porción de placa de blindaje a prueba de balas.

La cordierita (2Mg0‐2Al₂0₃‐5Si02) es útil como material cerámico electrónico. También se utiliza para elaborar una estructura en panal.

El diamante (C) es el material más duro existente en la naturaleza Los diamantes indutriales lo utilizan como abrasivos para pulverizar pulir También es utilizado en Joyería.

Titano de plomo zirconio (PZT) es el material peizoeléctrico de mayor uso, aplicando presión o esfuerzo se genera un voltaje. Se utiliza en encendedores de gas, submarinos para la detección de objetos bajo el agua e imagen ultrasonido.

La sílice o sílica (SiO₂) es posiblemente el material cerámico de uso más amplio: es el ingrediente esencial de los vidrios y de muchos otros minerales vitrocerámicos. Los materiales basados en la sílice se usan en aislamientos térmicos, refractores, abrasivos, como compuestos para ser reforzados con fibras, cristalería para laboratorio, la sílice se utiliza para la fabricación de fibras ópticas y para comunicaciones.

El carburo de silicio (SiC) tiene una resistencia a la oxidación a temperatura por arriba del punto de fusión del acero y por eso se usa con frecuencia como recubrimiento para los metales cerámicos; también se utiliza como brasivo y como un particulado y refuerzo fibroso. Se utiliza para los dispositivos electrónicos a las altas temperaturas.

El nitruro de silicio (Si₃ N₄) tiene propiedades parecidas a las del SiC. y los dos son posibles candidatos para componentes para motores de automóvil y para turbinas de gas.

Sialon la forma general del material es Si_{6 z} Al_zO_zN_{g z}; cuando z=3, la dormula es si₃Al₃O₃N₅ Puede encontrar aplicación en herramientas de corte, componentes para motor y otras que incluyan simultaneamente altas temperaturas y severas condiciones de desgaste.

El bióxido de titanio (Ti0₂)  se utiliza para fabricación de materiales corno el BaTiO₃ su uso más utiliza para la electrónicos es en forma de pigmentanción blanco para la fabricación de pintura.Se utilita en cienos materiales vitrocerárnicos. Se utilizan pequeñas panículares fabricar lociones bronceadoras.

El boruro de titanio (TiB₂) es un buen conductor tanto de la electricidad corno del calor: además, proporciona una excelente tenacidad. El TtB_Q junto con el carburo de boro, carburo de silicio y la alúmina, tienen aplicaciones en la producción de blindajes.

El bióxido de uranio (UO₂) es ampliamente utilizado corno combustible de reactor nuclear.

La zirconiu (ZrO₂) se utiliza para fabricar muchos otros materiales cerámicos corno el iironio. Se usa para la fabricación de sensores de gas oxigeno y para medir oxigeno disueho en los aceros líquidos. Se utiliza como aditivo en muchos materiales cerámicos electrónicos, así como material refractario.La forma cúbica de los cristales individuales de zirconia se utilizada para hacer antículos de joyería.

Los cristales de almandinato de aluminio itrio (YAG, Y₃Al₅0₁₂) se utilizan como huépedes para manufactura de láser Nd-YAG.

El óxido de zinc (ZnO) se utilizan como acelerador en la vulcanización del huele que se utiliza en los neumáticos. Se utiliza en las pinturas, en dispositivos de protección contra oscilaciones, en polvos medicinales cutáneos. así como en ungüentos para la piel.

Nanotubos de Carbono (C^A) consiste de 60 átomos de carbono equivalente, indistinguible. cada uno enlazado a otros tres carbonos formando parte de dos hexágonos y un pentágono que da lugar a una estructura cerrada. Debido a su gran superficie mejora sus propiedades y abre caminos a una amplia diversidad de nuevas aplicaciones.

Fabricación del vidrio

El silicato de sodio (Na2Si03). también llamado vidrio es un silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua. que funde al .088"C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a la temperatura, o calculando arena con hidróxido de sodio concentrado a la presión.

Composición De Vidrios comunes (En Porcentaje En Peso)

• Vidrio comercial contiene 75% SiO₂. 15% NaO. 10% CaO
• Vidrios de borosilicato contiene 15% B₂0₃
• Vidrios de aluminosilicato contiene 20% AL₂O₃ 12% MgO.
• Vidrios de alto sílice contiene 3% B₂O₃.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS EN BASE A SU APLICAClÓN

CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS DE ACUERDO A LAS TÉCNICAS DE FORMACIÓN Y FABRICACIÓN

En un material cerámico. los poros pueden ser interconectados o cerrados. La porosidad aparente mide los poros imerconectados y detennina la permeabilidad. es decir la facilidad con que los gases y los fuidos pasan a través del componente cerámico. La porosidad apareme M: determina pesando el material cerámico seco (W) y vol viendo a pesarlo tanto de>· pué, de haber estado suspendido en agua (w).como de,puc' de haber >ido retirado de la misma (w J. Utilizando unidades de gramos y cm3:

Porosidad aparante =

La porosidad real incluye tanto los poros interconectados, como los no interconectados cerrados. La porosidad real. que se correlaciona más de cerca con las pmpiedades del material cerámico es:

Porosidad real =

B es la densidad en volumen y p es la densidad o gravedad específica del material cerámico. La densidad en volumen es el peso del material dividido entre su volumen.

Módulo de clasticidad

Donde E₀ es el modulo de elasticidad para materiales no porosos y P es la porosidad.

Esfuerzo de flexión

F es la carga de fractura o de rotura L distancia entre los dos puntos de apoyo

W es el ancho del espécimen h es la ahura del espécimenentrelos dos puntos de apoyo

El esfucrro de flexiónexpresado en término de la fracción de volumen de porosidad es:

En esta expresión σ₀ y n son constantes experimentales. P es la fracción de volumen de porosidad

Referencias

1. Anderson J.C., 2000, Ciencia de los Materiales, LIMUSA, México.

2. Askeland Donald R., Phule Pradeep P, 2004, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Thomson, EE.UU.

3. Balevsky, Angel, 1988, Metaloznanie, DURJAVNO IZDATELSTVO TECNICA, Bulgaria.

4. Buchkov D., 1980, Termichna Obrabotka na Metalite, Tekhnika, Bulgaria.

5. Callister jr. William D., 2003, Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons, Inc., EE.UU.

6. Jacobs James A., 2001, Experiments in Materials Science Engineering & Technology, Prentice Hall, EE.UU.

7. Kalpakjian Serope, 2001, Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Prentice Hall, EE.UU.

9. Mangonon Pat L., 2001, Ciencia de Materiales: Selección y Diseño, Prentice Hall, México.

10. Rusena Elena, 2004, Rukovodstvo za Laboratomi Upraznenia, Color Print, Bulgaria.

11. Schakelford James F., 2005, Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, Pearson Prentice Hall, España.

12. Van Vlack Lawrence H., 1999, Materiales para Ingeniería, CECSA, México.