Ceramografía

La ceramografía es el arte y la ciencia de preparar, examinar y evaluar microestructuras cerámicas .

La ceramografía se puede considerar como la metalografía de la cerámica. La microestructura es el nivel estructural de aproximadamente 0,1 a 100 µm , entre la longitud de onda mínima de la luz visible y el límite de resolución a simple vista. La microestructura incluye la mayoría de los granos, fases secundarias, límites de grano , poros, microgrietas y microdentaduras de dureza. La mayoría de las propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas se ven fuertemente afectadas por la microestructura. El proceso de fabricación y las condiciones de procesamiento están generalmente indicadas por la microestructura. La microestructura es la causa de muchas fallas cerámicas. La ceramografía es parte del campo más amplio de la materialografía, que abarca todas las técnicas microscópicas para analizar materiales, como la metalografía, la petrografía y la plastografía . La ceramografía generalmente se reserva para cerámicas de alto rendimiento para aplicaciones industriales, como la alúmina . (Al 2 O 3) en la Figura 1, el óxido de circonio (ZrO 2), el carburo de silicio (SiC), el nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) y la matriz cerámica compuesta . Rara vez se utiliza en cerámicas blancas como sanitarios, revestimientos y vajillas.

Microestructuras ceramográficas
Higo. 1: 99,9% de alúmina grabada térmicamente
Higo. 2: Copa fina de 99,9% de alúmina

Historia

La ceramografía ha evolucionado junto con otras ramas de la materialografía y la cerámica . Alois de Widmanstätten, Austria, grabó un meteorito en 1808 para revelar bandas de ferrita proutectoide que se desarrollaron en los límites de los granos de austenita . El geólogo Henry Clifton Sorby , el "padre de la metalografía", aplicó técnicas petrográficas a la industria del acero en la década de 1860 en Sheffield, Inglaterra. El geólogo francés Auguste Michel-Lévy desarrolló un gráfico que correlaciona las propiedades ópticas de los minerales con su color y grosor transmitidos en la década de 1880. El metalúrgico sueco JA Brinell inventó la primera escala cuantitativa de dureza en 1900. Smith y Sandland desarrollaron la primera prueba de dureza microindention en Vickers Limitado. en Londres en 1922. El microscopista suizo Al Buehler fundó el primer fabricante de equipo metalográfico cerca de Chicago en 1936. Frederick Knoop y sus colegas de la Oficina Nacional de Estándares desarrollaron una prueba de microdentadura menos penetrante (que la de Vickers) en 1939. Struers A / S de Copenhague introdujo el pulidor electrolítico para metalografía en 1943. George Kehl de la Universidad de Columbia escribió un libro considerado una biblia de materialografía hasta la década de 1980. Kehl a cofundó un grupo dentro de la Comisión de Energía Atómica que se convirtió en la Sociedad Internacional de Metalografía en 1967.

Preparación de probetas ceramográficas

La preparación de muestras de cerámica para el análisis microestructural implica cinco pasos principales: aserrado , incrustación, esmerilado , pulido y grabado . Las herramientas y consumibles para la preparación de cerámica están disponibles en todo el mundo a través de proveedores de equipos de metalografía y proveedores de laboratorio .

Aserradura

La mayoría de las cerámicas son extremadamente duras y deben ser aserradas en húmedo con una hoja circular incrustada con partículas de diamante. Generalmente es adecuada una sierra metalográfica o lapidaria equipada con un disco de diamante de baja densidad. El portaobjetos debe enfriarse mediante un chorro continuo de líquido.

Revestimiento

Para facilitar la posterior preparación, la muestra aserrada se suele incrustar (o montar o encapsular) en un disco de plástico de 25, 30 o 35 mm de diámetro. Una resina sólida termoendurecible , activada por calor y compresión , por ejemplo un epoxi cargado de minerales, es la más adecuada para la mayoría de las aplicaciones. Para la cerámica refractaria porosa o los dispositivos microelectrónicos se puede utilizar una resina de colada (líquida) como resinas epoxi, acrílicas o poliéster sin carga . Resinas moldeables también están disponibles con los colorantes fluorescentes facilitador de microscopía de fluorescencia . Las muestras izquierda y derecha de la Figura 3 se incrustaron en un epoxi lleno de minerales. El refractario central de la Figura 3 estaba incrustado en acrílico transparente moldeable.

Molienda

El pulido es la abrasión de la superficie de interés por partículas abrasivas , generalmente diamante, adheridas al papel o un disco metálico. El pulido elimina las marcas de sierra, alisa aproximadamente la superficie y elimina el material a la profundidad deseada. Una secuencia de pulido típica para cerámica es de un minuto en una muela de diamante de grano 240 con uniones de metal que gira a 240 rpm y lubricada con agua corriente, seguida de un tratamiento similar en una muela de grano 400. La muestra se lava en un baño ultrasónico después de cada paso.

Pulido

El pulido es la abrasión por abrasivos sueltos suspendidos en un lubricante que puede rodar o deslizarse entre la muestra y el papel. El pulido elimina las marcas de pulido y suaviza la muestra hasta obtener un acabado de espejo. El pulido sobre una placa de metal desnudo se denomina lapeado . Una secuencia de pulido típica para cerámica es de 5 a 10 minutos cada vez en pasta de diamante de 15, 6 y 1 µm o suspensión en papel sin felpa que gira a 240 rpm. La muestra se vuelve a lavar en un baño de ultrasonidos después de cada paso. Los tres conjuntos de muestras de la Figura 3 fueron aserrados, incrustados, pulidos y pulidos.

Grabado

El grabado revela y delimita los límites de grano y otras características microestructurales que no aparecen en la superficie pulida. Los dos tipos de grabado más comunes en ceramografía son la corrosión química selectiva y un tratamiento térmico que alivia . À titre d'exemple, l'alumine peut être attaquée chimiquement par immersion dans l' acide phosphorique concentré bouillant pendant 30 – 60 s, ou attaquée thermiquement dans un four pendant 20 – 40 min à 1 500 degrés Celsius (2 732 °F) En el aire. La encapsulación de plástico debe eliminarse antes del ataque térmico. La alúmina de la Figura 1 se grabó térmicamente.

Alternativamente, las cerámicas no cúbicas se pueden preparar como secciones delgadas , también llamadas petrografía , para examinarlas mediante microscopía de luz transmitida polarizada. En esta técnica, la muestra se corta a ~ 1 mm de espesor, se pega a un portaobjetos de microscopio y se muele o se corta (por ejemplo, con un micrótomo ) hasta un espesor ( x ) cercano a 30 µm. Se pega un cubreobjetos a la superficie expuesta. Los adhesivos, como la resina epoxi o bálsamo , deben tener aproximadamente el mismo índice de refracción (η 1,54) que el vidrio. La mayoría de las cerámicas tienen un coeficiente de absorción muy bajo (α ≈ 0.5 cm −1 para la alúmina en la Figura 2) en la ley de Beer-Lambert a continuación, y se pueden ver con luz transmitida. La cerámica cortada , como la zirconia y la espinela estabilizada con óxido de itrio, tienen el mismo índice de refracción en todas las direcciones cristalográficas y, por lo tanto, aparecen negras cuando el microscopio polarizador se desfasa 90 ° con respecto al analizador.

{\ Displaystyle I_ {t} = I_ {0} e ^ {- \ alpha x}}

(Cerveza - Lambert eqn)

Las muestras ceramográficas son en la mayoría de los casos aislantes eléctricos y deben cubrirse con una capa de carbón o metal conductor de ~ 10 nm para microscopía electrónica, después de pulir y grabar. La aleación de oro o Au-Pd de un pulverizador o vaporizador también mejora el reflejo de la luz visible de la superficie pulida bajo el microscopio, de acuerdo con la fórmula de Fresnel a continuación. La alúmina desnuda (η ≤ 1,77, k ≤ 10 −6 ) tiene un coeficiente de extinción insignificante y refleja solo el 8% de la luz incidente del microscopio, como en la Fig. 1. Oro ( η η 0.82, k ≤ 1.59 a λ = 500 nm), la alúmina refleja 44% en aire y 39% en aceite de inmersión.

Análisis ceramográfico

Las microestructuras cerámicas se analizan con mayor frecuencia mediante microscopía de luz visible reflejada en campo brillante. Darkfield se usa en circunstancias limitadas, por ejemplo, para revelar grietas. La luz transmitida polarizada se utiliza con secciones delgadas, donde el contraste entre los granos deriva de la birrefringencia . Las microestructuras muy delgadas pueden requerir mayor aumento y resolución de un microscopio electrónico de barrido (SEM) o un microscopio de barrido láser confocal (CLSM). El microscopio de catodoluminiscencia (CLM) es útil para distinguir las fases de los refractarios. El microscopio electrónico de transmisión (TEM) y el microscopio acústico de barrido (SAM) tienen aplicaciones específicas en ceramografía.

La ceramografía se realiza a menudo de forma cualitativa, para comparar la microestructura de un componente con un estándar con el propósito de control de calidad o análisis de fallas. Tres análisis cuantitativos comunes de microestructuras son el tamaño de partícula, el contenido de la segunda fase y la porosidad . Las microestructuras se miden según los principios de la estereología, en los que los objetos tridimensionales se evalúan en 2D mediante proyecciones o secciones transversales.

El tamaño del grano se puede medir mediante los métodos de fracción lineal o fracción de área de ASTM E112. En los métodos de fracción lineal, se calcula un tamaño de grano estadístico a partir del número de granos o límites de grano que intersecan una línea de longitud conocida o un círculo de circunferencia conocida. En el método de fracción de área, el tamaño de grano se calcula a partir del número de granos en un área conocida. En cada caso, la medición depende de las fases secundarias, la porosidad, la orientación preferida , la distribución exponencial del tamaño y los granos no desquiciados. El análisis de imágenes puede medir los factores de forma de granos individuales de acuerdo con ASTM E1382.

El contenido y la porosidad de la segunda fase se miden de la misma manera en una microestructura, como ASTM E562. El procedimiento E562 es un método de fracción puntual basado en el principio estereológico de fracción puntual = fracción de volumen, es decir, P p = V v . El contenido de cerámica de segunda fase, como los bigotes de carburo en una matriz de óxido, generalmente se expresa como una fracción de masa . El volumen de las fracciones se puede convertir en fracciones de masa si se conoce la densidad de cada fase. El análisis de imágenes mide la porosidad, la distribución del tamaño de los poros y las fracciones de volumen de las fases secundarias de acuerdo con ASTM E1245. Las medidas de porosidad no requieren grabado. Las microestructuras multifásicas no requieren grabado si el contraste entre las fases es adecuado, como suele ser el caso.

El tamaño de grano, la porosidad y el contenido de la segunda fase se han correlacionado con propiedades cerámicas como la resistencia mecánica σ según la ecuación de Hall-Petch. La dureza , tenacidad , constante dieléctrica y muchas otras propiedades dependen de la microestructura.

Referencias

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Sociedad Metalográfica Internacional
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