Source: https://es.scribd.com/doc/63680400/Tecnicas-de-caracterizacion-de-materiales-ceramicos
Timestamp: 2016-04-30 22:11:41+00:00

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¿Qué técnicas físicas de caracterización estructural se utilizan en los materiales cerámicos ?
En general, los materiales cerámicos contienen una o más fases cristalinas y una o más fases vítreas Excepto los materiales vítreos (amorfos o no cristalinos) que están constituidos por una o más fases vítreas ¡La estructura de los materiales determina las propiedades, por tanto es muy importante conocer la estructura de los materiales cerámicos ! El término estructura es mucho más amplio que la denominada estructura cristalina Contiene aspectos del material tales como : la forma en que se encuentra, monocristalino o policristalino los defectos cristalinos presentes las impurezas presentes la estructura de la superficie Las técnicas físicas que se utilizan para una completa caracterización de materiales cerámicos pueden clasificarse en : de difracción microscópicas espectroscópicas Además, otras técnicas como análisis térmico, medidas magnéticas y basados en otras propiedades físicas pueden proporcionar información valiosa
el denominado análisis térmico Por el contrario las técnicas físicas de caracterización de materiales vítreos.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
En general. dos tipos de técnicas concretas son fundamentales en la caracterización de los materiales cerámicos difracción de polvo de rayos X microscópia electrónica En este tema. por su importancia en la determinación de las características de las fases cristalinas que constituyen los productos cerámicos
. o incluso de fases vítreas incluidas en materiales cerámicos. del tipo de radiación (monocromática o policromática) y del tipo de detector surgen las diferentes técnicas de difracción Las diferentes técnicas nos permitirán conocer desde la estructura cristalina de un monocristal hasta las tensiones de particulas nanométricas en muestras policristalinas En este curso vamos a tratar con cierto detalle la difracción de polvo de rayos X. son las espectroscópicas
¿En qué consiste la difracción de rayos X ?
El experimento consiste en irradiar una muestra sólida con radiación X y detectar los rayos X difractados En función de la naturaleza de la muestra (monocristalina o policristalina). por tanto trataremos los fundamentos de ambas técnicas y además discutiremos las bases de la caracterización basada en las propiedades térmicas de los materiales.
originados en un filamento (cátodo) sobre un metal (ánodo) La radiación X originada tiene dos componentes Radiación blanca. policromática Radiaciones características. que idealmente tiene los cristales (granos) dispuestos al azar en todas las posibles orientaciones. molibdeno (Mo) y plata (Ag) ¡En los experimentos de difracción de polvo de rayos X se utilizan radiaciones monocromáticas Kα¡ Difracción de rayos X en cristales. Kα y Kβ del ánodo de Cu (cobre) componentes de Kα del espectro característico. hierro (Fe).Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Difracción de polvo de rayos X
En esta técnica un haz de rayos X monocromático incide sobre una muestra de polvo muy fino. Kα1 y Kα2 Longitudes de onda de diferentes ánodos. monocromáticas Radiación caracteristica. detectándose los rayos X difractados mediante una película fotográfica (métodos de Debye-Scherrer y Guinier) o contador de radiación (método del difractómetro)
Rayos X y su generación Los rayos X son radiación electromagnética de longitud de onda de aproximadamente 1 Å (10-10 m) Se generan al incidir electrones acelerados. Ley de Bragg El modelo utilizado por Bragg es considerar los cristales como formados por capas o planos actuando como espejos semitransparentes
. como (Cr).
siendo el resto transmitido para ser reflejados por subsiguientes planos Condición para que los rayos difractados esten en fase y la interferencia sea constructiva La diferencia de camino recorrido por los diferentes rayos incidiendo a un angulo determinado debe ser un número entero de longitudes de onda. el angulo entre rayos difractados y no difractados (transmitidos) es 2θ y el angulo del cono es 4θ ¡Cada conjunto de planos generará su propio cono de difracción! En función del método de detección del cono de difracción surgen los dos tipos de técnicas de diffracción de rayos X
.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Algunos de los rayos X son reflejados por un plano con un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia. denominada Ley de Bragg La ley de Bragg permite obtener las condiciones de difracción para un cristal aunque las hipotesís para su deducción no sean correctas
¿Qué métodos se utilizan para detectar el haz difractado ? El único requerimiento para la difracción es que los planos de red (con distancia reticular d) formen un angulo θ con la radiación X incidente Para cualquier conjunto de planos de red la radiación difractada por la muestra de polvo conteniendo cristales en todas las posibles orientaciones forma la superficie de un cono Si θ es el angulo de Bragg. el angulo de difracción ( angulo de incidencia o reflexión) y λ de la radiación incidente es n λ= 2 d sen Θ. La relación entre la distancia reticular del conjunto de planos (distancia entre los planos).
siendo S la separación entre los pares de los correspondientes arcos y R el radio de la cámara La principal desventaja de estas cámaras de difracción es la poca resolución Actualmente se utiliza el método de Guinier.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Método de Debye-Scherrer La detección de los conos de difracción se realiza con una tira de película fotográfica que se coloca rodeando a la muestra Cada cono intersecta la pelicula como dos pequeños arcos que son simétricos respecto a los orificios de entrada y salida del haz incidente La relación que permite obtener los espaciados (d) para cada difracción es S/2πR=4θ/360. alcanzando muy buena resolución de lineas en tiempos pequeños
Difractometría En este caso la radiación difractada se detecta con un detector (contador de centelleo o contador Geiger) conectado a un ordenador El experimento consiste en colocar la muestra en el centro de lo que se denomina círculo difractométrico. en que el ángulo formado por el haz incidente y difractado es 2θ (siendo θ el angulo de Bragg) Se obtiene un registro de la intensidad del haz difractado en función del angulo 2θ formado entre el rayo difractado y el no difractado (incidente)
. sustituyendo al de DebyeScherrer. estando la fuente de rayos X fija en un punto de la circunferencia y el detector moviéndose alrededor de la circunferencia La muestra gira a una velocidad angular constante θ/min y el detector a una velocidad de 2θ/min La razón radica. como en general en los métodos de polvo.
lo que implica una dramática mejora de la resolución y reducción del tiempo del experimento ¿Cómo se pueden enfocar o converger rayos X? No se pueden utilizar lentes ópticas Se hace uso de las propiedades del círculo Los ángulos incluidos en la circunferencia correspondientes al mismo arco son iguales El principío del método de enfoque es disponer la fuente de rayos. lo que permitirá obtener espaciados d Intensidad relativa de las líneas
Usualmente el intervalo de 2θ de 10º a 80 º es suficiente para obtener un patrón de polvo Se utiliza un haz de rayos X convergente. la muestra y el detector sobre la circunferencia de un círculo denominado círculo de enfoque Este círculo es de tamaño variable disminuyendo cuando el angulo de Bragg aumenta ¿Cómo se preparan las muestras? Como delgadas capas de polvo fino (particulas entre 1 y 10 µm) espolvoreadas sobre un porta de vidrio untado con vaselina. evitando orientaciones preferenciales
Aplicaciones de la difracción de polvo de rayos X Un patrón de polvo presenta tres características que pueden medirse cuantitativamente. o Como laminas delgadas de polvo prensadas Es muy importante conseguir una muestra que contenga los cristales orientados al azar. en orden decreciente de importancia Posición de las líneas 2θ.
000 entradas Pueden identificarse muestras polifásicas Detectarse fases minoritarias Otros usos de la difracción de polvo Analisís cuantitativo de fases: Método del patrón interno Refinamiento de los parametros de celda unidad e indexación del patrón de polvo Determinación de la estructura cristalina Medida del tamaño de particula Orden de corto alcance en sólidos no cristalinos Defectos en cristales y desorden
¿Qué técnicas microscópicas se utilizan en la caracterización de los materiales cerámicos ?
En la caracterización de un material es interesante examinarlo bajo aumento
Perfil de picos En función del tipo de aplicación se requiere un mayor control del experimento de difracción Identificación cualitativa de la(s) fase(s) presentes en un material mono o polifásico Cada fase (sustancia cristalina) tiene su propio patrón de polvo característico que puede utilizarse para su identificación Los patrones de referencia se encuentran acumulados en una base de datos de patrones de difracción de polvo. La sección inorgánica de la base contendra más de 100.
el haz de luz o electrones es “reflejado” por la superficie de la muestra
Microscopía óptica Se utilizan dos tipos de microscopíos ópticos Petrográficos o de luz polarizada Metalúrgicos o de luz reflejada Usos de la microscopía óptica Identificación de fases. el haz de luz o electrones pasa a traves de la muestra Reflexión.4 a 0. permite observar hasta 100 nm Transmisión. pureza y homogeneidad Morfología y simetría de fases cristalinas
Microscopía electrónica Estas técnicas proporcionan una amplia información estructural En función de la técnica se pueden llegar a observar átomos individuales Barrido (reflexión).7 µm) Para particulas submicrométricas es indispensable utilizar la microscopía electrónica Tipos de instrumentos En ambas técnicas se utilizan dos tipos Transmisión. permite alcanzar el nivel atómico Microscopía electrónica de barrido Se producen varios efectos útiles en la interacción electrón-materia (muestra)
Mediante las técnicas de microscopía óptica y/o microscopía electrónica La microscopía óptica permite observar particulas de tamaños superiores a la longitud de onda de la luz (0.
Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Electrones secundarios. permiten obtener información analítica
El principio básico de las técnicas espectroscópicas consiste en que los materiales cerámicos son capaces de absorber o emitir energía bajo ciertas condiciones Los espectros que muestran los resultados experimentales se presentan en una gráfica de intensidad de la emisión o absorción en función de la energía ¡Las técnicas espectroscópicas complementan la información de obtenida mediante difracción ! Información sobre la estructura local.
Otras tecnicas de caracterización basadas en las propiedades. permiten obtener imágenes composicionales Rayos X. permiten obtener imágenes topográficas Electrones retrodispersados. Analisis térmico
El análisis térmico puede definirse como la medida de las propiedades físicas y químicas de los materiales en función de la temperatura ¿Qué propiedades se utilizan en la práctica ? Entalpía Capacidad calorífica Masa Coeficiente de expansión térmica ¿Cuales son las principales técnicas de análisis térmico ? Análisis termogravimétrico (ATG)
produciendose un cambio de peso desde Pinicial a Pfinal En ATG los pesos Pinicial y Pfinal y la diferencia de peso ∆P son propiedades fundamentales de la muestra y pueden utilizarse para cálculos cuantitativos Sin embargo.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Análisis térmico diferencial (ATD) Análisis termomecánico o dilatométrico
Analisis termogravimétrico (ATG) En esta técnica se registra el cambio de peso de una substancia en función de la temperatura o el tiempo Los resultados se presentan en un registro gráfico Caso de la descomposición de un compuesto (fase) en una sola etapa En condiciones de calentamiento dinámico la descomposición tiene lugar en un intervalo de temperaturas. las temperaturas Tinicial y Tfinal dependen de variables tales como Velocidad de calentamiento Naturaleza del sólido (tamaño de partícula) Atmósfera en la que se encuentra la muestra (en el reactor) Caso de la descomposición del CaCO3
Análisis térmico diferencial (ATD) En esta técnica se compara la temperatura de una muestra con la de un material inerte de referencia durante un cambio programado de temperatura Cuando se produce un evento térmico en la muestra se origina una diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia inerte (∆T)
. de Tinicial a Tfinal.
Cambios reversibles e irreversibles durante el proceso de calentamiento Ciclo de histéresis y factores de los que depende Histéresis grande e irreversibilidad Caso del vidrio
. Al mismo tiempo un tercer termopar controla la temperatura del horno Los resultados se presentan en una representación gráfica de ∆T en función de la temperatura ¿Qué tipos de eventos (cambios) térmicos pueden producirse ? Fusión Descomposición Cristalización Cambio de estructura cristalina (cambio polimórfico) ¿Por qué se realiza el análisis diferencial.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
El dispositivo utilizado consiste en colocar la muestra y la refencia próximas en un horno que calienta o enfria a velocidad constante. ya que un evento térmico en la muestra se traduce en un ∆T entre la muestra y la referencia. Determinación de la riqueza del caolín. colocando termopares idénticos en ambas y conectandolos entre si. que se detecta mediante un voltaje neto de los termopares
Aplicaciones de ATD y ATG ATD y ATG simultaneos. es decir se sigue la evolución de la muestra y la referencia ? Se incrementa la sensibilidad.
Análisis dilatométrico En esta técnica se detecta el cambio de dimensiones lineales de la muestra en función de la temperatura La aplicación más importante de esta técnica es la medida del coeficiente de expansión térmica
Técnicas de caracterización microscópicas : Son técnicas que permiten obtener información estructural utilizando algún tipo de microscopio.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Técnicas de caracterización mediante difracción : Son técnicas en las que la radiación incidente es dispersada por los átomos o iones que actuan como fuentes secundarias. Técnicas de caracterización espectroscópicas : Se basan en la capacidad de los materiales en absorber o emitir energía bajo ciertas condiciones. Se originan cuando particulas cargadas de alta energia. Espectro característico : Los rayos X que se utilizan en casi todos los experimentos de difracción son radiación monocromática y su origen es la liberación de energia en forma de radiación X al producirse la transición de un electrón desde un orbital más externo a
. colisionan con la materia. la denominada radiación blanca (policromática) o espectro continuo. Se utilizan básicamente tres tipos de radiación. Parte de esa energia es convertida en radiación electromagnética. Espectro continuo : En la colisión de los electrones con la materia se produce una disminución de la velocidad o incluso son detenidos. tales como electrones acelerados mediante una diferencia de potencial de 30000 voltios. caracterizandose por presentar longitudes de onda superiores a un cierto valor límite. rayos X. electrones y neutrones. Fundamentalmente proporcionan información estructural de corto alcance (local). Radiación X : Son radiaciones electromagnéticas de longitud de onda aproximada de 1 Å y que se encuentran en el espectro electromagnético entre los rayos γ y los ultravioleta.
Planos reticulares : En una red cristalina pueden trazarse. Celda unidad : La unidad de repetición más pequeña que contiene la simetria completa de la estructura cristalina.
. en el que se ha extraido un electrón al colisionar los electrones acelerados incidentes con la materia. Distancia interplanar : La distancia d entre dos planos consecutivos de una misma familia. los cuales definen los ejes cristalográficos. se dice que son planos racionales o reales. La red en su conjunto puede considerarse generada mediante traslaciones de la celda unidad (paralelepípedo) en direcciones paralelas a sus aristas. se denomina distancia interplanar. Estos planos que colectivamente contienen todos los puntos de la red. b y c. en las más variadas direcciones. series de infinitos planos paralelos y equidistantes entre sí. Indices de Miller : Los números h. k y l. y los angulos α. Sistemas cristalinos : En función de las características específicas de simetria cualquier cristal puede ser adscrito a uno de los siete sistemas de ejes cristalográficos o sistemas cristalinos. Ejes cristalográficos : Si tomamos como origen uno de sus vértices. b y c. Parámetros reticulares : Las longitudes a. Difracción en cristales : Interferencia constructiva de un tipo de radiación que se dispersa en los átomos de un cristal. o simplemente espaciado. conteniendo cada uno de ellos sucesiones de puntos reticulares. escribiendose con la notación (h k l ). la celda unidad queda precisamente descrita por las direcciones y los módulos de los vectores unitarios de traslación. que identifican la posición y la orientación del plano respecto a los ejes cristalográficos. a. β y γ de este sistema de ejes son los denominados parámetros de celda unidad o constantes reticulares. Se hallan directamente reduciendo a los menores números enteros los valores inversos de las intersecciones fraccionarias del plano con los ejes cristalográficos.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
un orbital interno.
El límite de resolución es de alrededor de 1 µm. Fichero JCPDS : Contiene los patrones de difracción de polvo de las diferentes sustancias.
. tienen la característica adicional de suministrar el análisis elemental de la composición de la muestra. blanca o monocromática. Difracción de polvo de rayos X : Consiste en la realización del experimento de difracción sobre una muestra de polvo muy fino. como radiación (fuente de luz).01 y 10 µm Microscopía electrónica de transmisión : Utiliza los electrones transmitidos para generar información estructural sobre la muestra. referencia que puede utilizarse para su posterior identificación en un difractograma. Este se dispone para barrer un angulo de 2θ a una velocidad angular constante. La resolución esta entre 0. que están enfocados sobre la superficie de la muestra. Microscopía óptica : Técnica que utiliza luz visible.Química de Materiales Cerámicos – Notas del TEMA 3 – Profesor Javier Alarcón
Ley de Bragg : La ecuación de Bragg expresa las condiciones limitantes sobre los ángulos a los que se producirá la reflexión (difracción). tanto de barrido como de transmisión. Microanálisis : Algunos microscopios electrónicos. Microscopía electrónica de barrido : Utiliza electrones acelerados como fuente de radiación y la imagen se obtiene mediante barrido de un haz de electrones. procedentes de la fuente. La resolución alcanza valores proximos al Å. Difractometría de polvo : Es la técnica de difracción de polvo de rayos X que utiliza como detector un contador de radiación difractada. Poder de resolución : Capacidad de revelar detalles en un objeto. que idealmente tiene cristales dispuestos al azar en todas las posibles orientaciones. El fenómeno se basa en la identificación de la radiación X característica de los elementos que constituyen la muestra.
entre una muestra y un material inerte de referencia en función de la temperatura. Análisis termogravimétrico : Técnica que registra automáticamente el cambio de peso de una muestra en función de la temperatura o tiempo Análisis termomecánico o dilatométrico : Técnica en la que se detecta el cambio en dimensiones lineales de la muestra en función de la temperatura. ∆T. detectando por tanto los cambios en el contenido calorífico. Análisis térmico diferencial : Técnica que mide la diferencia de temperatura.
Análisis térmico : Puede definirse como la medida de las propiedades físicas y químicas de los materiales en función de la temperatura.
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