Mismo volumen, distinta densidad: lo que dicen los pesos cerámicos

Una guía autorizada pero de fácil lectura para ingenieros, compradores y equipos de diseño.
Cuando se sostienen dos piezas idénticas de material cerámico y se observa que una es notablemente más pesada, esto refleja la densidad del material, una propiedad fundamental que influye en la resistencia, el rendimiento térmico, la maquinabilidad y, en última instancia, en la selección de componentes.
Realizamos experimentos sencillos para comparar los pesos de materiales cerámicos de igual volumen, explicamos las diferencias y le mostramos cómo aplicar estos conocimientos a la hora de seleccionar materiales para los componentes de sus dispositivos.

Resumen de la prueba

Geometría de la muestra: bloque de 9 × 9 × 9 mm
Materiales: Macor, óxido de aluminio, nitruro de aluminio, carburo de silicio, óxido de circonio
Medidas comunicadas (sólo como referencia)

Material	Peso medido	Densidad declarada
Macor	1.8 g	2,52 g/cm³
Alúmina (Al₂O₃)	2.8 g	3,93 g/cm³
Nitruro de aluminio (AlN)	2.4 g	3,34 g/cm³
Carburo de silicio (SiC)	2.2 g	3,15 g/cm³
Circonio (ZrO₂)	4.4 g	6,02 g/cm³

La densidad es algo más que el peso

La densidad refleja la complejidad atómica o molecular y si el material es completamente denso o contiene poros microscópicos. Una mayor densidad se asocia a un mayor módulo elástico, una mayor masa inercial y una mayor resistencia (aunque esto no es absoluto: la microestructura y la resistencia también son importantes.). Una menor densidad indica la presencia de porosidad artificial (por ejemplo, sinterización incompleta, que reduce la resistencia del material).

Circonio (ZrO₂) - Tiene la mayor densidad. Suelen utilizarse cuando la tenacidad y la resistencia al desgaste son prioritarias (por ejemplo, cojinetes, implantes médicos). La alta densidad también aumenta la masa y la inercia.

Óxido de aluminio (Al₂O₃) - Denso y resistente; a menudo se utiliza para aislantes eléctricos estructurales y componentes resistentes al desgaste.

AlN - Moderadamente denso pero con una excelente conductividad térmica (buena transferencia de calor y aislamiento eléctrico).

SiC - Generalmente muy duro y resistente al desgaste; la densidad varía en función del proceso de mecanizado (el SiC poroso puede ser más ligero).

Macor - Ligero y fácil de mecanizar; Su menor densidad facilita el conformado y el roscado, pero su resistencia mecánica es inferior a la de las cerámicas de óxido denso.

Implicaciones prácticas para el diseño y la contratación

Ahora que hemos obtenido estos resultados, ¿cómo podemos aplicarlos al mundo real?
Para aplicaciones sensibles a la masa (como aeroespacial), elija cerámica de baja densidad - sino examinar cuidadosamente requisitos de resistencia.
Cerámica densa (como circonio y alúmina de gran pureza) superan a los materiales de baja densidad en flexión y pruebas de desgaste. Por lo tanto, para aplicaciones sensibles a impactos o fracturas, resistencia a la fractura y densidad son los factores determinantes.
Densidad también se correlaciona con capacidad calorífica y afecta a inercia térmica. Para aplicaciones que requieren transferencia de calor, Considere materiales con conductividad térmica superior, no sólo la densidad.
Para maquinabilidad y creación de prototipos, baja densidad Cerámica mecanizable Macor son ideales, ya que permiten prototipado rápido y más fácil post-procesamiento (roscado, taladrado). Sin embargo, son no apto para aplicaciones que requieran gran resistencia y rendimiento térmico.