19/09/2016
The world of materials Pertemuan ke-2
Steels Cast irons Al-alloys
Metals
PENGANTAR UMUM MATERIAL KOMPOSIT Nurun Nayiroh, M.Si
Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys PE, PP, PC PA (Nylon)
Alumina Si-Carbide
Polymers, elastomers
Ceramics, glasses
GFRP CFRP
Soda-glass Pyrex
Composites
Butyl rubber Neoprene
KFRP Plywood
Polymer foams Metal foams
Foams Ceramic foams Glass foams
Woods
Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton
MATA KULIAH KOMPOSIT
CFRP – carbon fiber reinforced composite. GFRP – glass fiber reinforced composite
1
19/09/2016
Composites in industry • Engineering applications – Aerospace – Automobile – Pressure vessel and pipes •
Any place where high performance materials are desired
Turret Shield
Industrial Spring
Medical Table
Bullet proof shields
www.composiflex.com
Pengertian Komposit Berdasarkan arti kata, komposit berarti gabuangan atau susunan kombinasi. Jadi, material komposit merupakan material yang dibuat dari gabungan/kombinasi dari dua atau lebih material secara fisik (bukan kimia), yang berbeda secara komposisi dan ukuran secara makroskopis, di mana yang satu berfungsi sebagai penguat/pengikat terhadap yang lain. Jika kombinasi ini terjadi secara mikoroskopis (molekular level) maka disebut sebagai alloy atau paduan.
• Kombinasi dalam skala makroskopis adalah hal yang membedakan material komposit dengan material paduan (alloy). • Perbedaan utama material komposit terhadap material yang lain adalah pada sifat materialnya yang inhomogeneous dan orthotropic. • Material inhomogeneous adalah material yang sifatnya tidak seragam dan merupakan fungsi dari posisi pada tubuh material tersebut. • Material orthotropic adalah material yang sifatnya berbeda pada arah yang ada.
2
19/09/2016
Jenis Komposit Berdasarkan Reinforcement/Filler-nya Composites
Particle-reinforced
Largeparticle
Dispersionstrengthened
Fiber-reinforced
Continuous (aligned)
Structural
Discontinuous (short)
Aligned
Randomly oriented
Laminates
Sandwich panels
Adapted from Fig. 16.2, Callister 7e.
Gambar Ilustrasi komposit berdasarkan reinforcement-nya
3
19/09/2016
Penjelasan Berdasarkan penguatnya, komposit diklasifikasikan menjadi beberapa bagian: 1. Particle reinforced composite, yaitu komposit yang fasa terdispersinya sama besar pada semua arah (equiaxed). Berdasarkan mekanisme penguatannya dapat dibedakan lagi menjadi 2 jenis, yakni: a. Large particle, yaitu komposit yang tidak dapat di-treatment pada tingkat atom/molekul, menggunakan continuum mechanics (rangkaian kesatuan) contohnya: beton (kombinasi pasir, kerikil sebagai fasa terdispersi dan semen sebagai fasa matriks). b. Dispersion strengthened, yaitu komposit yang dapat di-treatment pada tingkat atom/molekul, menggunakan precipitation hardening, contohnya Thoria dispersed-nickel (TD nickel).
2. Fiber Reinforced Composite, yaitu komposit yang fasa dispersinya mempunyai bentuk geometri serat (mempunyai rasio antara panjang dan diameter yang besar). Berdasarkan panjang seratnya dapat dibedakan lagi menjadi: a. Continous (aligned), yaitu reinforced composite yang dibuat dari serat yang panjang dan disusun paralel antara satu dan yang lainnya. b. Discontinous (short), yaitu reinforced composite yang dibuat dengan serat yang pendek. Berdasarkan orientasi susunan seratnya dapat dibagi lagi menjadi aligned (paralel) dan randomly (acak sama sekali).
Nature of Composites:
•
Advantages: –
3. Structural Composite, yaitu material yang merupakan kombinasi dari komposit dan homogeneous, sifatnya bergantung pada material pembentuk dan rancangan geometri elemennya. Structural composite dapat dibedakan menjadi: a. Laminates, yaitu gabungan dua dimensional sheet atau panel yang mempunyai kecenderungan arah hight-strenght, contohnya plywood. b. Sandwich, yaitu komposit yang terdiri atas dua lapisan muka (face), diantaranya terdapat lapisan material berdensitas rendah (core) dan memiliki kekakuan dan kekuatan yang lebih rendah pula, contohnya kontruksi honeycomb core sandwich panel.
High strength to weight ratio (low density high tensile strength) or high specific strength ratio! • •
– – – – – – – – –
1020 HRS spec strength = 1 (E6 in) Graphite/Epoxy, spec strength = 5 (E6 in)
High creep resistance High tensile strength at elevated temperatures High toughness Generally perform better than steel or aluminum in applications where cyclic loads are encountered leading to potential fatigue failure (i.e. helicopter blades). Impact loads or vibration – composites can be specially formulated with high toughness and high damping to reduce these load inputs. Some composites can have much higher wear resistance than metals. Corrosion resistance Dimensional changes due to temp changes can be much less. Anisotropic – bi-directional properties can be design advantage (i.e. helicopter blades)
4
19/09/2016
Nature of Composites:
•
Disadvantages (or limitations): – – – – –
Material costs Fabrication/ manufacturing difficulties Repair can be difficult Wider range of variability (statistical spread) Operating temperature can be an issue for polymeric matrix (i.e. 500 F). Less an issue for metal matrix (2,700 F). Properties non-isotropic makes design difficult!
– •
–
Example – video test in line w/ fibers 10X stronger vs fibers oriented at an angle.
Inspection and testing typically more complex.
How are composites materials designed? • By comparing, and trying to combine the properties of the various engineered materials to meet the specifications of the usage planned for the composite.
5
19/09/2016
Struktur Komposit pada umumnya terdiri dari 2 komponen: Matriks dan Filler yang diikat oleh matriks sehingga sering disebut sebagai pengikat. Sebagai contoh, dalam komposit carbon fiber reinforced polymer, dimana dalam struktur komposit ini polimer sebagai matriks sedangkan fiber sebagai filler. Pada kasus komposit sruktural, filler biasanya berperilaku sebagai reinforcement (penguat). Sebagai contoh, fiber karbon sebagai penguat pada Polymer Matrix Composite.
Properties of some fibers
• Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah penyebutannya; – – – –
Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Fiber (Penahan beban utama), Interphase (pelekat antar dua penyusun), interface (permukaan phase yang berbatasan dengan phase lain).
6
19/09/2016
•
•
•
Secara strukturmikro material komposit tidak merubah material pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler. Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi. Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama: – Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel. – Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion). – Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel.
Perbedaan Komposit dan Alloy Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem proses pemaduannya: o Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanya komponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadi perpaduan yang homogen antara matrik dan filler o Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan material yang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifat material yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.
• Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel antara lain: o Ukuran partikel o Rapat jenis bahan yang digunakan o Fraksi volume material o Komposisi material o Bentuk partikel o Kecepatan dan waktu pencampuran o Penekanan (kompaksi) o Pemanasan (sintering)
Properties Komposit Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh: • Material yang menjadi penyusun komposit. Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional. • Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun. Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit. • Interaksi antar penyusun Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.
7
19/09/2016
8
