19/09/2016
Sub Pokok Materi Pertemuan ke-3 & 4
FILLER AND MATRIX Nurun Nayiroh, M.Si
Matriks dan Fiber: a. Reinforcements (Bahan Pengisi/penguat): Carbon Fibres, Glass Fibres, Organic Fibres, Silicon Carbide, Alumina and Aluminosilicates b. Kekuatan dari Reinforcement: Stabilitas Thermal, Compressive Strength, Fibre Fracture and flexibility, a statistical treatment of fibre strength c. Matrices: Polimer Matrices, Metal Matrices, Ceramic matrices
Mata Kuliah Komposit
Review:
Classification of Composite by Filler Type:
Metals
Polymers
– Particle-reinforced composites – Fiber-reinforced composites – Structural composites
Ceramics
Composites
1. Particle-Reinforced Composites Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel: a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi. Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel: a) Metalurgi Serbuk b) Stir Casting Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu c) Infiltration Process 1)Large particle d) Spray Deposition 2)Dispersion strengthened particle a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%. e) In-Situ Process
1) Large particle Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata Partikelnya kurang lebih harus sama sumbu. Volume fraction dependent on desired properties. Contoh dari large particle composit: cement dengan sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand sebagai partikel
b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.
1
19/09/2016
• Other examples: - Spheroidite matrix: ferrite (α) steel
particles: cementite (Fe3 C) (brittle)
(ductile) 60 µm
- WC/Co cemented carbide (CERMET)
Matrix : cobalt (ductile) Vm : 5-12 vol%!
particles: WC (brittle, hard)
Adapted from Fig. 10.19, Callister 7e. (Fig. 10.19 is copyright United States Steel Corporation, 1971.)
Adapted from Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.)
600 µm
- Automobile matrix: rubber tires
particles: C (stiffer)
(compliant)
Adapted from Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.)
0.75 µm
• Elastic modulus is dependent on the volume fraction • “Rule of mixtures” equation – E- elastic modulus, V- volume fraction, m- matrix, pparticulate – upper bound (iso-strain)
E c = E m Vm + E p V p
– lower bound (iso-stress)
Ec =
Em E p E p Vm + E mVp
Bahan Komposit Large-Particle
Rule of Mixtures
• All three material types
Actual Values
* ** * *
*
*
Lower bound
E - particulate
– metals, ceramics, and polymers Upper bound
E- matrix
Volume Fraction in Large Particle Composites
conc. of particulates
2) Dispersion Strengthened particle • Metals and metal alloys – hardened by uniform dispersion of fine particles of a very hard material (usually ceramic)
• Strengthening occurs through the interactions of dislocations and the particulates • Examples • Thoria in Ni • Al/Al2O3 sintered aluminum powder SAP • GP zones in Al
• CERMET (ceramic-metal composite) – cemented carbide (WC, TiC embedded in Cu or Ni) – cutting tools (ceramic hard particles to cut, but a ductile metal matrix to withstand stresses) – large volume fractions are used (up to 90%!)
2. Fiber-Reinforced Composites Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum.
2
19/09/2016
• • •
•
Matriks yang dipadukan dengan fiber berfungsi sebagai : Penjepit fiber Melindungi fiber dari kerusakan permukaan Pemisah antara fiber dan juga mencegah timbulnya perambatan crack dari suatu fiber ke fiber lain Berfungsi sebagai medium dimana eksternal stress yang diaplikasikan ke komposit, ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.
Persyaratan bahan matriks yang harus dipenuhi pada Fiber-reinforced composite: • Ductile • Lower E than for fiber • Bonding forces between fiber and matrix must be high – otherwise fiber will just “pull-out” of matrix
• Generally, only polymers and metals are used as matrix material (they are ductile)
Ultimate Tensile Strength (UTS) (kuat tarik utama), sering disingkat menjadi Tensile Strength (TS) atau Ultimate Strength, adalah tegangan maksimum dimana material dapat menahan ketika sedang diregangkan atau ditarik sebelum necking (ketika penampang spesimen mulai berkontraksi secara signifikan). Kekuatan tarik (TS) adalah kebalikan dari kuat tekan dan nilainilainya bisa sangat berbeda.
Fiber yang digunakan sebagai reinforced harus memiliki syarat sebagai berikut : a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya. b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut : a) Distribusi b) Konsentrasi c) Orientasi d) Bentuk e) ukuran
a. Short(discontinuous) fiber reinforced composites
Aligned
Random
b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites
Parameter fiber dalam pembuatan komposit
3
19/09/2016
Fiber Alignment
Aligned Fibers
Adapted from Fig. 16.8, Callister 7e.
• When fibers are aligned – properties of material are highly anisotropic – modulus in direction of alignment is a function of the volume fraction of the E of the fiber and matrix – modulus perpendicular to direction of alignment is considerably less (the fibers do not contribute) aligned continuous
Randomly Oriented Fibers
aligned random discontinuous
Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu:
• Properties are isotropic – not dependent on direction
• Ultimate tensile strength is less than for aligned fibers • May be desirable to sacrifice strength for the isotropic nature of the composite
a) Continuous Fiber Composite Continuous atau uni-directional, mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan. Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriksnya. b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)
c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite) Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi : 1) Aligned discontinuous fiber 2) Off-axis aligned discontinuous fiber 3) Randomly oriented discontinuous fiber Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama.
Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan tidak sebaik tipe continuous fiber.
4
19/09/2016
d) Hybrid fiber composite Hybrid fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurus dengan serat acak. Pertimbangannya supaya dapat mengeliminir kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.
Bahan Fiber yang biasa digunakan antara lain : 1. Fibers – Glass – Sangat umun digunakan, fiber yang murah adalah glass fiber yang sering digunakan untuk reinforcement dalam matrik polimer – Komposisi umum adalah 50 – 60 % SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll. – Moisture dapat mengurangi kekuatan dari glass fiber – Glass fiber sangat rentan mengalami static fatik – Biasanya digunakan untuk: piping, tanks, boats, alat-alat olah raga
Keuntungan : Sifat-Sifatnya • Densitynya cukup rendah ( sekitar 2.55 g/cc) • Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1.8 GPa) • Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa) • Stabilitas dimensinya baik • Resisten terhadap panas • Resisten terhadap dingin • Tahan korosi
• Biaya murah • Tahan korosi • Biayanya relative lebih rendah dari komposit lainnya
Kerugian • Kekuatannya relative rendah • Elongasi tinggi • Keuatan dan beratnya sedang (moderate)
Jenis-jenisnya antara lain : –
–
E-Glass - electrical, cheaper S-Glass - high strength
2. Carbon Fibers • Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/cc • Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan. • Karakteristik komposit dengan serat karbon : – ringan; – kekuatan yang sangat tinggi; – kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.
• Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap proses : • Stabilisasi = peregangan dan oksidasi; • Karbonisasi= pemanasan untuk mengurangi O, H, N; • Grafitisasi = meningkatkan modulus elastisitas.
5
19/09/2016
• Proses produksi pada fiber-carbon yaitu sebagai berikut : 1. Open Mold Process a. Hand Lay-Up b. Spray Lay-Up c. Vacuum Bag Moulding d. Filament Winding 2. Closed Mold Process a. Resin Film Infusion b. Pultrusion
Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat dikelompokkan menjadi 3: 1. Whisker 2. Fiber 3. Wire
WHISKER merupakan kristal tunggal yang sangat tipis dengan rasio panjang/diameter yang sangat besar. Akibat ukurannya yang kecil, maka tingkat kesempurnaan kristalnya tinggi, sehingga kekuatannya/strength sangat tinggi → merupakan salah satu material yang paling kuat. Meskipun demikian, whisker jarang dipakai karena harganya sangat mahal. Selain itu, menyatukan whisker dengan matriks juga sangat sulit. Contoh material whisker adalah grafit, silikon karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.
Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials
FIBER adalah material polikristalin atau amorfus yang memiliki diameter kecil. Material fiber bisa berupa polimer atau keramik, seperti aramid polimer, kaca, karbon, boron, aluminum oksida, dan silikon karbida. WIRES memiliki diameter yang relatif besar. Contoh: baja, molybdenum, dan tungsten. Wire digunakan sebagai radial steel reinforcement dalam ban mobil, filament-wound rocket casings, dan in wire-wound high-pressure hoses.
6
19/09/2016
Composite Strength: Longitudinal Loading
Elastic Behavior Derivation (Longitudinal Loading)
Continuous fibers - Estimate fiber-reinforced composite strength for long continuous fibers in a matrix • Longitudinal deformation
σc = σmVm + σfVf
but
εc = εm = εf
volume fraction
Ece = Em Vm + EfVf
∴
Ff EV = f f Fm E mVm
isostrain
longitudinal (extensional) modulus Remembering: E = σ/ε f = fiber m = matrix
and note, this model corresponds to the “upper bound” for particulate composites
Consider longitudinal loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostrain condition). εm = εf = εc The total load on the composite, Fc, is then equal to loads carried by the matrix and the fibers Fc = Fm + Ff Substituting for the stresses σcAc = σmAm + σfAf Rearranging σc = σm Am/Ac + σf Af /Ac were Am /Ac and Af /Ac are the area fractions of matrix and fibers, respectively. If the fiber length are all equal than then these terms are equivalent to the volume fractions Vf = Af /Ac & Vm = Am /Ac σc = σm Vm + σf V Can also show ratio of load Using the isostrain constraint and Hookes Law, σ = εE carried by fiber and matrix: Ff/Fm = EfVf/EmVm Fc = Ff + Fm
Ec = EmVm + Ef Vf
Composite Strength: Transverse Loading
Elastic Behavior Derivation (Transverse Loading)
• In transverse loading the fibers carry less of the load and are in a state of ‘isostress’ σc = σm = σf = σ
∴
1 V V = m + f E ct E m Ef
εc= εmVm + εfVf
transverse modulus
Remembering: E = σ/ε and note, this model corresponds to the “lower bound” for particulate composites
Consider transverse loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostress condition). σm = σf = σc = σ The total strain of the composite is given by εc = εm Vm = εf Vf Using Hookes Law ε = σ/E and the isostress constraint σ/Ec = (σ/Em) Vm + (σ/Ef) Vf Dividing by σ, Algebraically this becomes
Ec =
EmEf Ef Vm + EmVf
Composite Strength
An Example:
Particle-reinforced
Fiber-reinforced
Structural
• Estimate of Ec and TS for discontinuous fibers: UTS, SI
Modulus, SI
57.9 MPa
3.8 GPa
2.4 GPa
399.9 GPa
-- valid when fiber length > 15
σf d τc
-- Elastic modulus in fiber direction: (241.5 GPa)
Ec = EmVm + KEfVf efficiency factor:
(9.34 GPa)
-- aligned 1D: K = 1 (aligned ) -- aligned 1D: K = 0 (aligned ) -- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy) -- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy)
Values from Table 16.3, Callister 7e. (Source for Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.)
-- TS in fiber direction: Note: (for ease of conversion)
(TS)c = (TS)mVm + (TS)fVf
(aligned 1D)
6870 N/m 2 per psi!
7
19/09/2016
Composite Survey: Fiber
Composite Survey: Fiber Particle-reinforced
Fiber-reinforced
-- Metal: γ'(Ni3Al)-α(Mo)
-- process: fiber/pitch, then burn out at up to 2500ºC. -- uses: disk brakes, gas turbine exhaust flaps, nose cones.
-- Ceramic: Glass w/SiC fibers formed by glass slurry Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa.
matrix: α (Mo) (ductile)
(a)
2 µm
From W. Funk and E. Blank, “Creep deformation of Ni3Al-Mo in-situ composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp. 987-998, 1988. Used with permission.
Fiber-reinforced
• Discontinuous, random 2D fibers • Example: Carbon-Carbon
by eutectic solidification.
fibers: γ’ (Ni3Al) (brittle)
Particle-reinforced
Structural
• Aligned Continuous fibers • Examples:
(b)
fracture surface From F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL.
C fibers: very stiff very strong
(b)
C matrix: less stiff
view onto plane less strong
• Other variations: -- Discontinuous, random 3D -- Discontinuous, 1D
Structural
(a)
fibers lie in plane
Ec = EmVm + KEfVf efficiency factor: -- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy) -- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy)
Influence of Fiber Length
Influence of Fiber Length • Mechanical properties depend on: • mechanical properties of the fiber • how much load the matrix can transmit to the fiber – depends on the interfacial bond between the fiber and the matrix
• Critical fiber length -
lc – “Continuous” fibers l >> 15 lc – “Short” fibers are anything shorter 15 lc
lc = σfd/2τc
No Reinforcement
where
• Critical fiber length - depends on • fiber diameter, fiber tensile strength • fiber/matrix bond strength
Influence of Fiber Orientation • Fiber parameters – arrangement with respect to each other – distribution – concentration
• Fiber orientation – parallel to each other – totally random – some combination
d = fiber diameter τc = fiber-matrix bond strength σf = fiber yield strength
Example • Calculate the composite modulus for polyester reinforced with 60 vol% E-glass under iso-strain conditions. • Epolyester = 6.9 x 103 MPa • EE-glass = 72.4 x 10 3 MPa
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa) = 46.2 x 103 MPa
8
19/09/2016
Home work A continuous and aligned glass reinforced composite consists of 40 vol% glass fiber having E = 69 GPa and a polyester resin matrix, that when hardened, has E = 3.4 GPa. a) Compute modulus of elasticity under longitudinal and transverse loading. b) If the cross-sectional area is 250 mm2 and a stress of 50 MPa is applied longitudinally, compute magnitude of load carried by each the fiber and matrix phases. c) Determine strain on each phase in c
Other Composite Properties • In general, the rule of mixtures (for upper and lower bounds) can be used for any property Xc - thermal conductivity, density, electrical conductivityTetc. Xc = XmVm + XfVf Xc = XmXf/(VmXf + VfVm)
Tensile Strength
Discontinuous Fibers • Aligned
• In longitudinal direction, the tensile strength is given by the equation below if we assume the fibers will fail before the matrix:
σ∗c = σ’mVm + σ’fVf
σ∗c = σ∗fVf(1-lc/2l) + σ’mVm σ∗c = (lτc/d)Vf + σ’mVm
for l > lc for l < lc
• Random Ec = KEfVf + EmVm
where K ~ 0.1 to
0.6
3/8 1/5
3. Structural ReinforcedComposites • Definition – composed of both homogeneous and composite materials – properties depend on constituent materials and on geometrical design of the elements
• Types – laminar composites – sandwich panels
Laminar Composites • Two dimensional sheets or panels with a preferred highstrength direction • Q. What is a natural example of this? • A. Wood • Q. What is a man made example • A. Plywood - Layers are stacked and subsequently bonded together so that the high strength direction varies
9
19/09/2016
Sandwich Panels
Sandwich Panel
• Two strong outer sheets (called faces) separated by a layer of less dense material or core (which has lower E and lower strength) • Core – separates faces – resists deformation perpendicular to the faces – often honeycomb structures
• Used in roofs, walls, wings
10
