BAB III BAHAN KERAMIK Bahan keramik merupakan senyawa inorganik dan merupakan bahan bukan logam (non metallic material). Keramik tersusun dari unsur logam (metallic) dan non logam (non metallic) dengan ikatan ion atau kombinasi ikatan ion dan kovalen. Struktur Keramik Struktur keramik lebih kompleks dibanding logam karena tersusun dari 2 atom atau lebih unsur dengan ikatan ion atau kovalen dimana sifat-sifat ikatan atom ini dipengaruhi
oleh tingkat
elektronegativitas
dari
atom-atom
penyusunnya.
Beberapa keramik dapat disusun berdasarkan tingkat elektronegativitasnya seperti pada contoh di bawah :
Untuk bahan keramik dengan ikatan ion, struktur kristal dari keramik dapat dianggap tersusun dari ion positif (kation) dan ion negatif (anion). Karakteristik ionion yang mempengaruhi struktur kristal adalah : 1. Besarnya muatan listrik setiap komponen ion : Ca2+,
,
, Na+
2. Ukuran dari kation dan anion, yaitu perbandingan rdra dengan dan ra adalah jarijari kation dan anion
Gambar 3.1. Konfigurasi kestabilan anion-kation
Struktur kristal keramik dapat dibedakan menjadi tipe AX, AmXp dan AmBnXp Struktur Kristal Tipe AX Struktur kristal ini ditandai dengan jumlah kation dan anion yang sama dengan A sebagai kation dan X sebagai anion. Termasuk dalam struktur tipe AX adalah :
Struktur NaCl(Natrium Klorida) : NaC1, MgO, MnS, LiF dan FeO
Struktur CsC1 (Cesium Klorida)
Struktur Zinc Blende (ZnS) re/rA = 0,414 — 0,732 Struktur kristal NaC1 terbuat dari struktur kristal fcc anion dengan satu atom kation pada pusat fcc tersebut dan satu atom di tiap rusuknya
Gb. 3.2. Struktur kristal NaC1
Struktur kristal CsCl terbuat dari struktur kristal bcc anion dengan satu atom kation pada pusat bcc tersebut.
Gb. 3.3. Struktur kristal CsC1
Ion S membentuk struktur kristal fcc sedangkan Zn berada di dalam kubus.
Gb. 3.4. Struktur kristal ZnS Struktur Kristal Tipe AmXp Jika muatan kation dan anion tidak sama maka akan terbentuk senyawa dalam bentuk A„,Xp dengan p≠1. Contoh senyawa ini adalah CaF2 (kalsium fluorite). Struktur Kristal Tipe AmBn Xp Senyawa keramik dapat terbentuk dari 2 kation atau lebih dan dapat dinyatakan dalam bentuk AmBn Xp . Contoh untuk tipe ini adalah BaTiO3 .
Gb. 3.5. Struktur kristal CaF2
Gb. 3.6. Struktur kristal BaTiO3
Massa Jenis Keramik Kerapatan atau massa jenis keramik dinyatakan dengan persamaan :
= dengan : n
(∑
+ ∑
)
: jumlah unit formula (jumlah ion dalam senyawa)
Ac
: jumlah massa atom kation
AA
: jumlah massa atom anion
Vc
: volume unit cell
NA
: bilangan Avogadro : 6,023.1023
Beberapa bahan keramik yang penting dan banyak digunakan di bidang teknik adalah silikat (silicate) dan karbon. Silikat Silikat (silicate) merupakan senyawa antara Si dan oksigen dimana 2 unsur ini terdapat dalam jumlah yang besar di dalam kerak bumi. Di dalam mempelajari silikat ini, biasanya lebih mudah menggunakan berbagai susunan Si044- dalam bentuk tetrahedron daripada menggunakan unit cell. Ikatan Si-O merupakan ikatan kovalen yang relatif lebih kuat daripada ikatan ion.
Gambar 3.7. Struktur tetrahedron Silika (silica)
0
Silika (SiO2) merupakan bahan silikat. Ikatan Si-O sangat kuat sehingga mempunyai titik lebur (melting point) yang tinggi yaitu sekitar 1710 °C.
Gelas (glass) Gelas merupakan bahan silika yang tidak mempunyai struktur kristal tertentu pada kondisi padat. Susunan tom-atom pada gelas tidak teratur (random) seperti zat cair sehingga bahan gelas dinamakan pula silika cair (fused silica) atau vitreous silica. Perbandingan antara silika dengan struktur kristal dan non kristal seperti terlihat pada gambar di bawah.
Gambar 3.8 (a) Silika dengan kristal cristobalite dan (b) posisi ion pada gelas Karbon (C) Karbon merupakan unsur yang bersifat polymorphic dan juga amorphous. Bahan yang termasuk golongan karbon adalah grafit dan intan. Bahan karbon sering dikelompokkan ke dalam bhan keramik. Intan Intan dalah salah satu bentuk karbon pada kondisi metastable pada tekanan atmosfir dan suhu kamar. Struktur kristal intan seperti terlihat pada gambar 3.9 di bawah.
Gambar 3.9. Struktur kristal intan Sifat fisik intan ditandai dengan kekerasannya yang tinggi dan konduktivitas listrik yang rendah. Karena kekerasannya tinggi, intan digunakan untuk melapisi permukaan mata drill, dies dan alat iris lainnya dengan menggunakan metode vapour-phase chemical reaction. Grafit Grafit merupakan bentuk lain dari C dengan struktur atom heksagonal. Grafit lebih stabil daripada intan pada tekanan dan suhu atmosfir. Sifat-sifat grafit diantaranya adalah stabilitas kimia dan kekuatan yang baik pada suhu tinggi, konduktivitas panas baik, koefisien muai rendah dan mudah dimesin.
Gambar 3.10. Struktur kristal grafit
Grafit biasanya dipakai untuk elemen pemanas dapur listrik, elektroda pada las busur, cetakan untuk pengecoran dan bahan isolasi pada nozzle roket, bejana tekan, dll. Sifat-sifat Mekanis Keramik Keramik bersifat getas dengan energi patah yang kecil. Beberapa pengujian mekanik untuk bahan keramik diantaranya adalah : Sifat Tegangan-Regangan Karena sifatnya yang getas, sifat tegangan-regangan keramik tidak bisa dilpelajari dengan cara pengujian tank. Pengujian yang biasanya dipakai adalah pengujian lengkung (bending test).
Gambar 3.11. Pengujian lengkung tiga titik (three point bending test) Tegangan dimana terjadi perpatahan dinamakan flexural strength / modulus of rupture / fracture strength / bend strength yang besarnya :
= =
untuk penampang segi empat
untuk penampang lingkaran
Sifat Deformasi Plastis Sifat deformasi plastis pada keramik kristal berbeda dengan keramik non kristal. Pada keramik kristal sifat plastis ditentukan oleh gerakan dislokasi atau slip dimana dislokasi lebih mudah bergerak pada sistem slip keramik tersebut. Untuk keramik non kristal, deformasi plastis karena gerakan dislokasi tidak terjadi. Hal ini karena ketidakteraturan struktur atom. Jika tegangan bekerja, atom-atom atau ion-ion bergeser karena patahnya ikatan antar atom. Viskositas merupakan ukuran dari ketahanan terhadap deformasi untuk keramik non kristal, yaitu :
Gambar 3.12. Aliran viscous pada gelas cair Aplikasi Keramik Berdasarkan sifat-sifat fisika, bahan keramik dapat dibedakan menjadi : (1) bahan gelas, (2) tanah liat atau lempung (clay), (3) batu tahan api (refractory), (4) bahan abrasive, (5) semen dan (6) bahan keramik mutakhir. Bahan Gelas Bahan gelas tersusun dari silika non kristal dan mengandung oksida seperti CaO, Na2O, K2O dan A12O3 . Bahan gelas berbeda dengan bahan kristal saat proses pembekuan berlangsung. Pada bahan kristal (misal logam), volume jenis turun secara drastic saat pembekuan berlangsungpada suhu atau titik leleh Tm sedangkan pada bahan gelas terjadi penurunan volume jenis yang kontinyu.
Gambar 3.13. Perubahan volume jenis pada bahan kristal dan non kristal Pada bahan gelas, penurunan gradien (slope) kurva volume jenis vs suhu terjadi pada suhu Tg (suhu transisi gelas). Pada suhu di bawah Tg bahan keramik dinamakan gelas sedangkan di atas Tg dinamakan cair. Proses pembuatan gelas Gelas dibuat dengan jalan memanaskan bahan bahan mentah sampai terjadi peleburan. Selanjutnya dilakukan penekanan (pressing), peniupan (blowing) atau penarikan (drawing) tergantung pada bentuk benda yang diinginkan. Pressing
: biasanya untuk pembuatan bentuk benda yang tebal, misal pining
Blowing
: biasanya digunakan untuk pembuatan barang-barang seni seperti botol, bola lampu, dll.
Drawing
: biasanya digunakan untuk membentuk barang-barang yang panjang seperti pipa kaca, batang kaca, dll.
Gambar 3.14. Proses tekan (press) dan peniupan (blowing)
Gambar 3.15. Proses penarikan (thawing) kontinyu
