Carbon MATERI KE-11 & 12
FIBER CARBON DAN NANO FILLER Nurun Nayiroh, M.Si
Senyawaan yang terbentuk dari atom unsur karbon dengan struktur yang berbeda disebut alotrop karbon. Grafit, intan, fullerene dan karbon amorf merupakan contoh dari alotrop karbon. Bukan keramik, karena mereka tidak senyawa. Dalam tabel peridoik unsur karbon memiliki simbol C dengan nomor atom 6 dan terletak pada golongan 4A atau 14, periode 2 dan termasuk blok p. Konfigurasi elektron atom karbon adalah 1s22s2 2p2 atau [He] 2s2 2p2 dengan susunan elektron dalam kulit atomnya adalah 2, 4. Berdasarkan konfigurasi elektronnya diketahui bahwa karbon memiliki 4 elektron valensi. Empat elektron valensi karbon ini dapat digunakan untuk membentuk ikatan kovalen dengan atom lain maupun dengan atom karbon yang lain.
MATERIAL KOMPOSIT
Grafit Grafit merupakan alotrop karbon yang dapat menghantarkan arus listrik dan panas dengan baik. Dalam struktur grafit setiap atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan tiga atom karbon lainnya membentuk susunan heksagonal dengan struktur berlapis seperti tumpukan kartu. Karena atom karbon memiliki 4 elektron valensi maka pada setiap atom karbon masih terdapat satu elektron yang belum berikatan (elektron bebas).
Grafit Sifat daya hantar listrik yang dimiliki oleh grafit dipengaruhi oleh elektron-elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen. Elektron-elektron ini tersebar secara merata pada setiap atom C karena terjadi tumpang tindih orbital seperti pada ikatan logam yang membentuk awan atau lautan elektron. Oleh sebab itu ketika diberi beda potensial, elektron-elektron yang terdelokaslisasi sebagian besar akan mengalir menuju anoda (kutub positif), aliran elektron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir. Sedangkan ketika salah satu ujung dipanaskan maka elektronelektron ini akan segera berpindah menuju bagian yang memiliki suhu lebih rendah. Akibatnya panas tersebut akan menyebar ke bagian grafit yang memiliki suhu lebih rendah.
1
Grafit
Sifat dan Kegunaan Grafit Ikatan kovalen antar lapisan pada grafit relatif lebih lemah bila dibanding ikatan kovalen antar atom dalam satu lapisan. Dengan adanya hal ini menyebabkan grafit bersifat licin, karena lapisan yang berada dibagian atas mudah tergelincir atau mudah tergeser.
Gambar struktur Grafit
Intan
Sifat Intan
Intan atau berlian atau diamond merupakan alotrop karbon yang saat ini dikenal sebagai mineral alami yang paling keras. Memiliki jaringan ikatan kovalen yang sangat kuat karena hibridisasi sp3 (seperti silikon) Dalam struktur intan setiap atom karbon berikatan secara kovalen dengan atom 4 karbon lain dalam bentuk tetrahedral dan panjang setiap ikatan karbon-karbon adalah 0,154 nm.
Memiliki titik leleh tinggi.Hal ini disebabkan iktan kovalen yang terbentuk sangat kuat sehingga diperlukan energi yang tinggi untuk memutuskannya. Memiliki sifat lunak, terasa licin dan digunakan pada pensil setelah dicampur tanah liat. Tidak larut dalam air dan pelarut organik, karena tidak mampu mensolvasi molekul grafit yang sangat besar. Dibanding intan, grafit memiliki massa jenis yang lebih kecil, karena pada strukturnya terdapat ruang-ruang kosong antar lipatannya. Berupa konduktor listrik dan panas yang baik. Karena sifat ini grafit digunakan sebagai anoda pada baterai (sel Leclanche) dan sebagai elektroda pada sel elektrolisis.
Struktur atom intan
Intan merupakan mineral alami yang paling keras. Memiliki titik leleh yang sangat tinggi yakni 4827 °C). Hal ini disebabkan Ikatan kovalen karbon-karbon yang terbentuk pada struktur intan sangat kuat bahkan lebih kuat dari ikatan ionik. Berupa isolator namun dapat menyerap panas dengan sangat baik. Daya hantar listrik intan berkaitan dengan elektron yang digunakan untuk membentuk ikatan, dimana pada intan elektron-elektron berikatan sangat kuat sehingga tidak ada elektron yang bebas bergerak ketika diberi beda potensial. Tidak larut dalam air dan pelarut organik. Dalam hal ini tidak memungkinkan terjadinya daya tarik antara molekul pelarut dan atom karbon yang dapat membongkar dayatarik antara atomatom karbon yang berikatan secara kovalen. Akibat pelarut tidak mampu mensolvasi molekul intan.
2
Fulleren
Sifat Fulleren
Fuleren adalah alotrop karbon dimana 1 molekul karbon terdiri dari 60 atom karbon sehingga sering disebut sebagai C60. Pada struktur fulleren setiap atom karbon berikatan dengan tiga atom karbon lain dengan pola membentuk susunan pentagonal membentuk struktur berongga seperti bola sepak.
Struktur Fulleren
Tidak larut dalam air, tetapi dapat larut dalam pelarut organik. Sebagai superkonduktor dan penyerap panas yang baik. Sifat superkonduktor dan menyerap panas ini berkaitan 1 elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen, seperti pada grafit. Salah satu senyawaan C60 yang merupakan semikonduktor adalah K3C60.
Carbon-carbon (C/C) composites
Carbon-Matrix Composites
Ability to resist high temperatures
Carbon fiber Carbon matrix Carbon matrix made from pitch or polymer
3
Carbon matrix precursors
Conversion of carbon matrix precursor to carbon
Bahan dasar
Pitch Resins Carbonaceous gases
Pyrolysis (also called carbonization) Heating at around 1000°C in the absence of oxygen to cause decomposition, like charring (hangus)
Bonding in graphite In-plane: covalent and metallic bonding Out-of-plane: van der Waals bonding
4
Properties of graphite Anisotropic Mudah terpisah antara lapisan karbon yang mengurangi kekuatan. High electrical and thermal conductivity and high modulus in the plane of the carbon layers
Fiber microstructure Fiber texture, i.e., preferred crystallographic orientation with the carbon layers along the fiber axis.
5
Carbon Non-crystalline, turbostratic Metastable form – graphitizes upon heating above 2000°C.
Conversion of carbon to graphite Graphitization (i.e., crystallization) Heating at 2000°C or above in the absence of oxygen to cause the turbostratic carbon to be converted to graphite (crystalline)
Carbon/graphite fabrication
Stabilization (oxidation) Carbonization (pyrolysis) Graphitization
6
Grades of carbon fiber
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
PAN = polyacrylonitrile
High-strength carbon fiber (without graphization) High-modulus carbon fiber (with graphitization)
Properties of carbon compared to graphite
Less conductive Lower in modulus Higher in strength Lower in oxidation resistance Cannot be intercalated (diselingi)
7
Fiber vs. nanofiber Fiber (diameter 1 micron or above, typically around 10 microns) Nanofiber (also called filament, diameter below 1 micron, typically 0.1 micron or less)
Types of carbon nanofiber Nanofiber with fish-bone (tulang ikan) morphology Multi-walled nanotube (concentric cylinders in shell) Single-walled nanotube (chirality-pilinan)
Carbon nanotube Hybrid of graphite and fullerene
8
Crystal forms of carbon Graphite Diamond Fullerene
Nanofiber group morphology
Intertwined Parallel
9
Fabrication of carbon nanofibers Catalytic growth from carbonaceous gas Arc discharge Laser evaporation
10
Catalytic method Carbonaceous gases: acetylene, ethylene, methane, natural gas, benzene, etc. Catalyst: iron, nickel, etc. (particles typically 10 nm, from salts or organometallics) Reducing gases: CO, hydrogen
11
Methods of making carboncarbon composites Karbonisasi, diikuti dengan peresapan pitch atau resin, dan mengulangi proses karbonisasiimpregnasi lagi dan lagi sampai kepadatan telah tercapai. Chemical vapor infiltration (CVI) menggunakan gas karbon, yaitu, CVD di bawah gradien suhu / tekanan sehingga mencegah pembentukan kerak, sehingga memungkinkan infiltrasi lengkap; CVI dapat menjadi langkah ekstra yang mengikuti karbonisasi-impregnasi untuk tujuan mengisi poripori.
Table 2.3 Pitch properties.
Pitch A B C
Carbon yield (%) Molecular 0.1 MPa 10 MPa weight 726 45.2 85.9 782 54.4 86.4 931 84.5 89.8
Grades of pitch Isotropic pitch Mesophase pitch (liquid crystal form called the mesophase)
Main problem with carbon-carbon composites Oxidation at high temperatures in the presence of oxygen
12
Methods for oxidation protection of carbon-carbon composites up to 1700°°C 1. 2. 3. 4.
SiC lapisan konversi Penghambat oksidasi Segel kaca Padatan lapisan atas berupa SiC atau Si3N4 pada kaca atau SiC lapisan konversi
Methods of applying SiC conversion coating - Pack cementation, - Reaction sintering, - Silicone resin impregnation/pyrolysis, or - Chemical vapor deposition (CVD) to the outer surface of the composite.
SiC conversion coating method SiC coating (known as SiC conversion coating, due to graded composition from pure SiC at the surface to pure carbon inside)
Pack cementation Packing the composite in a mixture of SiC and Si powders and heat up to 1600°C Chemical conversion of the outermost surface of the composite to SiC SiC coating thickness typically 0.3-0.7 mm.
13
Pack cementation
Si(l) + C → SiC Si(g) + C → SiC SiO(g) + 2C → SiC + CO(g)
Reaction sintering Mencelupkan komposit C/C ke dalam suspensi Serbuk Si (10 μm) dalam larutan alkohol dan kemudian sintering pada 1600 ° C selama 4 jam di argon.
Problem with entrapped silicon vaporising.
Silicone resin impregnation/pyrolysis Vakum impregnasi dan tekanan isostatic dingin (30.000 psi atau 200 MPa) resin silikon ke dalam matriks komposit C / C dan pirolisis berikutnya di 1600 ° C selama 2 jam di argon. Catatan: Silicone merupakan polimer dengan atom silikon sebagai bagian dari tulang punggung.
Prior deposition of carbon film (10 µm) by CVD Prior to pack cementation, reaction sintering or resin impregnation To improve homogeneity of C/C surface To easy the reaction with Si
14
Dense SiC or Si3N4 overlayers SiC overlayer is more dense than the SiC conversion coating. As oxygen barrier To control venting of reaction products to the outside Made by chemical vapor deposition (CVD)
SiSiC overlayer CVD overlayer contains a small percentage of unreacted silicon dispersed in the SiC, Kelebihan Si pada oksidasi menjadi SiO2, yang memiliki koefisien difusi oksigen yang sangat rendah.
Chemical vapor deposition (CVD) by thermal decomposition of a volatile (mudah menguap) silicon compound
Heat/H2 CH3SiCl3(g) → SiC + 3HCl(g) Temperature: 1125°C
Advantages of SiC or Si3N4 Kompatibilitas ekspansi termal dengan C/C Tingkat oksidasi rendah Skala SiO2 amorf tipis yang tumbuh memiliki koefisien difusi oksigen yang rendah.
15
SiC or ineffective above 1800°C Reactions at the interface between SiO2 and SiC or Si3N4 Reduction of SiO2 by carbon to form CO gas.
Oxygen inhibitors Oxygen getters Glass formers To provide additional oxidation protection from within by migrating to the outer surface and sealing cracks and voids during oxidation.
Examples of inhibitors Elemental Si, Ti and B SiC, Ti5Si3 and TiB2 Alloys such as Si2TiB14 Organoborosilazane polymer solution Oxidation of the elemental Si, Ti or B within the carbon matrix forms a viscous glass, which serves as a sealant that flows into the microcracks of the SiC coating.
Boron as an oxidation inhibitor Boron teroksidasi untuk membentuk B2O3. Blok B2O3 mengaktifkan lokasi, seperti sisi atom karbon. B2O3 membentuk penghalang pergerakan difusi untuk oksigen.
16
Glassy sealants
Oxidation rate Rate of weight loss
Glasir terdiri terutama silikat (SiOx) dan borat (B2O3). Glasir dapat diisi dengan partikel SiC Terutama penting jika lapisan konversi SiC berpori Glasir mengisi microcracks di overlayer padat
Effectiveness of borate sealants Aplikasi glassy sealant di bagian atas lapisan konversi SiC terutama oleh sikat pasta, sehingga sealant mencair, mengisi kekosongan dan menghentikan difusi oksigen, dan, dalam beberapa kasus, bertindak sebagai getter oksigen.
Borat basah C dan SiC cukup baik Borat tidak dapat digunakan di atas 1.200 ° C karena penguapan Borat memiliki ketahanan kelembaban buruk akibat hidrolisis, yang menghasilkan pembengkakan dan runtuh. Borat memiliki kecenderungan untuk galvanically yang menimbulkan korosi lapisan SiC pada suhu tinggi
17
Modified borate sealants Masalah borat dapat diatasi dengan menggunakan sistem multikomponen seperti 10TiO2.20SiO2.70B2O3. TiO2 memiliki kelarutan tinggi dalam B2O3 dan digunakan untuk mencegah penguapan B2O3 dan meningkatkan viskositas. SiO2 bertindak untuk meningkatkan ketahanan kelembaban, mengurangi ketidakstabilan B2O3, meningkatkan viskositas dan mencegah korosi SiC oleh B2O3.
Dense SiC or Si3N4 overlayer Applied by CVD. On top of glassy sealant or on top of SiC conversion coating To control and inhibit transfer of oxygen to the substrate To control the venting of reaction products to the outside
Method of oxidation protection of C/C above 1700°C Four-layer coating scheme: (1) Refractory oxide (e.g., ZrO2, HfO2, Y2O3, ThO2) as the outer layer for erosion protection. (2) SiO2 glass inner layer as and oxygen barrier and sealant. (3) Another refractory oxide layer for isolation of the SiO2 from the carbide layer underneath. (4) Refractory carbide layer (e.g., TaC, TiC, HfC, ZrC) to interface with the C/C substrate and to provide a carbon diffusion barrier
HfC +
3 O 2 → HfO 2 + CO 2
18
Fundamental approaches for oxidation protection of carbons Pencegahan katalisis Keterlambatan akses gas ke karbon Penghambatan reaksi karbon-gas Perbaikan dalam struktur kristal karbon
Effects of carbon fiber on oxidation protection Kesesuaian molekul matriks yang mendekati fiber. Mikrostruktur fiber mempengaruhi matriksnya Mikrostruktur matriks yang mempengaruhi jumlah porositas dalam matriks
Carbon matrix precursors Pitch (preferred for oxidation protection) Chemical vapor infiltration (CVI) carbon (preferred for oxidation protection) Resins (not preferred for oxidation protection)
Disadvantage of coatings on C/C Degrade room temperature mechanical properties of C/C
19
