16/09/2015
Pertemuan ke-4
FASA MATRIKS DAN FIBER
Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat dikelompokkan menjadi 3: 1. Whisker
Nurun Nayiroh, M.Si
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 materials adalah grafit, silikon karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.
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 wirewound high-pressure hoses.
1
16/09/2015
Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials
Matriks yang digunakan dalam komposit fiber bisa berupa logam, polimer, atau keramik. Matriks yang sering digunakan adalah logam dan polimer digunakan karena sifat ductile-nya diperlukan. Kekuatan ikatan antara fiber dan matriks harus cukup besar untuk menghindari lepasnya fiber. Ultimate strength dari komposit sangat tergantung pada kekuatan ikatan ini.
FUNGSI MATRIKS 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 nilai-nilainya bisa sangat berbeda.
1. Mengikat semua fiber dan berfungsi sebagai media untuk meneruskan stress pada fiber; hanya sebagian kecil dari stress yang disangga oleh matriks. Oleh karena itu matriks harus ductile. Disamping itu modulus elastisitas dari fiber harus jauh lebih besar daripada matriks. 2. Untuk melindungi masing-masing fiber dari kerusakan permukaan akibat abrasi atau reaksi dengan lingkungan. 3. Memisahkan masing-masing fiber; karena sifatnya yang relatif lunak dan plastis, maka matriks dapat mencegah meluasnya brittle cracks dari satu fiber ke fiber lainnya. Meskipun sebagian dari fiber telah rusak, kerusakan komposit secara total belum terjadi sampai terjadinya kerusakan pada sejumlah besar fiber yang berada saling berdekatan.
2
16/09/2015
Klasifikasi Matriks Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar yaitu: a. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik b. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik
Jenis Polimer PMC terdiri dari resin polimer sebagai matriks dan fiber sebagai medium penguat. Material ini digunakan luas di berbagai aplikasi dalam jumlah yang sangat besar, karena sifat-sifatnya yang baik pada temperatur kamar, mudah dibuat, dan relatif murah. Ada berbagai macam PMC, tergantung pada tipe penguatnya (seperti kaca, karbon, dan aramid).
1) Thermoplastic • Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. • Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. • Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. • Contoh ari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES, dan Polieter eterketon (PEEK).
3
16/09/2015
2) Thermoset • Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. • Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai, karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. • Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik. • Contoh dari thermoset yaitu Epoksida, Bismaleimida (BMI), dan Poli-imida (PI).
Keuntungan PMC 1) Ringan 2) Specific stiffness tinggi 3) Specific strength tinggi 4) Anisotropy
Sifat PMC Komposit ini bersifat : 1) Biaya pembuatan lebih rendah 2) Dapat dibuat dengan produksi massal 3) Ketangguhan baik 4) Tahan simpan 5) Siklus pabrikasi dapat dipersingkat 6) Kemampuan mengikuti bentuk 7) Lebih ringan.
Contoh Aplikasi 1) Matrik berbasis poliester dengan serat gelas a) Alat-alat rumah tangga b) Panel pintu kendaraan c) Lemari perkantoran d) Peralatan elektronika. 2) Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas = Kotak air radiator 3) Matrik berbasis termoset dengan serat carbon a) Rotor helikopter b) Komponen ruang angkasa c) Rantai pesawat terbang
4
16/09/2015
Kaca banyak digunakan sebagai material penguat dalam bentuk serat karena: GFRP adalah komposit yang terdiri dari serat kaca, kontinyu atau tak kontinyu, dan matriks polimer.
1. Mudah dibentuk dari lelehan menjadi high-strength fibers.
Komposit jenis ini merupakan komposit yang paling banyak diproduksi.
2. Banyak tersedia dan dapat dibuat secara ekonomis menjadi komposit plastik yang diperkuat dengan fiberglas dengan menggunakan berbagai teknik pembuatan.
Komposisi kaca yang biasa dibuat menjadi serat (biasa disebut sebagai E-glass) adalah SiO2 55%, CaO 16%, Al2O3 15%, B2O3 10%, MgO 4%.
3. Karena fiber relatif kuat, maka jika ditanam dalam matriks plastik, akan dihasilkan komposit dengan specific strength yang sangat tinggi.
Diameters fiber biasanya berkisar antara 3 dan 20 µm.
4. Jika digabung dengan berbagai plastik, akan dihasilkan komposit yang inert, sehingga komposit dapat digunakan pada lingkungan yang korosif.
Karakteristik permukaan dari serat kaca sangat penting; sedikit saja cacat pada permukaan akan sangat menurunkan sifat-sifat tensile-nya. Catat permukaan dengan mudah dapat disebabkan oleh gesekan atau abrasi permukaan dengan material keras. Permukaan serat kaca yang telah terpapar udara, meskipun dalam waktu singkat, biasanya akan melemah, sehingga akan mempengaruhi ikatannya dengan matriks. Fiber baru biasanya dilapisi dengan suatu “size”, yaitu lapisan tipis dari suatu senyawa yang melindungi permukaan fiber dari kerusakan dan interaksi yang tidak diinginkan dengan lingkungan.
Aplikasi: Temperatur servis dari kebanyakan komposit fiberglas adalah < 200°°C; pada temperatur yang lebih tinggi, kebanyakan polimer mulai meleleh dan rusak. Temperatur servis dapat dinaikkan sampai 300°°C dengan menggunakan fiber dari silika yang sangat murni dan polimer temperatur tinggi seperti resin poliamida. Fiberglas diaplikasikan pada bodi mobil dan kapal, pipa plastik, kontainer, dan lantai. Industri transportasi semakin banyak memanfaatkan plastik yang diperkuat dengan fiberglas untuk mengurangi berat kendaraan.
5
16/09/2015
Karbon merupakan material fiber dengan performance sangat baik dan paling banyak digunakan sebagai penguat dalam komposit polimer karena:
4. Serat karbon memiliki karakteristik fisik dan mekanik yang sangat beragam, sehingga komposit yang dibuat dengan serat karbon dapat memiliki sifat beragam, sesuai yang diinginkan.
1. Serat karbon fibers memiliki specific modulus dan specific strength yang paling tinggi di antara semua fiber penguat.
5. Proses pembuatan fiber dan komposit telah berkembang dan relatif murah.
2. Serat karbon tetap memiliki tensile modulus dan strength yang tinggi pada temperatur tinggi, meskipun pada temperatur tinggi ada masalah oksidasi. 3. Pada temperatur kamar, serat karbon tidak dipengaruhi oleh uap air, berbagai solven, asam, dan basa.
Berdasarkan besarnya tensile modulus, serat karbon dapat dikelompokkan menjadi 4 jenis: 1. Serat karbon dengan modulus standar. 2. Serat karbon dengan modulus menengah. 3. Serat karbon dengan modulus tinggi. 4. Serat karbon dengan modulus sangat tinggi. Serat karbon memiliki diameter antara 4 dan 10 µm, baik kontinyu maupun tidak.
Aplikasi Komposit polimer yang diperkuat dengan serat karbon banyak digunakan untuk: 1. Alat olah raga dan rekreasi (batang pancing, golf clubs), 2. filament-wound rocket motor cases, 3. Tangki bertekanan, 4. Komponen pesawat terbang, baik militer maupun komersial, seperti sayap dan helikopter.
Serat karbon biasanya dilapisi dengan pelindung epoxy “size” yang juga berfungsi memperbaiki gaya tarik dengan matriks polimer.
6
16/09/2015
KEUNGGULAN Aramid memiliki nama kimia poly(paraphenylene terephthalamide). Di pasaran, aramid dikenal dengan merk Kevlar™ dan Nomex™.
• Memiliki strength dan modulus yang tinggi. • Memiliki rasio strength/berat yang sangat tinggi, lebih baik daripada logam. • Memiliki longitudinal tensile strengths and tensile moduli yang lebih tinggi daripada material fiber polimer lainnya, tetapi material ini tidak kuat menerima tekanan/ compression. • Kuat, tahan benturan, tahan terhadap creep and fatigue failure. • Resistan terhadap pembakaran dan stabil pada temperatur tinggi (– 200 sampai 200°°C). • Inert terhadap solven dan bahan kimia.
KEKURANGAN • Terdegradasi oleh asam dan basa kuat.
Tabel 4. Sifat komposit matriks epoksi yang diperkuat dengan serat kaca kontinyu dan teratur, serat karbon, dan serat aramid dalam arah longitudinal dan transverse. Fraksi volume serat = 0,6
PENGGUNAAN • Serat aramid banyak digunakan dalam komposit dengan matriks polimer, seperti opoxy dan poliester. • Komposit aramid digunakan sebagai tameng atau rompi anti peluru, alat-alat olahraga, ban, tali, casing rudal, tangki bertekanan, dan pengganti asbes pada rem mobil, dan gaskets.
7
16/09/2015
TUJUAN REINFORCEMENT:
• Metal Matrix Composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. • Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah Continous Filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace.
Untuk meningkatkan specific stiffness, specific strength, abrasion resistance, creep resistance, thermal conductivity, dan dimensional stability. KELEBIHAN MMC DIBANDINGKAN DENGAN PMC: 1)Transfer tegangan dan regangan yang baik. 2) Ketahanan terhadap temperature tinggi 3) Tidak menyerap kelembapan. 4) Tidak mudah terbakar. 5) Kekuatan tekan dan geser yang baik. 6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik. KEKURANGAN MMC : 1) Biayanya mahal 2) Standarisasi material dan proses yang sedikit
KOMPOSISI: • Matriks: aluminum, magnesium, titanium, dan copper. • Fiber: Kontinyu : karbon, silikon karbida, boron, aluminum oksida, dan the refractory metals, yaitu logam yang sangat tahan terhadap panas dan aus: Nb (neobium), Mo (molybdenum), Ta (tantalum), W (tungsten), dan Re (rhenium). Diskontinyu: whisker silikon karbida, potongan serat aluminium oksida dan karbon, dan partikel silikon karbida.
Matrik pada MMC : 1) Mempunyai keuletan yang tinggi 2) Mempunyai titik lebur yang rendah 3) Mempunyai densitas yang rendah Contoh : Almunium beserta paduannya, Titanium beserta paduannya, Magnesium beserta paduannya. Proses pembuatan MMC : 1) Powder metallurgy 2) Casting/liquid infiltration 3) Compocasting 4) Squeeze casting
Tugas: cari di buku “Composites Manufacturing”
8
16/09/2015
APLIKASI: • Komponen mesin mobil: Driveshaft (dengan rpm tinggi dan tidak bising), extruded stabilizer bars, komponen suspensi dan transmisi. Bahan yang digunakan adalah matriks aluminum-alloy yang diperkuat dengan serat aluminium oksida dan serat karbon; MMC ini ringan dan tahan aus dan thermal distortion. • Industri ruang angkasa: advanced aluminum alloy metalmatrix composites; serat boron digunakan untuk penguat dalam Space Shuttle Orbiter, dan serat grafit kontinyu untuk teleskop Hubble.
Komponen suspensi
Sifat beberapa MMC yang diperkuat dengan serat kontinyu dan teratur
Komponen transmisi
9
16/09/2015
• CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. • Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. • Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : 1) Gelas anorganic. 2) Keramik gelas 3) Alumina 4) Silikon Nitrida • Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat).
KEUNTUNGAN DARI CMC : 1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam 2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron 3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus 4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi 5) Tahan pada temperatur tinggi (creep) 6) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi.
Material keramik tahan terhadap oksidasi dan kerusakan pada temperatur tinggi, akan tetapi fracture toughness-nya rendah, yaitu antara 1 dan 5 Mpa.m½. Fracture toughnesses dari keramik dapat diperbaiki dengan dikembangkannya CMC yang diperkuat dengan partikulat, serat, atau whisker, sehingga fracture-toughnessnya menjadi 6 – 20 Mpa.m½. Contoh: • Matriks Al2O3 atau ZrO2 yang diperkuat dengan partikel ZrO2. • Keramik yang diperkuat dengan whiskers, yaitu SiC atau Si3N4.
Room Temperature Fracture Strengths and Fracture Toughnesses for Various SiC Whisker Contents in Al2O3
KERUGIAN DARI CMC: 1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar 2) Relative mahal dan non-cot effective 3) Hanya untuk aplikasi tertentu
10
16/09/2015
Aplikasi CMC 1) Chemical processing = Filters, membranes, seals, liners, piping, hangers 2) Power generation = Combustorrs, Vanrs, Nozzles, Recuperators, heat exchange tubes, liner 3) Wate inineration = Furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors. 4) Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakas potong. 5) Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser. 6) Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem. 7) SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas.
11
