Material baru dan terbarukan Pendahuluan Material dengan jenisnya yang bermacam-macam telah menjadi bagian dari peradaban manusia sejak dahulu. Manusia memerlukan material untuk dapat menghasilkan sesuatu yang dapat difungsikan untuk membantu berbagai macam aktivitas manusia seperti menebang kayu, mambajak sawah, memasak, dll. Beberapa jenis material telah lama dikenal oleh manusia sejak lama. Logam telah dipergunakan oleh manusia sejak 3000 SM, manusia telah mengenal beberapa jenis logam yang telah dijadikan berbagai macam alat/perkakas untuk membantu dan memudahkan aktivitas manusia. Tembaga telah dipergunakan sejak 3200-2300 SM, oleh karenanya disebut Zaman Tembaga. Perunggu pada kisaran waktu 2300-700 SM dan zaman ini disebut sebagai Zaman Perunggu. Penggunaan logam kemudian lebih meluas ke berbagai aspek kehidupan manusia setelah ditemukannya besi sebagai materi logam yang lebih kuat daripada temaga dan perunggu, zaman ini kemudian disebut sebagai Zaman Besi dan dimulai pada kisaran tahun 700-1 SM. Zaman sekarang ini telah terdapat banyak jenis material logam yang dikembangkan dengan cara memadukan berbagai jenis logam berbeda. Keramik juga telah dipergunakan manusia sejak lama. Keramik yang banyak ditemukan sebagai artefak-artefak peninggalan kebudayaan yang telah lampau banyak dipergunakan sebagai benda hiasan, wadah, dan tempat untuk sesuatu dan terbuat dari tanah liat yang dibakar (clay). Pada abad 20, istilah keramik kemudian dipergunakan untuk berbagai mecam aplikasi-aplikasi keteknikan/rekayasa (engineering). Material keramik untuk bidang rekayasa adalah material yang mampu menahan suhu yang tinggi yang tidak mampu ditahan oleh logam. Semikonduktor adalah salah satu contoh dari material keramik rekayasa (engineering ceramic) untuk aplikasi pada bidang elektronik. Salah satu keunggulan dari material keramik terbaru adalah ketahanannya terhadap temperature yang sangat tinggi (> 1200°C) dimana logam tidak bisa.
Keunggulan tersebut dimanfaatkan pada desain pesawat ulang-alik yakni pada bagian hidung dan sisi bagian bawah yang harus menahan panas sangat tinggi ketika bergesekan dengan lapisan atmosfir bumi. Kemudian pada abad ke-21, makin banyak jenis material baru yang ditemukan. Dengan makin dieksplorasinya minyak bumi maka tidak hanya bahan bakar saja yang diproduksi dari cairan-yang-memfosil tersebut akan tetapi juga material. Material yang diciptakan dari turunan minyak bumi kemudian disebut sebagai polimer. Polimer kemudian dikembangkan lagi menjadi banyak sekali turunan-turunan dengan sifat yang bermacam-macam. Material polimer memiliki keunggulan yakni densitasnya yang rendah sehingga banyak diaplikasikan pada kehidupan sehari-hari seperti untuk packaging, wadah, aksesoris interior maupun eksterior. Pengembangan material tidak hanya berhenti pada ketiga jenis material yang telah dijelaskan sebelumnya, akan tetapi terus dilanjutkan dengan menggabungkan material-material berbeda untuk memperoleh sifat material yang lebih baik. Material ini kemudian disebut sebagai komposit. Material komposit dikembangkan dengan menggabungkan beberapa jenis material berbeda untuk mendapatkan sifat material yang lebih baik yang berasal dari perpaduan masing-masing material penyusun komposit tersebut.
Klasifikasi Material Seperti
yang
telah
disinggung
sebelumnya,
material
pada
dewasa
ini
diklasifikasikan ke dalam beberapa jenis yakni; (1) Logam, (2) Keramik, (3) Polimer, (4) Komposit. Klasifikasi lebih kecil kemudian dibuat lagi berdasarkan pada perbedaan sifat yang ada.
Logam Material logam memiliki konduktor panas dan listrik yang sangat baik. Tak hanya itu, material ini juga memiliki sifat-sifat mekanis yang unggul dibandingkan dengan jenis material yang lain. Ada beragam jenis material logam yang ada saat ini, seperti yang terlihat di tabel periodik unsur, material logam menempati mulai dari golongan IA
dan IIA serta golongan B (logam transisi). Dari sekian banyak jenis logam, ada beberapa logam yang mendapatkan porsi besar di dalam apikasi-aplikasi dunia rekayasa (engineering). Logam-logam tersebut diklasifikasikan ke dalam istilah ferrous dan nonferrous. Logam ferrous adalah yang yang berbasis pada Besi (Fe) sebagai komponen penyusun utama sedangkan non-ferrous adalah selain Fe yang menjadi penyusun utamanya. Beberapa non-ferrous digolongkan ke dalam base metal dikarenakan muda bereaksi dengan oksigen (terkorosi) membentuk lapisan oksida di permukaannya. Beberapa non-ferrous tersebut adalah Aluminium (Al), Tembaga (Cu), Timbal (Pb), Seng (Zn), Nikel (Ni), dan Timah (Sn). Ada juga jenis non-ferrous lain yang juga banyak diaplikasikan yakni Magnesium (Mg) dan Titanium (Ti).
Gambar 1. Klasifikasi (Taksonomi) Logam
Ferrous Logam ferrous lebih banyak diaplikasikan di dalam dunia rekayasa karena
beragam sifat mekanis yang ditawarkan dari jenis-jenisnya yang berbeda. Berdasarkan konsentrasi karbonnya maka kelompok logam ferrous dibedakan menjadi Baja (Steel) dan Besi Tuang (Cast Iron).
Baja (Steel) Karbon di dalam matriks besi akan memperkuat besi yang dalam keadaan murni
rendah sifat mekaniknya. Jika di dalam matriks besi kandungan karbonnya maksimal 2% maka disebut sebagai baja, tapi jika kandungan karbonnya lebih besar dari 2% maka disebut sebagai besi tuang. Gambar 2 menunjukkan diagram kesetimbangan antara besi dan karbon (Fe-C Phase Diagram).
Gambar 2. Fe-C phase diagram
Baja kemudian diklasifikasikan lagi ke dalam jenis-jenis berdasarkan kisaran karbon yang terkandung di dalam matriks besi. Ada beberapa jenis fasa yang terdapat di dalam baja dan juga besi tuang. Fasa-fasa tersebut adalah seperti yang terlihat pada diagram fasa Fe-C yaitu; Austenite, Ferrite, Pearlite, dan Cementite. Berdaraskan kandungan karbonnya maka baja dibedakan menjadi 3 jenis yakni; 1. Baja karbon rendah (Low C steel) Baja jenis ini memiliki kandungan karbon hingga 0,3% sehingga memiliki mampu bentuk yang baik dan mampu las yang baik. Oleh karena kandungan karbonnya yang rendah maka baja jenis ini banyak dipergunakan untuk kaleng, panel kendaraan, kabel, dll. Baja low C untuk aplikasi tersebut kandungan karbonnya < 0,1% dengan mangan (Mn) sampai 0,4%, ditemui dalam bentuk lembaran tipis (sheet atau strip). Untuk plate pada aplikasi structural umumnya kandungan karbonnya dinaikkan hingga 0,3% dengan kandungan Mn hingga 1,5%. Kemungkinan aplikasinya adalah untuk produk proses stamping, forging, seamless tube, dan boiler plate. 2. Baja karbon sedang (Mild steel) Tidak berbeda dengan Low C steel kecuali kandungan karbonnya pada kisaran 0,3-0,6% dan mangannya 0,6-1,65% sehingga memiliki ketangguhan dan keuletan yang baik, kekuatan sedang. Umumnya baja jenis ini dipergunakan untuk shafts, axles, gears, crankshafts, couplings dan forgings. Untuk baja dengan kadungan 0,4-0,6% juga dipergunakan untuk rails, railway wheels, dan rail axles. 3. Baja karbon tinggi (High C steel) Baja jenis ini memiliki kandungan karbon >0,6% sehingga memiliki kekuatan mekanis yang tinggi tetapi keuletan yang rendah. Baja ini memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi. Baja karbon tinggi diaplikasikan untuk material pembuatan pegas dan kabel kuat-tinggi, rolling mills, rope wire, screw drivers, hammers, wrenches, band saws.
Gambar 3. Beberapa contoh aplikasi dari baja karbon
Besi Tuang (Cast Iron) Adapun besi dengan kandungan karbon yang lebih besar daripada 2% maka
disebut sebagai besi tuang (cast iron). Besi tuang memiliki kandungan karbon jenuh sehingga kelebihan karbon ini akan berbentuk karbon bebas yang tidak mengisi matriks dari besi. Karbon bebas ini disebut sebagai grafit. Besi tuang digolongkan sebagai berikut ini; 1. Besi tuang putih (white cast iron) Besi tuang ini keras dan getas, memiliki ketahanan aus yang baik. Hal tersebut dikarenakan matriks yang menyusun besi tuang ini adalah pearlite dan cementite yang keras dan getas. Besi tuang jenis ini dibuat dengan pendinginan yang sangat cepat sehingga mencegah terbentuknya grafit di dalam besi tuang. Biasanya dengan memasangkan pendingin (chiller) di permukaan cetakan. Aplikasi dari besi tuang putih adalah; brake shoes, shot blasting nozzles, mill liners, crushers, pump impellers dan abrasion resistant parts.
2. Besi tuang kelabu (grey cast iron) Besi tuang ini dihasilkan dari proses pendinginan lambat. Matriksnya berupa ferrite dengan grafit yang tersebat berbentuk flakes. Memiliki kuat tekan, ketahanan fatik, dan ketahanan aus yang tinggi. Adanya grafit memberikan keuntungan berupa kapasitas meredam getaran yang ringgi. Aplikasi untuk besi tuang ini adalah; gears, flywheels, water pipes, engine cylinders, dan brake discs. 3. Besi tuang mampu tempa (malleable cast iron) Besi tuang ini dibuat dengan memberikan perlakuan panas kepada besi tuang putih. Matriksnya adalah ferrite dengan partikel-partikel grafit bebas. Besi tuang mampu tempa memiliki keuletan dan mampu mesin yang baik. Besi tuang mampu tempa dengan matriks ferritic lebih lunak dan tidak kuat serta keras dibandingkan yang bermatriks pearlite. Aplikasi dari besi tuang jenis ini adalah; parts of power train of vehicles, bearing caps, steering gear housings, agricultural equipment, railroad equipment. 4. Besi tuang nodular (nodular cast iron) Sebenarnya jenis ini sama dengan besi tuang kelabu, yang membedakan adalah morfologi/bentuk dari grafitnya yaitu berbentuk bulat (spheroid) di dalam matriks ferrite atau pearlite. Modifikasi grafit ini dengan penambahan magnesium (Mg) ke dalam leburan sebelum casting. Memiliki keuletan yang tinggi, kekuatan fatik yang baik, ketahanan aus baik, ketahanan guncang baik serta. Aplikasi untuk besi tuang jenis ini adalah; automotive engine crankshafts, heavy duty gears, military and railroad vehicles. Proses pembuatan besi baja dilakukan dengan mereduksi bijih besi (umumnya magnetite [Fe3O4]) dengan reduktor karbon (kokas) di dalam tanur tinggi (blast furnace). Hasil dari proses tersebut adalah Pig Iron yakni besi yang masih harus diatur kembali kadar karbonnya untuk dijadikan baja.
Gambar 4. Beberapa contoh aplikasi dari besi tuang
Non-ferrous Logam-logam selain besi disebut sebagai non-ferrous metal. Seperti yang
disinggung sebelumnya, sebagai contoh dari logam-logam tersebut adalah aluminium, tembaga, nikel, titanium, timbal, timah, dan lain-lain serta paduan-paduannya. Ada beberapa kriteria yang diinginkan dari material ini untuk aplikasi-aplikasi structural tertentu pada bidang rekayasa seperti ringan, kekuatan tinggi, non-magnetik, titik lebur
tinggi, ketahanan terhadap korosi karena lingkungan atau kimia. Berikut adalah beberapa penjelasan dari logam-logam tersebut. 1. Aluminium Logam Aluminium dalam keadaan murni sangat lunak, ringan, tidak beracun (sebagai logam), non-magnetik. Aluminium juga mudah dibentuk (forming), dimesin (machining), dan dituang (casting). Untuk meningkatkan kekuatannya maka aluminum dipadu (alloying) dengan beberapa jenis logam lain yang memiliki struktur kristal yang sama. Aluminum paduan (alloy) kemudian diklasifikasikan ke dalam beberapa seri sesuai dengan logam pemadunya. Tabel 1. Jenis paduan aluminum dan aplikasinya Seri Paduan
Paduan Utama
Sifat-sifat High corrosion resistance, high electrical and thermal conductivity, easy workability High strength Combines moderate strength with good workability
Industri Electrical and chemical
1xxx
-
2xxx
Tembaga (Cu)
3xxx
Mangan (Mn)
4xxx
Silicon (Si)
5xxx
Magnesium (Mg)
Packaging (cansheet)
7xxx
Seng (Zn)
Very high strength
8xxx
Various
Specific. Example: alloying with Tin (Sn) for high fatigue strength
Construction, transport nd engineering Aircraft, other applications requiring high strength/weight ratios Very high stress engineering applications
6xxx
Lower melting point, not brittle
Moderate/high strength. Very high corrosion resistance Medium strength, corrosion Magnesium/silicon resistant and heat treatable
Aircraft, automobile Construction, automobile (truck bodies) Automotive, mechanical engineering
Logam aluminium murni diperoleh dari proses ekstraksi bijih logamnya yang disebut Bauxite dengan proses elektrolisis. Proses elektrolisis yang melibatkan energy listrik untuk membebaskan logam aluminum dari pengotor bijihnya dinamakan Proses Bayer. Bijih bauxite yang berasal dari tambang tidak bisa begitu saja direduksi dengan reduktor seperto pada proses pengolahan besi baja. Bijih bauxite harus dirubah terlebih dahulu menjadi alumina (Al2O3) untuk dapat diekstrak logam aluminumnya. Alumina kemudian dicampur dengan elektrolit yang disebut cryollite pada saat proses elektrolisis. Logam alumina kemudian akan terkumpul pada katoda dan akan distripping lalu dileburkan kembali dan dicetak menjadi ingot.
Gambar 5. Beberapa contoh aplikasi dari aluminium dan paduannya
2. Tembaga Tembaga merupakan logam yang sangat penting kehadirannya dalam peradaban manusia. Logam ini menjadi awalan perubahan peradaban yang lebih maju yakni Peradaban Zaman Perunggu dimana perkakas baru semuanya mulai digantikan oleh perkakas yang terbuat dari perunggu (paduan antara Cu dengan Sn). Logam tersebut lunak serta memiliki konduktifitas termal dan listrik yang sangat baik/tinggi. Logam Cu murni lunak dan mudah dibentuk, dipemukaannya akan terbentuk tarnish berwarna jingga kemerahan jika terekspos udara. Ada beberapa jenis paduan tembaga yang banyak dipergunakan di dalam dunia rekayasa (engineering), berikut adalah beberapa jenis tersebut.
Gambar 6. Beberapa contoh aplikasi dari tembaga dan paduannya
Tabel 2. Jenis paduan tembaga dan aplikasinya Jenis paduan
Properties
Tembaga murni; Cu
Ulet, tahan korosi, konduktor listrik baik
Kuningan (brass); Cu-Zn
Lebih kuat dari tembaga, mudah dimesin, tahan korosi
Perunggu (bronze); Cu-Sn
Ketahanan korosi baik
Cupronickel; Cu-Ni
Ketahanan korosi baik
Aplikasi Pipa air, kabel, dan perangkat elektronik lainnya Pipa air, peralatan dapur, fittings, sekrup, komponen listrik Bearings, baling-baling kapal, bel, instrument music, peralatan dapur Uang koin, thermocouple, zippers, perhiasan, strings
Tembaga diekstrak dari bijih logamnya yang umumnya ditambang yaitu chalcopyrite (CuFeS2) dan bornite (Cu5FeS4). Tidak seperti aluminum yang hanya bisa diekstrak dengan energy listrik, tembaga dapat diekstak dengan dua metode yaitu dengan mereduksinya memakai reduktor dengan bantuan panas (pyrometallurgy) atau dengan energy listrik dengan elektrolisis (hydrometallurgy). 3. Nikel Nikel adalah salah satu logam non-ferrous yang sangat penting di dalam dunia rekayasa (engineering). Logam ini memiliki ketahanan mulur (creep) yang sangat baik. Sifat tersebut sangat penting untuk aplikasi-aplikasi yang berada pada temperature sangat tinggi dimana logam lain tidak dapat bertahan. Untuk aplikasi-aplikasi yang membutuhkan ketahanan korosi yang baik sangat membutuhkan keberadaan logam ini. Logam nikel bersama kromium dan besi membentuk paduan baja tahan karat (stainless steel) yang banyak diaplikasikan untuk peralatan-peralatan yang tahan korosi. Logam nikel diekstrak dari bijih logamnya dengan menggunakan metode baik pyrometallurgy maupun hydrometallurgy. Bijih logam nikel yang umumnya ditambang ada dua yaitu dari jenis sulfide dan oksida, dari jenis sulfide umumnya adalah pentlandite dan dari jenis oksida adalah laterite (ada limonite, saprolite, dan garnierite). Karena ketahanan korosi yang baik dan juga pada temperature tinggi maka nikel banyak diaplikasikan untuk pembuatan turbin untuk pesawat terbang.
Nikel digunakan di banyak industri dan produk-produk konsumsi, termasuk baja tahan karat, magnet, koin, baterai isi ulang, senar gitar dan paduan-paduan khusus. Nikel juga digunakan untuk pelapisan (plating) dan sebagai penghasil warna hijau dalam gelas. Nikel merupakan logam pemadu (alloying metal) yang unggul dan kegunaan utamanya adalah pada baja nikel (nickel steel) dan besi tuang nikel (nickel
cast iron) yang bermacam-macam jenis. Nikel juga banyak dipergunakan untuk paduanpaduan lainnya, seperti kuningan dan perunggu nikel (nickel brasses and bronzes), dan juga paduan-paduan dengan tembaga, kromium, aluminium, timbal, kobalt, perak, dan emas. Berikut beberapa data statistik mengenai penggunaan nikel dalam berbagai bidang; Water treatment (4%), Pulp and paper (8%), Plumbing and piping (8%), Hot water system (3%), Marine (3%), Architecture, building and construction (18%), Consumer goods (15%), Transport and automotive (12%), Chemical processing (11%), Kitchen work-surfaces and kitchenware (8%), Energy (10%)
Gambar 7. Beberapa contoh aplikasi dari nikel dan paduannya
Dari sector-sektor tersebut nikel dikonsumsi dalam bentuk logam-logam yang dapat diklasifikasikan secara sederhana sebagai berikut yakni; baja tahan karat (stainless steel), paduan-paduan super (superalloys), logam murni untuk pelapisan, dan dalam bentuk unsur pemadu untuk jenis paduan-paduan logam lainnya. Ada beberapa jenis stainless steel berdasarkan matriksnya yakni; austenitic stainless steel, martensitic stainless steel, ferritic stainless steel, duplex stainless steel, dan superduplex stainless steel. 4. Titanium Logam titanium sangat terkenal sekali dengan kekuatannya yang dapat serupa dengan beberapa baja tapi lebih ringan daripada baja (sekitar 45% lebih ringan). Logam ini juga terkenal dengan ketahanan korosinya yang baik. Akan tetapi kekuatannya tidak mampu bertahan pada temperature 430°C (mengalami pelunakan). Proses ekstraksinya menggunakan Proses Kroll atau Proses Hunter dari bijih logamnya yaitu rutile atau ilmenite yang terdapat di kerak bumi. Logam titanium lebih banyak diaplikasikan sebagai elemen paduan untuk pada baja maupun aluminum. Pada baja titanium berfungsi sebagai penghalus butir dan juga pada aluminum. Adanya titanium juga meningkatkan kekuatan dari aluminum. Aplikasi dari logam aluminum banyak pada industry dirgantara seperti pada paduan AA 6061-T6 pada pesawat-pesawat terbang komersial. Titanium 6AL-4V banyak digunakan pada bagian-bagian pesawat seperti fire walls, landing gear, exhaust ducks (helicopter), dan hydraulic system. Pada bagian mesin, titanium digunakan pada rotor, compressor blades, dan nacelles. Sedangkan untuk aplikasi di laut, titanium digunakan untuk pembuatan propeller shafts dan rigging, dan juga untuk heat exchangers pada desalination plants. Titanium dalam bentuk oksidanya (TiO2) digunakan sebagai pigment warna putih untuk cat, kertas, pasta gigi dan plastic. Titanium dioksida (TiO2) juga dipergunakan sebagai tabir surya pada produk-produk kosmetik untuk melindungi kulit manusia dari radiasi sinar UV yang membahayakan karena dapat menyebabkan
kanker kulit. Titanium dioksida juga berfungsi sebagai fotokatalis dalam pengolahan air kotor. Logam titanium juga banyak dipergunakan di bidang olah raga seperti; tennis rackets, golf clubs, lacrosse stick shafts, cricket, hockey, lacrosse, football helmet grills, dan frame sepeda serta komponen lainnya. Ada juga aplikasi logam ini untuk barangbarang outdoor seperti cookware, peralatan makan, lentera, dan kerangka tenda. Titanium memiliki tampilan kilau logam yang sangat menarik sehingga cocok juga untuk aplikasi di bidang structural seperti tugu atau monument peringatan, atau sebagai casing untuk peralatan elektronik atau juga dapat sebagai perhiasan seperti cincin. Titanium memiliki sifat yang istimewa untuk aplikasi di bidang medis yakni biocompatible, artinya logam titanium dapat diterima oleh tubuh manusia jika dipasangkan di dalam tubuh manusia dan tidak menyebabkan inflamasi. Karena sifatnya tersebut, titanium sering dijadikan implant pada proses penyembuhan tulang yang patah. Selain itu, untuk pemasangan gigi palsu juga menggunakan logam titanium sebagai akarnya.
Gambar 8. Beberapa contoh aplikasi dari titanium dan paduannya
5. Timah Logam timah bersifat lunak, mudah ditempa dan tahan korosi serta tidak beracun untuk manusia. Pada masa lampau logam tersebut merupakan logam paduan terbesar di dalam pembuatan perunggu (Cu-Sn). Bersama tembaga, logam timah telah menjadi warisan peradaban yang sangat berharga. Perkakas sehari-hari yang terbuat dari perunggu banyak sekali memudahkan kehidupan manusia pada zaman perunggu (Bronze age) sejak 3000 SM, baru setelah 600 SM logam timah murni diproduksi. Logam timah diperoleh dari ekstraksi bijih logam cassiterite (SnO2) yang umumnya banyak ditambang. Selain cassiterite sebagai mineral bijih utama ada juga mineral lain yang mengandung logam timah namun dalam persentase yang lebih kecil yaitu; stannite, cylindrite, franckeite, canfieldite, dan tealite (dari jenis sulfide). Proses ekstraksi logam timah menggunakan metode pyrometallurgy yakni melebur bijih logam bersama reduktor karbon sehingga terpisah logam timah dari kotorannya. Di Indonesia, bijih logam timah berupa cassiterite banyak terdapat di Bangka dan Belitong. Logam timah banyak dipergunakan sebagai filler untuk proses soldering (menempati 52%). Sebagai soldering filler, logam timah dipadu dengan timbal (63% Sn dan 37% Pb) yang membentuk campuran eutektik bertitik lebur rendah. Soldering banyak diaplikasikan pada industry elektronik dan penyambungan pipa. Untuk mencegah korosi terjadi pada baja maka dilakukan pelapisan (coating) menggunakan logam timah. Baja lapis timah umumnya dipergunakan sebagai food packaging dalam mengawetkan makanan. Logam timah juga dipergunakan sebagai paduan dengan logam lain, umumnya dipadu dengan tembaga, sebagai contoh adalah pewter (paduan Cu-Sn dengan 99%Sn). Logam timah juga dapat dijadikan sebagai elemen dekorasi, sebagai contoh adalah punched tin lanterns atau pierced tin. Untuk dunia medis, persenyawaan timah dengan fluoride (SnF2) digunakan di dalam produk-produk perawatan gigi. Persenyawaan logam timah dengan senyawa organic (contoh hidrokarbon) sangat beracun, senyawa ini disebut sebagai organotin. Organotin sangat toxic dan umumnya dipergunakan sebagai biosida, contohnya; fungisida, pestisida,
algaesida, pengawet kayu, dan antifouling agents. Penggunaan organotin untuk biosida sangat ketat aturannya dikarenakan sangat berbahaya bagi kesehatan manusia.
Gambar 9. Beberapa contoh aplikasi dari timah dan paduannya 6. Timbal Logam timbal (dikenal juga sebagai timah hitam) adalah logam yang mengkilat abu-abu kebiruan yang memiliki ketahana korosi yang baik dan mudah sekali dibentuk. Logam ini telah dipergunakan oleh manusia untuk keperluan sehari-hari sejak 5000 tahun yang lalu. Logam ini di dalam bidang kesehatan digolongkan sebagai logam berat yang toksik untuk tingkat pajanan tertentu kepada manusia. Logam ini merusak sistem syaraf dan menyebabkan kemunduran otak. Kadar Pb yang berlebih menyebabkan kelainan pada darah mamalia. Sama seperti logam berat lainnya, seperti merkuri, timbal akan terakumulasi pada jaringan lunak dan tulang. Logam timah hitam murni terdapat di alam, tetapi jarang sekali ditemui. Timah hitam biasanya dalam bentuk bijih dan bergabung dengan seng (Zn), perak (Ag), dan tembaga (Cu). Bijih timah hitam
potensial yang umumnya ditambang adalah galena (PbS), cerrusite (PbCO3), dan anglesite (PbSO4). Galena merupakan bijih timah hitam utama yang mengandung kadar Pb 86.6%. Bijih timah hitam dengan kandungan Pb kurang dari 10% dan atau sedikitnya
3%
masih
dapat
dieksploitasi
secara
eknomonis.
Kadarnya
dapat
ditingkatkan dengan proses pengolahan mineral. Umumnya menggunakan flotasi sehingga kadarnya naik menjadi 70% atau lebih. Logam ini telah dipergunakan sebagai pipa air pada Kekaisaran Romawi, sebagai pelapis (glaze) pada keramik-keramik kuno, sebagai kosmetik (kohl), dipergunakan oleh orang Mesir Kuno untuk menggelapkan tepian kelopak mata. Pada zaman modern, logam ini dipergunakan pada konstruksi bangunan, baterai, selongsong peluru, pemberat pancing, paduan timah solder, dan sebagai pelapis radiasi. Aplikasi-aplikasi yang menggunakan logam timah hitam secara rinci adalah sebagai berikut ini:
Batteries: wire/wireless phone, UPS, remote area (dessert, navigational systems in the ocean), military weapons (submarines, missile launcher, power backup for Command, Communications, & etc.), material handling (forklifts, mine vehicles), starting, lighting, and ignition.
Rolled/extruded products: roofing/flashings/claddings, radiation shielding, noise insulation, damp roofing, and earthquake dumpers.
Pigments/chemicals: CRT (cathode ray tubes), radiation glass, lead crystal; optical glass, ceramic glazes, lead stabilizers, lead paint.
Alloys: solder, terne plate (lead-based alloy coating), brass, and bronze.
Cable sheathing: power and communications
Shot/ammunition: police, military, sport
Gasoline additives: tetra ethyl lead (TEL); sudah mulai dihilangkan.
Miscellaneous uses: anode & cathode in copper refining, lead weights for wheel balancing, Yacht keels, curtain weights, fishing weights, etc.
Gambar 10. Beberapa contoh aplikasi dari timbal/timah hitam dan paduannya
Keramik Keramik identik dengan clay (tanah liat) sebagai bahan dasar pembuatannya, hal ini karena pada masa lampau keramik dibuat dari material tersebut dengan cara dibentuk lalu dibakar di dalam tungku. Seiring perkembangan teknologi, keramik jadi lebih
menarik
tempilannya
dengan
ditemukannya
teknik
pewarnaan
(glazing)
dipermukaannya. Keramik ada yang kristalin ada pula yang amorf (contohnya glass). Keramik memiliki sifat mekanis yang baik dalam hal ketahanan aus dan temperature tinggi. Material ini juga memiliki kekuatan tekan yang baik akan tetapi karena sifatnya yang getas maka tidak tahan terhadap beban tarik satu arah. Keramik diklasifikasikan ke dalam beberapa kelas sebagai berikut;
1. Glasses: optical, composite reinforce, containers, household 2. Clay products: whiteware, bricks 3. Refractories: furnace lining (fire bricks) 4. Abrasives: sandpaper, cutting, polishing 5. Cements: composite, structural 6. Advance ceramics: engine (rotors, valves, bearings), sensors Ada beberapa metode di dalam pembuatan keramik, yaitu; a. Glass forming Teknik ini dipergunakan di dalam pembuatan benda-benda dari glass. Bahan dasar di dalam glass forming adalah silica (SiO2) dengan penambahan additives berupa air kaca (soda glass) sebanyak 30%, untuk gelas temperature tinggi seperty Pyrex ditambahkan air kaca sebanyak 20%. Additives diperlukan untuk menaikkan viskositas gelas. Tak berbeda dengan logam, komponen dari gelas juga dibentuk dengan proses deformasi. Ada beberapa proses di dalam pembuatan benda-bendar dari gelas, berikut ini prosesnya;
Hot-pressing, seperti proses tempa pada logam dimana segumpal gelas panas ditekan diantara cetakan (dies). Biasa dipakai untuk membuat insulator dari gelas.
Rolling, untuk memproduksi lembaran gelas (sheet)
Float moulding, untuk memproduksi kaca jendela yang jernih
Blow moulding, untuk memproduksi botol atau keca pada bola lampu pijar
Fiber drawing, untuk memproduksi fiber glass
b. Particulate forming Pembuatan komponen dari keramik umumnya dengan metode ini yang mana melibatkan proses pressing menggunakan cetakan kemudian dilanjutkan dengan proses sintering pada temperatur tinggi sehingga terjadi perlekatan antar partikel, tujuan sintering adalah menurunkan tingkat porositas pada bakalan yang telah dicetak. Proses
ini lebih terkenal untuk pembuatan engineering ceramics (material keramik untuk aplikasi-aplikasi khusus di bidang rekayasa). Serbuk keramik terlebih dahulu dicampur dengan binder (pengikat) sebelum di-pressing. Ada tiga jenis teknik pressing di dalam proses ini yaitu; 1. Uniaxial compression, dipadatkan pada satu arah 2. Isostatic (hydrostatic) compression, tekanan diberikan oleh fluida, serbuk keramik ditempakan di dalam wadah karet. 3. Hot pressing, proses penekanan melibatkan panas c. Cementation Pada proses ini terjadi pengerasan pasta yang dibuat dari campuran antara material semen dengan air (contoh; concrete). Umumnya digunakan untuk membangun struktur dengan dimensi yang besar dan bentuk yang kompleks seperti apartemen, jalan laying, dll. Proses pengerasan semen terjadi karena terjadi peristiwa hidrasi dari semen (reaksi kimia kompleks yang melibatkan air dan partikel semen). Sampai saat ini, material semen Portland yang paling banyak dipergunakan pada proses cementation. Semen Portland dibuat dari campuran antara clay dan mineral gamping yang kemudian dikalsinasi pada 1400°C. Setelah proses kalsinasi kemudian dilakukan grinding hingga menjadi serbuk halus yang kita kenal sebagai semen untuk bangunan. Beberapa contoh engineering ceramics adalah alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), silicon karbida (SiC), magnesia (MgO). Material-material tersebut banyak dipergunakan sebagai batu tahan api (refraktori) karena ketahanan temperature tinggi yang baik seperti alumina, dan magnesia. Ada juga yang dipergunakan untuk bidang medis seperti zirconia untuk dental crowns, bridges, root pins dan non-metallic implants.
Gambar 11. Beberapa contoh aplikasi dari material keramik
Polimer Polimer adalah molekul besar yang tersusun atas unit terkecil yang berulang dan teratur. Unit terkecil tersebut dinamakan monomer. Material ini bersifat isolator, tahan korosi namun tidak tahan temperature tinggi, mudah dibentuk, viskoelastis dan nonkristalin. Polimer dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu (1) polimer alam dan (2) polimer sintetis. Polimer alam adalah molekul besar yang terjadi secara alami dan terdapat di alam, sebagai contoh adalah shellac, amber, karet alam, protein, DNA, dan juga selulosa. Sedangkan polimer sintetis banyak sekali jumlahnya. Pada umumnya polimer sintetis merupakan molekul besar yang monomernya merupakan turunan rantai karbon dari minyak bumi meskipun ada juga yang bukan berupa rantai karbon, sebagai contoh adalah karet sintetis, Bakelite, neoprene, nylon, PVC, polystyrene, polyethylene, polypropylene,
polyacrylonitrile,
PVB,
silicone,
dll.
Berdasarkan
monomernya polimer dibedakan atas beberapa jenis yaitu;
pola
susunan
Gambar 12. Jenis-jenis copolymer 1. Periodic copolymers, monomernya tidak berlainan. 2. Alternating copolymers, monomernya berlainan secara bergantian. 3. Statistical copolymers, monomernya tersusun secara acak (random). 4. Block copolymers, tersusun atas satu atau lebih subunit homopolimer. Jika terdiri dari dua homopolimer maka disebut diblock copolymer, jika terdiri dari tiga maka disebut sebagai triblock copolymer. 5. Graft copolymer, mengandung rantai cabang yang berbeda dengan rantai induk polimer. Ada banyak jaenis polimer yang sudah dikembangkan. Ada yang disebut sebagai thermoset dan ada pula yang disebut sebagai thermoplast. Polimer thermoset contohnya adalah phenolics, melamine, epoxy. Sedangkan themoplastik contohnya adalah polyethylene, polypropylene, PVC, PTFE/Teflone, polystyrene. Polimer thermoset akan melunak jika dipanaskan namun tidak dapat dibentuk dan tidak akan mengalir. Berbeda dengan polimer thermoset, polimer thermoplastic akan melunak dan mudah dibentuk ketika dipanaskan. Ketika didinginkan akan menjadi kaku. Polimer jenis ini dapat didaur ulang karena jika dipanaskan ia akan melunak dan dapat dibentuk lagi menjadi benda lainnya.
Reaksi polimerisasi ada yang disebut addisi dan ada juga yang kondensasi. Polimerisasi addisi adalah polimer yang terbentuk dari reaksi addisi dimana monomer berikatan satu sama lain tanpa kehilangan atom atau molekul. Ada tiga tahapan yang berlangsung ketika polimer terbentuk melalui reaksi polimerisasi addisi yakni (1) tahap inisiasi (initiation), (2) tahap propagasi (propagation), dan (3) tahap terminasi (termination). Beberapa contoh polimer addisi adalah sebagai berikut; Tabel 3. Jenis polimer addisi dan aplikasinya Nama polimer Polyethylene
Monomer Ethene
Polypropylene
1-propene
Polystyrene
Styrene
Poly(vinyl chloride) (PVC)
Vinyl chloride
Polytetrafluoroethylene (Teflon)
Tetrafluoroethene
Poly(methyl methacrylate) (Lucite, Plexiglass)
Methyl methacrylate
Polyacrylonitrile (Acrilan, Orlon, Creslan)
Acrylonitrile
Poly(vinyl acetate) (PVA)
Vinyl acetate
Karet alam
2-methyl-1,3butadiene
Polychlorprene (neoprene rubber) Styrene butadiene rubber (SBR)
Aplikasi Kantong, insulator kabel, botol Fibers, karpet indoor-outdoor, botol Styrofoam, tableware (garpu, pisau, sendok) tempat sampah, videocassette case Pembungkus makanan, botol, pelapis lantai, kulit sintetis, pipa air dan pembuangan Nonstick surface, plumbing tape, chemical resistant containers and films Pengganti kaca, cat, dan produk-produk rumah tangga Fibers untuk pembuatan knit shirts, sweaters, blankets, dan carpets Adhesives (Elmer’s glue), cat, pelapis tekstil, dan permen karet Karet gelang, gloves, ban, conveyor belts, dan perkakas rumah tangga
2-methyl-1,3butadiene
Karet tahan bensin dan minyak
-
Karet tak-pantul untuk ban
Sedangkan polimerisasi kondensasi adalah proses berikatannya monomer dengan disertai hilangnya atom atau molekul. Pada polimerisasi dihasilkan air yang
berasal dari atom yang hilang tersebut. Berbeda dengan polimerisasi addisi, monomer pada polimerisasi kondensasi adalah gugus-gugus fungsional yang memiliki dua karakterisasi yakni; 1. Selain berikatan ganda, monomer juga memiliki gugus fungsional (seperti alcohol, amine, atau gugus asam karboksil). 2. Tiap monomer setidaknya memiliki dua situs reaktif, yang biasanya berarti dua gugus fungsional. Beberapa jenis polimer kondensasi adalah sebagai berikut ini; Tabel 4. Jenis polimer kondensasi dan aplikasinya Nama polimer Polyamides (nylon) Polyesters (Dacron, Mylar, Fortrel) Polyesters (Glyptal resin) Polyesters (Casting resin) Phenol-formaldehyde (Bakelite) Cellulose acetate Silicones Polyurethanes
Aplikasi Fibers, molded objects Linear polyesters, fibers, recording tape Cross-linked polyesters, paints Cross-linked dengan styrene dan benzoyl peroxide, fiberglass boat resin, casting resin Dicampur dengan fillers, molded electrical cases, adhesives, laminates, varnishes Photographic film Water-repellent coatings, temperature-resistant fluids, rubbers Foams, fibers
Gambar 13. beberapa contoh dari aplikasi polimer Beberapa jenis polimer thermoplastic dapat didaur ulang, berikut ini adalah contohnya dengan symbol daur ulang masing-masing;
Gambar 14. Kode daur ulang beberapa polimer thermoplastic
Komposit Komposi merupakan material yang tersusun atas dua atau lebih material sebagai konstituen dan memiliki sifat gabungan dari kedua material konstituen tersebut. Komposit terdiri atas matriks dan penguat (reinforce/filler) yang menjadi definisi khususnya. Matriks pada komposit berfungsi sebagai distributor tegangan yang diterima oleh penguat yang jenisnya dapat bermacam-macam. Berdasarkan jenis matriksnya komposit debedakan atas beberapa kelas yakni;
Gambar 15. Klasifikasi komposit berdasarkan jenis matriks Ada beragam jenis penguat yang dipergunakan di dalam fabrikasi composite. Penguat tersebut bergantung pada matriks yang dipergunakan. Beberapa contoh penguat adalah; fibre glass, alumina, silicon carbide. 1. Polymer matrix composite Komposit yang terdiri matriks polimer (resin) dan penguat, biasanya fibre, yang terdistribusi di dalam matriks. Terdapat dua jenis resin untuk komposit matriks polimer yakni polimer thermoset dan thermoplas. Matriks polimer yang memiliki kekuatan mekanis yang rendah, missal; duktilitas tinggi, modulus young rendah, digabungkan dengan penguat yang memiliki kekuatan mekanis, missal; duktilitas rendah dan
modulus young tinggi, yang tinggi sehingga didapatkan kombinasi dari keduanya. Komposit matriks polimer yang diperkuat dengan jalinan fibre memiliki kekuatan mekanis yang baik yakni;
High tensile strength
High stiffness
High fracture toughness
Good abrasion resistance
Good puncture resistance
Good corrosion resistance Komposit matriks polimer banyak diaplikasikan karena low cost di dalam proses
fabrikasinya akan tetapi ada beberapa kekurangan yang dimiliki oleh koposit jenis ini yaiku;
Low thermal resistance, tidak tahan temperature tinggi
High coefficient of thermal expansion Berdasarkan jenis material penguatnya komposit matriks polimer terdiri dari tiga
yaitu; 1. Fiberglass – Glass fibre reinforced polymers 2. Carbon fibre reinforced polymers 3. Kevlar (Aramid) fibre reinforced polymers Untuk memperoleh sifat mekanis yang berbeda-beda sesuai keinginan maka penguat dapat disusun berdasarkan orientasi yang berbeda-beda. Berikut adalah jenis orientsi/susunan dari penguat tersebut;
Unidirectional fibre
Rovings
Veil mat
Chopped strand
Woven fabric Komposit matriks polimer banyak dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi berikut;
secondary load-bearing aerospace structures, boat bodies, canoes, kayaks, automotive parts, radio controlled vehicles, sport goods (golf clubs, skis, tennis racquets, fishing rods), bullet-proof vests and other armor parts, brake and clutch linings.
Gambar 16. Beberapa contoh aplikasi dari komposit matriks polimer 2. Metal matrix composite Komposit yang matriksnya adalah logam, umumnya logam-logam non-ferrous seperti Aluminum, Magnesium,Titanium, dan Tembaga. Matriks logam yang menempati persentase terbesar dari komposit matriks logam adalah Aluminum. Untuk penguat pada komposit matriks ini pada umumnya adalah keramik karena titik leburnya lebih tinggi dari pada logam matriksnya. Beberapa jenis penguat untuk komposit matriks logam adalah alumina (Al2O3), silicon carbide (SiC), graphite, titanium boride (TiB2), titanium carbide (TiC), tungsten (W).
Aluminum matrix composite (AMC) Matriks untuk komposit ini umumnya dari paduan Al-Si (seri 4xxx) dan juga dari
seri 2xxx dan 6xxx. Jenis penguat ang dipergunakan adalah; -
Alumina (Al2O3) atau silicon carbide (SiC) dalam bentuk partikel sebanyak 1570 vol% (particulate composite)
-
Continuous fibre dari alumina, SiC, graphite (long fibre reinforced composite)
-
Discontinuous fibre dari alumina (short-fibre reinforced composite) Teknik farbrikasinya ada tiga yakni; (1) powder metallurgy (sintering), (2) stir
casting, (3) infiltration. Sifat-sifat yang dimiliki oleh komposit matrik logam aluminum adalah; -
High strength bahkan di temperature tinggi
-
High stiffness (modulus young)
-
Low density, ringan
-
High thermal conductivity
-
Excellence abrasion resistance Komposit
matriks
logam
aluminum
dimanufaktur
untuk
aplikasi-aplikasi;
automotive parts (pistons, pushrods, brake components), brake rotors for high speed trains, bicycles, golf clubs, electronic substrates, cors for high voltage electrical cables.
Magnesium matrix composite Komposit ini menggunakan magnesium sebagai matriksnya dan penguatnya
kebanyakan adalah silicon karbida (SiC) dalam bentuk partikel (particulate composite). Sifat-sifat yang dimiliki oleh komposit matriks ini adalah; -
Low density, ringan
-
High stiffness (modulus young)
-
High wear resistance
-
Good strength bahkan di temperature tinggi
-
Good creep resistance Komposit matriks logam magnesium dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi;
components for racing cars, lightweight automotive brake system, aircraft parts for: gearboxes, transmissions, compressors and engine.
Titanium matrix composite Matriksnya adalah logam titanium yang ringan lagi kuat. Penguat yang umumnya
dipergunakan adalah continuous monofilament SiC fibre, titanium boride (TiB2), dan titanium carbide (TiC) dalam bentuk partikel. Teknik fabrikasinya menggunakan powder metallurgy (sintering). Sifat-sifat yang dimiliki oleh komposit matriks logam titanium adalah; -
High strength
-
High stiffness (modulus young)
-
High creep resistance
-
High thermal stability
-
High wear resistance Komposit matriks logam titanium dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi; structural
components of the F-16 jet’s landing gear, turbine engine components (fan blades, actuator pistons, synchronization rings, connecting links, shafts, discs), automotive enginecomponents, drive train parts, general machine components.
Copper matrix composite Komposit jenis ini menggunakan logam tembaga sebagai matriksnya dan
penguatnya adalah continuous fibre dari carbon (C), SiC, W, dan SS 304, serta SiC
dalam bentuk partikel. Metode farbikasinya dengan powder metallurgy (sintering) dan infiltrasi. Sifat-sifat yang dimiliki oleh komposit matriks logam tembaga adalah; -
Low coefficient of thermal expansion
-
High stiffness (modulus young)
-
Good electrical conductivity
-
High thermal conductivity
-
Good wear resistance Komposit matriks logam tembaga dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi; hybride
modules, electronic relays, electrically conducting springs and other electrical and electronic components.
Gambar 17. Beberapa contoh aplikasi dari komposit matriks logam
3. Ceramic matrix composite Komposit yang matriksnya berupa keramik dengan penguat yang juga dari keramik. Matriks keramik tersebut dapat berupa alumina (Al2O3) atau silicon karbida (SiC). Sedangkan penguatnya juga dapat berasal dari jenis keramik yang sama. Komposit matriks keramik dirancang untuk meningkatkan ketangguhan keramik konvensional yang pada umumnya getas. Jenis penguatnya dapat berupa contiuous (long) fibre atau discontinuous (short) fibre. Sebagai contoh untuk short fibre adalah Al2O3, SiC, TiB2, aluminum nitride (AlN), zirconia (ZrO2). Kebanyakan komposit matriks keramik menggunakan penguat dari SiC karena menghasilkan kekuatan dan modulus young yang tinggi. Sifat-sifat yang dimiliki oleh komposit jenis ini adalah; -
High mechanical strength bahkan pada temperature tinggi
-
High thermal shock resistance
-
High stiffness
-
High toughness
-
High thermal stability
-
Low density
-
High corrosion resistance bahkan pada temperature tinggi Proses fabrikasi komposit matriks keramik dapat dengan metode konvensional
untuk pembuatan keramik pada umumnya yaitu pencampuran antara matriks dan penguat kemudian dikuti dengan proses pada temperature tinggi seperti; hot pressing, sintering. Metode tersebut biasanya untuk short-fibre composite, sedangkan untuk long-fibre composite menggunakan metode infiltrasi. Sebagai contoh untuk komposit matriks keramik adalah sebagai berikut ini;
Silicon carbide matrix composite Difabrikasi dengan metode chemical vapour infiltration atau liquid phase
infiltration dari matriks ke dalam perform yang disiapkan dari silicon carbide fibre. Komposit jenis ini dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi; combustion liners of gas turbine
engines, hot gas re-circulating fans, heat exchangers, rocket propulsion components, filters for hot liquids, gas-fired burner parts, furnace pipe hangers, immersion burner tubes.
Alumina and alumina-silica (mullite) matrix composite Difabrikasi dengan metode sol-gel, direct metal oxidation atau chemical bonding.
Komposit jenis ini dimanufaktur untuk aplikasi-aplikasi; manufacturing heat exchangers, filters for hot liquids, thermo-photovoltaic burners, burner stabilizers, combustion liners of gas turbine engines.
Carbon-carbon composite Difabrikasi dengan metode chemical vapour infiltration atau liquid phase
infiltration dari matriks ke dalam perform yang telah dibuat dari serat karbon (carbon fibre). Komposit jenis ini dmanufaktur untuk aplikasi-aplikasi; high performance braking systems, refractory components, hot-pressed dies, heating elements, turbojet engine components. 4. Carbon and graphite composite Komposit matriks karbon dan grafit memiliki keunggulan yaitu kekuatan dan rigiditasnya tidak berubah pada temperature tinggi yang temperaturnya mencapai 2300°C. Komposit jenis ini difabrikasi dengan teknik kompaksi atau multiple impregnation dari frame berpori dengan liquid carbonizer precursor serta subsequent pyrolization. Komposit jenis ini juga dapat difabrikasi dengan metode chemical vapor deposition (CVD) dari pyrolitic carbon. Sebenarnya komposit matriks karbon tidak dipergunakan untuk aplikasi temperature tinggi sebagaimana komposit jenis lain kan tetapi karena sifatnya yang mampu mempertahankan kekuatan dan rigiditas pada temperature hingga 2300°C membuatnya dapat dipergunakan untk aplikasi yang bertemperatur tersebut seperti pada bidang aeronautic seperti spacecraft structure.
Gambar 18. Beberapa contoh aplikasi dari komposit matriks keramik
Material Mutakhir Material mutakhir adalah jenis-jenis material yang dirancang khusus untuk aplikasi-aplikasi teknologi tinggi (high-tech) yang memerlukan material dengan sifatsifat yang spesifik. Tidak ada domain ataupun batasan yang jelas untuk material mutakhir. Material mutakhir dapat berasal dari polimer sintetis, logam, keramik, komposit yang masing-masing difabrikasi dan dimanufaktur dengan teknologi khusus. Material mutakhir juga dapat merupakan gabungan dari beberapa jenis material sama seperti halnya komposit. Beberapa contoh dari jenis material mutakhir adalah;
liquidcrystal (LCs), semiconductor, superconductor, mesoporous materials, shape memory alloys, sel bahan bakar (fuel cell), nanomaterial, biomaterial, biodegradable polymer. Material terbarukan juga merupakan bagian dari definisi material mutakhir karena diproses dengan teknologi canggih dan difungsikan untuk proses yang spesifik dan rumit. Material terbarukan berasalh dari sumber yang dapat terus beregenerasi, contohnya berasal dari tumbuhan, binatang atau ekosistem sehingga produksinya dapat dilakukan berulang kali. Beberapa contoh untuk jenis material mutakhir adalah sebagai berikut ini;
Logam o Shape memory alloys o Biomaterials o Amorphous metal (metallic glass)
Keramik o Mesoporous materials o Solar cell o Geopolymers o Biomaterials
Polimer o Biodegradable polymer o Biomaterials
Komposit o Clay composite Ada lebih banyak lagi jenis material mutakhir karena dewasa ini terus
dikembangkan material-material yang difungsikan untuk aplikasi-aplikasi yang semakin canggih seperti di bidang electronics, spacecraft, health, energetic. Beberapa contoh di antaranya adalah;
a. Shape memory alloy Shape memory alloy (SMA, smart metal, memory metal, memory alloy, muscle wire, smart alloy) merupakan paduan yang dapat mengingat bentuk aslinya. Paduan ini dibentuk dengan proses tempa dingin sehingga komponen yang terbuat dar paduan ini dapat kembali ke bentuk asalnya dengan cara dipanaskan. Material ini merupakan alternatif material yang ringan yang dapat menggantikan aktuator konvensional seperti hydraulic, pneumatic, and motor-based systems. Aplikasinya juga meliputi: kedokteran dan ruang angkasa.
Gambar 19. Beberapa contoh aplikasi dari Shape Memory Alloy (SMA) b. Metallic biomaterial Untuk menjadi biomaterial maka logam harus compatible denga lingkungan tubuh manusia dalam artian tidak ditolak oleh system kekebalan dan tidak melepaskan substansi berbahaya ke dalam tubuh manusia. Sifat tersebut dinamakan sebagai biokompatibilitas. Logam-logam yang terkenal dengan sifat biokompatibilas yang baik adalah dari jenis non-ferrous serta paduan baja tahan karat (stainless steel). Dari non-
ferrous ada logam titanium dan paduannya yang banyak diaplikasikan untuk perawatan gigi dan ortopedi seperti implant untuk proses penyembuhan tulang patah.
Gambar 20. Beberapa contoh aplikasi dari titanium biomaterial c. Amorphous metal (logam amorf) Material ini juga dinamakan sebagi metallic glass karena tidak memiliki struktur kristal sebagaimana logam pada umumnya. Logam amorf adalah material logam dengan struktur atom yang tidak teratur (tidak kristalin). Material ini difabrikasi langsung dari lelehan logamnya dengan pendinginan yang sangat cepat (10 4-105 °C/detik), dengan laju pendinginan yang sangat cepat tersebut maka atom-atom di dalam lelehan logam tidak mendapat kesempatan untuk menjadi teratur. Selain pendinginan super cepat, metallic glass juga dapat difabrikasi dengan teknik physical vapour deposition, solid-state reaction, ion irradiation, mechanical alloying. Logam amorf memiliki ketahanan aus dan korosi yang sangat baik karena tidak memiliki batas butir sebagai titik lemah logam pada umumnya. Logam ini lebih tangguh dan ulet dibandingkan dengan oxide glasses dan keramik pada umumnya. Logam amorf telah banyak diaplikasikan untuk bidang kesehatan, olahraga, dan elektronik. Untuk bidang kesehatan sebagai skrup, pen, atau plat untuk tulang, medical scalpels, coating untuk hip implant. Untuk bidang oleh raga seperti raket tenis, golf clubs, skis, baseball dan softball bats. Aplikasi lainnya adalah sebagai coating pada refineries plant dan oil
pipes, armor, ballistic, cell phone casing, anti-theft devices, perhiasan seperti jam tangan dan cincin.
Gambar 21. Beberapa contoh aplikasi dari material amorf (metallic glass) d. Mesoporous material Material yang memiliki pori dengan diameter diantara 2-50 mm disebut material mesopori. Jika pori < 2 mm disebut microporous material dan > 50 mm disebut macroporous material. Material ini memiliki luas permukaan yang besar sehingga memiliki banyak tempat untuk proses serapan terjadi. Sefat tersebut cocok diaplikasi sebagai katalis, sensor, dan lain-lain yang membutuhkan surface area yang besar. Beberapa contoh material mesopori adalah dari jenis alumina, silica, oksida-oksida dari niobium, tantalum, titanium, zirconium, cerium, dan timah. Struktur mesopori-nya dapat dibuat menjadi teratur atau sebaliknya. Untuk memfabrikasi material mesopori ada beberapa metode yaitu; (1) Pillaring method, (2) Liquid crystal templating. Material mesopori dapat diaplikasikan untuk bidang catalysis, sorption, gas sensing, ion exchange, optics, dan photovoltaics.
Gambar 22. Zeolite mesoposi disintesis dari abu terbang (fly ash) e. Geopolymer Material ini pertamakali dikembangkan oleh Joseph Davidovits sejak tahun 1973, sedangkan terminologi geopolimer diperkenalkannya pertama kali pada tahun 1976. Material ini memiliki sifat gabungan antara polimer anorganik (plastik) dan keramik. Geopolimer bisa disintesis dari mineral aluminosilikat dan limbah pembakaran dari batu bara ataupun limbah dari hasil peleburan bijih besi atau proses smelting logam tembaga, nikel, dan lain-lain yang menghasilkan terak dengan kandungan silikat dan alumina yang dapat dipergunakan sebagai precursor dalam pembuatan geopolimer. Aplikasinya dapat sebagai pengganti semen (green technology), enkapsulasi limbah B3.
Gambar 23. Geopolimer untuk pembuatan beton f. Biodegradable polymer Material polimer ini umumnya disintesis dari bahan yang bersumber dari alam sehingga mudah terdegradasi ketika dibuang kea lam, berbeda dengan polimer sintesis
yang tidak mudah terdegradasi. Polimer dapat dirancang agar menjadi partially degradable atau fully degradable. Polimer yang partially degradable adalah polimer yang berasal dari gabungan antara sintetic polimer yang berbasis petroleum dengan komponen organic (bisa sebagai fiber). Ketika dibuang maka komponen organic akan terurai dengan mudah dan cepat oleh mikroorganisme dan meninggalkan struktur matriks yang rapuh sehingga mempermudah alam untuk mendegradasi. Berbeda dengan polimer sintetis yang permukaannya sangat halus sehingga sulit bagi alam untuk mendegradasi. Sedangkan fully degradable polimer adalah polimer yang seluruhnya terbuat dari bahan yang berasal dari alam atau komponen mahluk hidup sehingga lebih mudah terdegradasi. Salah satu contoh dari material ini adalah sintesis polyester dari asam levulinic.
Gambar 24. Proses sintesis polyester dari biomass Asam levulinik dapat diisolasi dari biomass dengan proses konversi melalui hidrogenasi untuk menghasilkan polyester yang dapat terurai. Untuk aplikasi di bidang medis ada beberapa jenis polimer yang menjadi biomaterial dan mudah terdegradasi di dalam tubuh manusia, utamanya diaplikasikan sebagai drug release system, namun ada juga yang dijadikan sebagai komposit untuk implant di dalam tubuh. Polimer tersebut contohnya adalah collagen, chitosan, dll.
Referensi: Michael F. Ashby & David R. Jones. 1998. Engineering Materials 2: An Introduction to
Microstructures, Processing and Design Second Edition. UK: Biddles Ltd, Guildford and Kingd’s Lynn. David A. Katz. 1998. Polymers, diakses melalui laman http://www.chymist.com/Polymers.pdf pada 2 September 2011. James E. Mark. 1999. Polymer Data Handbook. USA: Oxford University Press, Inc., diunduh melalui laman http://www.qmc.ufsc.br/~minatti/docs/20061/polymer_data_handbook.pdf pada 2 September 2011. Dmitri Kopeliovich. Cast Irons. SubsTech (Substance and Technology), diakses melalui laman http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=cast_irons pada 2 September 2011. Dmitri Kopeliovich. Composites. SubsTech (Substance and Technology), diakses melalui laman http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=composites pada 2 September 2011.
Cast steel: Classification of Carbon and Low-Alloy Steels. Key to Metals, diakses melalui laman http://steel.keytometals.com/articles/art62.htm pada 2 September 2011. Laman http://www.engineershandbook.com/Tables/alumalloys.htm, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/brass, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/bronze, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/ceramic, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/copper, diakses pada 2 September 2011.
Laman http://en.wikipedia.org/wiki/brass, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/lead, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/metal, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/polymer, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/tin, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/cupronickel, diakses pada 2 September 2011. Laman http://en.wikipedia.org/wiki/titanium, diakses pada 2 September 2011.
