6/15/2015
Outline • • • • • • • • • •
Materials and their Properties Dhimas Satria Great Idea: A material’s properties result from its constituent atoms and the arrangements of chemical bonds that hold those atoms together
Latar Belakang • Kesalahan pemilihan material dapat berakibat pada beberapa kerusakan/kegagalan. • Tanpa pemilihan material yang tepat, rekayasa disain yang baik sekalipun tidak akan bermanfaat. Perlu material yang tepat untuk aplikasi material tertentu. • Pengetahuan tentang sifat-sifat material menjadi penting untuk memperoleh hasil rekayasa yang baik. • Diperlukan pengetahuan tentang kegagalan akibat kesalahan disain dan pemilihan material.
Latar Belakang Material dan Dunia Modern Ikatan Kimia Fase Zat Klasifikasi Material Rekayasa Material Sifat-sifat Material Piranti Semikonduktor Advanced Material & Nanotechnology Knowledge/Creative Based Economy
1
Tragedi Concorde Tahun 2000
2
Runtuhnya World Trade Center World Trade Center: • Rangka berbentuk tabung • Disain yang sangat baik dan kuat, tetapi tidak kuat untuk robohan • Dapat menopang benturan pesawat. • Panas akibat terbakarnya bahan bakar pesawat menyebabkan kekuatan struktur baja berkurang. • Bangunan di atas tempat pesawat menabrak merupakan beban yang merobohkan WTC.
Komponen lepas (fatigue) dari pesawat yang sebelumnya menggunakan runaway yang sama → terhantam roda pesawat → tangki bahan bakar bocor
Material Dan Dunia Modern
CNN
• Material telah mengubah peradaban dunia (contoh: transportasi, perdagangan dan komunikasi). • Fungsionalisasi material didasarkan atas sifat-sifat materialnya. • Sifat material bergantung pada: – Jenis atom penyusunnya – Susunan atomnya – Jenis ikatan antar atomnya
4
Tabel Periodik Unsur-unsur
3
Penting untuk mengetahui sifat material agar material tersebut dapat difungsikan sesuai kebutuhan
5
Jenis Atom Dan Susunannya
6
Ikatan Kimia Atom saling berikatan melalui pengaturan susunan elektron dari atom-atom tersebut. • Elektron dengan jumlah tertentu (seperti 2, 10, 18 dan 36) membentuk atom yang stabil. • Elektron dapat pindah atau digunakan bersama untuk membentuk atom yang stabil. • Jenis-jenis ikatan kimia : – Ikatan ionik: ikatan melalui gaya tarik elektrostatik dari ionion yang berbeda muatan – Ikatan kovalen: ikatan kimia hasil berbagi (sharing) elektron – Ikatan metal: ikatan yang dibentuk dari gaya tarik-menarik elektrostatik antara elektron-elektron yang terdelokalisasi, dengan ion-ion metal bermuatan positif.
DIAMOND 7
GRAPHITE 8
9
1
6/15/2015
Ikatan Ionik
Ikatan Ionik
Ikatan Kovalen Hidrogen
10
Ikatan Kovalen
11
Ikatan Metalik
12
Ikatan Metalik
Air
13
14
Zat Padat (Bentuk Dan Volume Tetap)
Fase Zat
Zat Padat: Plastik
Plastik: terbentuk dari rantai molekul
Kristal: atom-atom tersusun secara teratur 16
15
17
18
2
6/15/2015
Plastik Daur Ulang
Zat Cair
Gas
• Kristal Cair (Liquid Crystals): Molekul dapat diorientasikan oleh medan listrik.
19
Perubahan Fase Zat
Volume dan bentuk dapat berubah
20
21
Proses Penyulingan (Destilasi)
Klasifikasi Material
Bensin, minyak tanah, solar, aspal dan pelumas merupakan hasil penyulingan dari minyak mentah.
1. 2. 3. 4. 5.
Metal Keramik Polymer Material Elektronik Komposit
HYDROCARBONS
22
Klasifikasi Material
23
Klasifikasi Material
1. Metal
Metal Dan Sifat-sifatnya
3. Polymer
– Besi – Alloy dan Superalloy (contoh: alloy untuk keperluan dirgantara) – Senyawa Intermetalik (contoh: high-T structural materials)
Ciri-ciri utama: • Atom tersusun dalam bentuk kristal. • Memiliki kekuatan dan kelenturan yang cukup baik. • Padat • Dapat dibengkokkan. • Penghantar listrik dan panas yang baik. • Tidak tembus cahaya. • Memiliki permukaan yang mengilap
– Plastik – Liquid crystals – Adhesives
4. Material Elektronik
2. Keramik
– Silicon dan Germanium – Senyawa golongan III-V (contoh: GaAs) – Materials Fotonik (contoh: solid-state lasers, LEDs)
– Keramik untuk struktur (contoh: high-temperature load bearing) – Keramik untuk material insulator dan tahan korosi. – Keramik untuk alat rumah tangga (contoh: porselen) – Gelas – Keramik untuk keperluan listrik (kapasitor, insulator, transdusers, dll.) – Semen dan beton
5. Komposit – Particulate composites (Komposit yang terbuat dari partikel-partikel yang tersusun di dalam material yang berbeda). – Laminate composites (contoh: tongkat golf, raket tenis) – Fiber reinforced composites (contoh: fiberglass) 25
24
26
27
3
6/15/2015
Metal Dan Sifat-sifatnya
Metal Dan Sifat-sifatnya
Ciri-ciri lainnya: • Metal dapat dibentuk dan diproses dengan mudah dan cukup awet. • Metal tidak mudah bereaksi dengan unsur lain, tetapi, Fe dan Al dapat dengan mudah membentuk senyawa. • Salah satu kekurangan metal adalah dapat dapat berekasi dengan lingkungan dalam bentuk karat. • Beberapa metal memiliki titik leleh yang rendah sehingga tidak dapat digunakan dalam beberapa aplikasi.
Metal Dan Sifat-sifatnya Aplikasi: • Kabel listrik • Keperluan struktur: bangunan, jembatan dll. • Mobil: rangka dan bodi, pegas, blok mesin, dll. • Pesawat: komponen mesin, body pesawat, perlengkapan pendaratan • Kereta Api: rel, komponen mesin, rangka dan bodi, roda, dll. • Perkakas mesin: bor, obeng, gergaji, martil, dll. • Perlengkapan keseharian: kaca mata, kepala sabuk, dll • Magnet
Unsur-unsur metal dalam tabel periodik
Beberapa contoh: • Unsur metal murni (Cu, Fe, Zn, Ag, dll) • Alloy – – – –
•
28
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Keramik Dan Sifat-sifatnya Ciri-ciri lainnya: • Keramik lebih resisten terhadap zat kimia dari lingkungan (contoh: Alumina (Al2O3) dan Silica (SiO2, Quartz). • Keramik dapat berbentuk kristalin dan non-kristalin. Keramik berfase gelas dapat dibentuk dengan mendinginkannya dari fase cair.
31
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Beberapa contoh: • Oksida (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO) • Campuran metal-oksida (SrTiO3, MgAl2O4, YBa2Cu3O7-x) • Nitrida (Si3N4, AlN, GaN, BN, dan TiN, yang digunakan untuk hard coatings.) 34
Senyawa intermetalik (Ni3Al)
29
Ciri-ciri utama: • Kecuali gelas, atom-atom tersusun secara teratur. • Terdiri dari campuran metal dan non-metal. • Memiliki densitas yang lebih kecil dari metal. • Lebih kuat daripada metal. • Lebih regas daripada metal. • Lebih sulit untuk dibentuk. • Memiliki titik leleh yang tinggi. • Penghantar listrik dan panas yang buruk. • Keramik dalam bentuk kristal tunggal umumnya transparan.
Aplikasi: • Insulator listrik dan panas • Alat penggosok, pengasah • Kaca jendela, tabung TV, serat optik. (Gelas). • Peralatan yang tahan terhadap korosi. • Piranti listrik: kapasitor, varistor, transducers, dll. • Jalan raya (beton) • Lapisan komponen Biocompatible. • Self-lubricating bearings • Material magnetik (komponen audio/video, hard disks, dll.) • Optical wave guide • Night-vision
Cu-Sn = perunggu Cu-Zn = kuningan Fe-C = baja Pb-Sn = solder
30
Keramik Dan Sifat-sifatnya Unsur-unsur pembentuk keramik dan gelas
32
33
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Ciri-ciri utama: • Tersusun dari unsur-unsur utama C dan H (hydrocarbon). • Titik leleh rendah. • Beberapa polymer berbentuk kristal, tapi sebagian besar bukan kristalin. • Sebagian besar merupakan penghantar listrik dan panas yang buruk. • Sebagian besar bersifat plastik, tapi beberapa polymer bersifat elastik. • Sebagian polymer bersifat transparan dan sebagian lain tidak transparan.
Ciri-ciri lainnya: • Polymer biasanya sangat ringan dan mudah dalam proses pembentukannya, seperti di cetak, dibuat lembaran tipis atau sebagai lapisan pelindung (coating). Selain itu polymer lebih murah biaya pembuatannya. • Umumnya sangat resisten terhadap lingkungan. • Karena merupakan penghantar listrik dan panas yang buruk serta mudah dibentuk, polymer sangat berguna untuk insulator listrik dan peralatan rumah tangga. 35
36
4
6/15/2015
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Dua tipe utama polymer: • Thermosets: cross-linked polymers yang membentuk jaringan 3D, sehingga lebih kuat dan lebih kaku. • Thermoplastics: long-chain polymers yang dapat dengan mudah bergeser antara satu dengan lainnya jika dipanaskan, sehingga lebih mudah dibentuk, dibengkokkan dan mudah patah.
Polymer Dan Sifat-sifatnya Aplikasi: • Bahan perekat • Berbagai jenis wadah dan botol • Produk cetakan (casing komputer, printer, telepon, dll) • Material untuk mebel dan pakaian (vinyls, polyester, nylon) • Water-resistant coating (latex) • Biomaterial (organic/inorganic) • Liquid crystal • Low-friction material (teflon) • Oli sintetis dan pelumas. • Gasket dan O-rings (karet) • Sabun dan surfaktan
Unsur-unsur pembentuk polymer (terbatas)
37
Sifat-sifat Material (Mekanik)
38
39
Kekuatan Tekanan
• Jenis kekuatan (strength) untuk karakterisasi material
Kekuatan Tarikan • Kabel • Tali • Rantai
• Tumpukan kertas • Bangunan terbuat dari susunan batu/bata • Susunan kayu
– Tekanan (compressive strength) – Tarikan (tensile strength) – Geseran (shear strength)
• Ada batas elastik untuk setiap material • Kekuatan material bergantung pada: – Jenis unsur penyusun – Cara atom tersusun – Ikatan kimia susunan atomnya.
40
Kekuatan Geseran
41
Sifat Magnetik
• Susunan alat penopang • Intan
Sifat Listrik
• Medan magnetik
Berdasarkan sifat penghantaran arus listrik, material dapat digolongkan kedalam: • Konduktor: dapat menghantarkan arus listrik (muatan bebas) • Insulator: tidak dapat menghantarkan arus listrik. • Semikonduktor: bersifat antara konduktor - isolator • Superkonduktor: resistansi nol
– Ditimbulkan oleh arus listrik. – Sifat magnetik atom ditimbulkan oleh spin elektron
• Kemagnetan – Derajat kesearahan domain menentukan besar kekuatan medan magnet.
43
42
44
45
5
6/15/2015
Terima Kasih
Bab XI
Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan (KPIP)
46
6
