SINTESIS & KARAKTERISASI KERAMIK STRUKTURAL ALUMINA PADA SINTERING TEMPERATUR RENDAH UNTUK APLIKASI ARMOR FACING
TUGAS AKHIR SARJANA Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik dalam Menempuh Program Pendidikan Sarjana di Program Studi Teknik Material
Disusun oleh : GALIH NUGROHO AJIE 13703011
PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN & DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS TEKNIK MESIN & DIRGANTARA Gd. Labtek V Lt. Dasar, Jl. Ganesha 10 Bandung 40312, Telp: +6222 2504551, Fax: +6222 2509406 Email:
[email protected], Website: www.ftmd.itb.ac.id
Program Studi Teknik Material ITB Labtek X, Lt. 2 Telp: +6222 2508144/2502265 Fax: +6222 2508144 Email:
[email protected] Website: http://www.material.itb.ac.id
TUGAS SARJANA
Diberikan Kepada
: Galih Nugroho Ajie
NIM
: 13703011
Dosen Pembimbing
: Dr. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita
Judul
:
Sintesis
Struktural
dan
Karakterisasi
Alumina
pada
Keramik Sintering
Temperatur Rendah untuk Aplikasi Armor Facing. Jangka Waktu Penyelesaian
: 5 (lima) bulan
Isi Tugas
: 1. Sintesis keramik struktural monolitik (AL2O3) dan ceramic matrix composite (Al2O3/ZrO2 (p)) 2. Karakterisasi sifat mekanik & sifat fisik 3. Karakterisasi struktur mikro
Bandung, 15 Februari 2008
Dr. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita NIP 131471326
ii
LEMBAR PENGESAHAN
LEMBAR PENGESAHAN
TUGAS SARJANA YANG BERJUDUL
“Sintesis dan Karakterisasi Keramik Struktural Alumina pada Sintering Temperatur Rendah untuk Aplikasi Armor Facing”
Disetujui dan disahkan oleh: Bandung 15 Februari 2008
Pembimbing
Dr. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita NIP 131471326
iii
ABSTRAK
Penggunaan keramik struktural sebagai material anti peluru (ballistic protection) merupakan pengembangan yang relatif baru. Keramik memiliki keunggulan dibandingkan material logam, yaitu memiliki massa jenis yang lebih rendah dibandingkan logam. Keramik struktural yang digunakan sebagai material muka (facing plate) memiliki massa jenis 2,5 gr/cm3 - 4,39 gr/cm3, sedangkan logam memiliki massa jenis ± 7,8 gr/cm3. Terdapat dua jenis keramik struktural yang digunakan sebagai material anti peluru, yaitu: keramik struktural monolitik (monolithic structural ceramic) dan ceramic matrix composite (CMC). Penelitian ini bertujuan untuk memproduksi dan mengkarakterisasi keramik struktural alumina yang memiliki temperatur sintering yang rendah, baik jenis monolitik maupun CMC. Pada keramik struktural alumina jenis CMC digunakan alumina sebagai matriks dan zirkonia sebagai penguat (reinforced) dalam bentuk partikel berukuran kecil (particulate). Proses produksi yang digunakan ialah dry pressing dengan sintering fasa padat teraktivasi (activated solid-state sintering), yaitu proses sintering dengan menambahkan aditif (additive) atau aktivator berupa niobia, silika, dan magnesia. Karakterisasi sifat mekanik dan fisik yang dilakukan ialah pengujian kekerasan, fracture toughness, modulus elastisitas, dan penentuan massa jenis. Karakterisasi struktur mikro yang dilakukan menggunakan SEM, EDS dan XRD. Sifat mekanik yang diperoleh dari pengujian kekerasan menunjukan nilai yang memuaskan. Kekerasan yang diperoleh dari 8 sampel yang di-sintering pada temperatur rendah memiliki kekerasan yang telah disyaratkan penelitian sebelumnya. Kekerasan tertinggi tercapai pada komposisi penambahan aditif (additive) pada matriks alumina sebanyak 4%-berat niobia + 0,8%-berat silika + 0,5 %-berat magnesia + 15%-berat zirkonia dengan kekerasan 1432±28 Kgf/mm2, modulus elastisitas 331 ± 11 GPa, dan massa jenis 3,98 gr/cm3.
Kata kunci: Keramik struktural, aditif, sintering fasa padat teraktivasi
iv
ABSTRACT
Synthesis and Characterization of Low Temperature Sintering Alumina Structural Ceramics for Armor Facing
The use of structural ceramics for ballistic protection is a relatively new application. Ceramics offer an advantage over steel in weight reduction. The densities of structural ceramics are typically 2.5 - 4 gr/cm3, while steel are roughly 7.8 gr/cm3. There are two types of hard ceramic materials used for ballistic protection: monolithic structural ceramics and ceramic-matrix composites. This research purposed to production and characterization structural alumina ceramics which have low temperature sintering both monolithic structural ceramic and ceramic matrix composite. In structural alumina ceramics type CMC, alumina is used as matrix and zirconia as reinforcement in form of particulate. Production process used here is dry pressing with activated solid state sintering, which is sintering process by adding additive or activator such as niobia, silica, and magnesia. the mechanical and physical properties testing used is hardness, fracture toughness, modulus of elasticity, and specific mass determination. Micro structure characterization is done using SEM, EDS, and XRD. Mechanical properties resulted from hardness testing showed a satisfying value. hardness value gained from 8 low-sintered samples have the value that had been determined by previous research. the highest value reached by using the composition with additive on alumina matrix as much as 4%wt niobia + 0.8%wt silica + 0.5%wt magnesia + 15%wt zirconia with hardness value of 1432±28 Kgf/mm2, modulus of elasticity 331 ± 11 GPa, and specific mass 3.98 gr/cm3. Keyword: Structural ceramics, additive, activated solid-state sintering
v
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur bagi ALLAH SWT atas limpahan rahmat dan karuniaNya sehingga penulis bisa berdiri tegak dan tegar untuk menyelesaikan tugas akhir dengan baik dan secara simbolik mengakhiri perjalanan yang penuh hikmah di kampus ITB yang tercinta. Adapun judul tugas akhir kami “Sintesis dan Karakterisasi Keramik Struktural Alumina pada Sintering Temperatur Rendah untuk Aplikasi Armor Facing”. Pada Kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Dr. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita selaku pembimbing tugas sarjana yang telah banyak meluangkan waktu dan pikiran dalam memberikan masukan, arahan, dan semangat hingga tugas akhir ini selesai. 2. Bapak, Ibu, Mbak Eva, Mas Heru, Mbak Ita, Mas Bayu, Wulan dan dua keponakanku yang tercinta dan paling lucu “sedunia” Ila dan Ata. Rumaku memang surgaku. 3. Seluruh dosen pengajar Prodi. Teknik Material ITB: Bpk.
Aditianto
Ramelan, Bpk. Arif Basuki (dosen wali), Bpk. Husaini Ardy, Bpk. Budi Hartono Setiamarga, Bpk. Ahmad Nuruddin, Bpk. Bambang Widyanto, Bpk Hermawan Judawisastra, Bpk. Rochim Suratman, dan Bpk Mardjono Siswosuwarno. 4. Seluruh staf
Prodi. Teknik Material: Teh Wiwi (hayu urang dahar
dimanalah…haha), Teh Wulan (teh nuhun komputerna), dan Pak Idrus. 5. Seluruh teknisi Lab. Teknik Metalurgi: Pak Akhmadi, Pak Tatang, Pak Ja’i, Pak Maskun, Pak Ala, dan Bibi. 6. Saudaraku, rekan seperjuangan Material 03. Kalian akan selalu dihatiku, dihati yang terdalam yang tempatnya tak akan pernah terganti oleh apapun dan siapapun. Thanks banget. 7. Brother Oong, Helmi, Bayu, Eko dan Sister Winda, Besty yang dah nemenin cowok yang malang ini…hehe.Tenkyu bgd saudaraku.
vi
8. Temen seperjuangan sebimbingan: Ari “Sedut”, Tumpal, Mahetsa, Irwan, Jos, Mega (FT03), dan Karsa (FT02). 9. Seluruh
staf
Lab.
Nanoteknologi
LIPI,
Serpong:
Bpk
Nurul
Taufiqurrahman, Pak Alvian, Bro Wahyu “dynasty”, dan seluruh staf yang lainnya. 10. Balai Besar Logam dan Mesin (BBLM): Bpk Sitohang, Ibu Raslina, dan Bpk Teguh. 11. Untuk Kakak-kakakku dan adik-adikku MT00, MT01, MT02, MT04 (saudara dekat MT03…haha), MT05 (Meri, Mjah dan yang lainnya), MT06. 12. Para pembimbing dan temen-temen di Unit Aktivitas Tenis Meja ITB (UATM-ITB): Pak Edy Tri Baskoro, Pak Halim Abdurrachim, Pak Setiawan Sabana, Mas Bambang (thanks bgd Mas atas semua nasihatnya), Bro Ipul (nuhun pisan bro), Nicko, Khairil, Eki, Petra, IKis, Febi dan yang lainnya. 13. Terakhir untuk semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian tugas akhir ini.
”Tak ada material berorientasi kristal sempurna”, sepenggal Sunnatullah dari Ilmu dan Teknik Material ini kiranya sesuai dengan isi tugas akhir ini yang memiliki banyak kekurangan dan jauh dari sempurna. Oleh karena itu kritik, masukan, dan saran konstruktif sangat diharapkan agar di masa yang akan datang penelitian dan pengembangan material di bidang keramik struktural dapat diaplikasikan untuk kemaslahatan umat manusia bersama.
Bandung, 15 Februari 2008
Penulis
vii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENUGASAN…………………………………………………………… ii LEMBAR PENGESAHAN…………………………………………………………. iii ABSTRAK...…………………………………………………………………………. iv ABSTRACT…………………………………………………………………………... v KATA PENGANTAR ................................................................................................ vi DAFTAR ISI………………………….……………………………………………… viii DAFTAR GAMBAR………………………………………………………………… xi DAFTAR TABEL.…………………………………………………………………… xii
BAB I PENDAHULUAN …………………………………………………………… 1 I.1 Latar Belakang …....………………………………………………………… 1 I.2 Tujuan Penelitian ....……………………………………………………….... 2 I.3 Ruang Lingkup Penelitian..………………………………………….……… 2 I.4 Metodologi Penelitian……………………………………………………..... 3 I.5 Sistematika Penulisan ………………………………………………………. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...…………………………………………………. 4 II.1 Composite Struktural Armor (CSA) ……………………………………….. 4 II.2 Karakteristik Keramik Struktural untuk Armor Facing ...…………………. 5 II.3 Sintering…...……………………………………………………………..… 6 II.3.1 Sintering Fasa Padat.................………………………………………… 8 II.3.2 Tahapan Proses Sintering Fasa Padat ….....…………………………..... 11 II.4 Mekanisme Reduksi Permukaan Bebas….……………………………….... 12 II.5 Sintering Fasa Padat Pencampuran Serbuk Berbeda.…………………….... 13 II.6 Peningkatan Derajat Sintering (Enhanced Sinteing) .......…………………. 15 II.6.1 Sintering Fasa Padat Teraktivasi (Activated Solid-State Sintering) …… 16 II.6.2 Pengontrolan Struktur Mikro ………………………………………..… 16 II.7 Zirconia-Toughened Alumina (ZTA) …….……………………………...… 16
viii
BAB III PROSEDUR PENELITIAN ...……………………………………………. 19 III.1 Umum……………………………………………………………………... 19 III.2 Bahan ...........………………………………………………………..…….. 19 III.3 Diagram Alir Penelitian .......………………………………………...……. 20 III.4 Proses Sintesis....………………………………………………………….. 21 III.4.1 Milling….........………………………………………………………… 21 III.4.2 Penimbangan ..…..…….……………………………………………… 22 III.4.3 Pencampuran ..…..……….…………………………………………… 22 III.4.4 Kompaksi .....……………….……………………………………...…. 23 III.4.5 Sintering ……………………….……………………………………… 23 III.5 Pengujian Mekanik & Fisik .…………………………………………...…. 23 III.5.1 Pengujian Kekerasan ..……………...……………………………….... 23 III.5.2 Pengujian untuk Menentukan Fracture Toughness (KIC) .….……...…. 24 III.5.3 Pengujian untuk Menentukan Modulus Elastisitas …………………… 25 III.5.4 Pengukuran Massa Jenis ...…..……………………………………....... 26 III.6 Karakterisasi struktur mikro…..…………………………………………... 26 III.6.1 XRD ………………………………………………………………… 26 III.6.2 SEM&EDS ......……………………………………………………… 26
BAB IV ANALISIS & HASIL PERCOBAAN .......……………………………….. 28 IV.1 Karakterisasi Serbuk Alumina Hasil Milling Menggunakan SEM.......…. 28 IV.2 Hasil & Analisis Pengujian Sifat Mekanik dan Fisik ..…………………. 29 IV.3 Pengaruh % Berat Zirkonia Terhadap Fracture Toughness .....……..….. 30 IV.4 Hubungan Fracture Toughness Terhadap Kekerasan .……………….… 31 IV.5 Indeks Kegetasan Relatif (Relative Index of Brittleness) ........…………. 32 IV.6 Analisis Struktur Mikro Menggunakan SEM & EDS ..………………… 33 IV.7 Analisis Fasa Menggunakan XRD........………………………………… 36
BAB V KESIMPULAN & SARAN…………………………...…………...……….. 40 V.1 Kesimpulan ........……………………………………………………...…. 40 V.2 Saran………...…………………………………………………………… 40
ix
Daftar Pustaka ....…………………………………………………………………… 41 Lampiran A Hasil Karakterisasi EDS ………………….........……………………. 43 Lampiran B Database JCPDS Untuk Zirkonia Hasil XRD ..…..………………… 47
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Contoh Konstruksi Composite Structural Armor (CSA) ......................... 4 Gambar II.1 Skema model sintering two sphere .……………………………………. 7 Gambar II.2 Dua dasar mekanisme transport massa pada sintering .………………… 8 Gambar II.3 Skema dari permukaan bebas partikel ..………………………………… 9 Gambar II.4 Difusi volum ....………………………………………………………… 10 Gambar II.5 Mekanisme pengecilan porositas pada setiap tahapan sintering ..……… 12 Gambar II.6 Dua mekanisme proses reduksi permukaan bebas partikel ......………… 13 Gambar II.7 Komposisi material yang mungkin terbentuk dalam proses pencampuran serbuk yang berbeda...................................................................................................... 14 Gambar II.8 Mekanisme penguatan pada matriks alumina oleh fasa metastabil tetragonal………………………......………………………………………….……… 17 Gambar III.1 Skema dari diagram alir .………………………………………………. 20 Gambar III.2 Trayek sintering ..…………...…………………………………………. 23 Gambar III.3 Mesin uji keras yang digunakan pada pengujian kekerasan ..…………. 24 Gambar III.4 Skema dari panjang retakan (crack) yang diukur...……………………. 24 Gambar III.3 Skema dari elastic recovery pada jejak hasil indentasi Knoop ..………. 25 Gambar IV.1 (a) Serbuk awal sebelum di-milling; (b) Serbuk di-milling 40 jam; Serbuk di-milling 80 jam; (d) Serbuk di-milling 120 jam…………………....………. 28 Gambar IV.2 Pengaruh %-berat zirkonia terhadap fracture toughness…………….… 30 Gambar IV.2 Grafik hubungan fracture toughness terhadap kekerasan…..…………. 31 Gambar IV.3 Struktur mikro (a) Sampel AL96; (b) Sampel AL95; (c) Sampel AZ152 ………………………………………………………………….… 34 Gambar IV.4 Hasil XRD dari sampel (berturut-turut dari atas) AL95; AL96; AZ152. 36 Gambar IV.5. Diagram fasa MgO-Al2O3…………………………………………...… 37
xi
DAFTAR TABEL
Tabel III.1. Penyiapan penyiapan bola-bola penghancur dan serbuk yang akan dimilling menggunakan PBM …………………….……………………………………. 21 Tabel III.2 Komposisi sampel dan trayek sintering yang dilakukan ……………….... 22 Tabel IV.1 Data hasil pengujian mekanik dan fisik ………………………………….. 29 Tabel IV.2 Indeks kegetasan relatif dari seluruh sampel …………………………….. 33 Tabel IV.3 Data sifat mekanik dan sifat fisik sampel yang dikarakterisasi struktur mikro menggunakan SEM dan EDS ……………………………….………………… 35
xii
“Sesuatu yang telah ditentukan Allah pasti akan datang, maka janganlah kalian minta untuk disegerakan” (QS.16:1)
