Komposit Teknologi modern mempersyaratkan material dengan kombinasi sifat yang tidak dipenuhi oleh paduan logam, keramik, dan polimer Aplikasi teknologi modern: Aerospace Underwater Transportation
Komposit Pesawat terbang perlu sifat: 9Low densities 9Strong 9Stiff 9Abrasion and impact resistant 9Not easily corroded In generally, Strong materials are: 9relatively dense 9increasing strength and results in a decrease in impact strength
Komposit Jenis material yang merupakan gabungan 2 atau lebih material yang berbeda sehingga diperoleh material baru dengan sifat yang lebih baik dan tidak dimiliki oleh komponen penyusunnya
Komponen: ¾ ¾
Matrix - fasa dominan Reinforcement – fasa minoritas Aplikasi : Pesawat terbang Otomotif Alat olah raga
Komposit Matrix ¾ ¾ ¾
+
Polimer (resin) Logam (Al, Ni) Keramik (Al2O3, SiO2
Reinforcement ¾ ¾ ¾
¾
Serat karbon Serat gelas Serat aramid (Kevlar) Logam (Al, Ti, Ni)
Fungsi matrik dan serat Fungsi matrik: Mengikat dan melindungi serat Meneruskan dan membagi beban ke serat Fungsi serat: Sebagai penguat
Sifat umum komposit ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Ringan Kuat Kaku Tangguh Tahan abrasi dan impak Tidak mudah terkorosi
Sifat merupakan fungsi: Sifat fasa penyusunnya Jumlah/konsentrasi fasa penyusunnya Geometri dan ukuran fasa terdispersi (partikel/serat) Distribusi dan orientasi fasa terdispersi
Karakter fasa terdispersi Î sifat komposit
Klasifikasi Komposit Large-particle Particle-reinforced Dispersion-strengthened Continuous (aligned) Composites
Aligned
Fiber-reinforced Discontinuous (short)
Random Laminates Structural Sandwich
Large-particle composites
Interaksi partikel-matrik tidak terjadi pada level atom atau molekul Ukuran partikel > 100 nm Partikel lebih keras dan kaku daripada matrik Peningkatan sifat mekanik tergantung pada kekuatan antar muka partikel-matrik Contoh; beton, cermet (komposit keramik-logam)
Dispersion-strengthened composites
Ukuran partikel < 10-100 nm Interaksi partikel-matrik terjadi pada level atom atau molekul Mekanisme penguatannya sama dengan pengerasan presipitasi
Contoh;sudu turbin (Ni alloy-diperkuat 3% volum (ThO2)
Serat (fibre)
Whisker single crystal dan high aspect ration Contoh; graphite, SiC, SiN, Al2O3 Fiber polycrystalline kecil
dan
Wire diameter relatif besar
berdiameter
Fiber-Reinforced Composites Tujuan disain komposit diperkuat serat: 9High specific strength 9High specific stiffness
Dimana: Òspecific strength ÒSpecific modulus
yang
strength = ratio of tensile to specific gravity stiffness = ratio of elasticity to specific gravity
Pengaruh panjang serat Sifat mekanik fiber-reinforced composites bergantung: 9Sifat serat 9Tingkat load/beban yang dipindahkan ke serat oleh matrik Î besar ikatan antar muka antara matrik dengan serat
Panjang kritis serat (lc)
Di mana: 9 = kekuatan tarik serat 9 9d
= kekuatan ikatan matrik-serat atau kekuatan geser matrik = diameter serat
Pengaruh panjang serat
Penjelasan profil tegangan a. l = lc Î beban maksimum serat dicapai pada posisi tengah-tengah b. l > lc Î penguatan serat lebih efektif c. l < lc Î penguatan serat sedikit, tidak ada tranfer tegangan
l > 15 lc Î continous fiber l ≤ 15 lc Î discontinous/short fiber
Pengaruh orientasi dan konsentrasi
Pengaruh orientasi dan konsentrasi
Continuous and aligned fiber composites Longitudinal
Untuk Pembebanan Arah Longitudinal:
Fc = Fm + F f
σ c Ac = σ Transversal σ
=σ
m
σc =σ
m
c
m
Am + σ
f
Af
Af Am +σ f Ac Ac Vm + σ f V f
Untuk beban longitudinal: bersifat isostrain Î
εc = εm = ε f σm σ σc = Vm + εc εm ε
f f
Vf
Continuous and aligned fiber composites Longitudinal
Ecl = Em Vm + E Transversal
f
Vf
Or
E c l = E m (1 − V f ) + E
f
Vf
Continuous and aligned fiber composites
Untuk kekuatan tarik (tensile strength = TS)
(TS ) c = (TS ) f V f + (TS ) m V m Untuk beban longitudinal, perbandingan beban yang diderita serat dengan matrik:
Ff Fm
=
Ef Vf E m Vm
Continuous and aligned fiber composites Keterangan: F c = beban yang diderita komposit F f = beban yang diderita serat F m = beban yang diderita matrik σ c = tegangan untuk komposit σ f = tegangan untuk serat
σ m = tegangan untuk serat A c = luas penampang melintang untuk komposit A f = luas penampang melintang untuk serat
A m = luas penampang melintang untuk matrik
Continuous and aligned fiber composites V f = fraksi volum untuk serat V m = fraksi volum untuk matrik
ε c = regangan untuk komposit ε
= regangan untuk serat ε m = regangan untuk matrik E cl = modulus elastisitas untuk komposit arah longitudinal E f = modulus elastisitas untuk serat E m = modulus elastisitas untuk matrik (TS ) c = kekuatan tarik untuk komposit (TS ) f = modulus elastisitas untuk serat (TS ) m = modulus elastisitas untuk matrik f
Continuous and aligned fiber composites Untuk Pembebanan Arah Transversal: Î bersifat isostress = tegangan sama untuk komposit, serat, dan matrik.
σc =σ εc = ε Ingat rumus:
σc E ct
f
f
V f + ε m Vm
ε =
=
= σ
m
σ E
σm Em
Vm +
σ
f
E
f
Vf
Continuous and aligned fiber composites
Dimana E ct = modulus elastisitas komposit arah transversal. Karena σ c = σ m = σ f maka, 1 E ct
=
Vf Vm + Em Ef
Em E f 1 Ect = E ct Vm E f + V f Em
Ingat V f + V m = 1
=
Em E (1 − V f ) E
f
f
+ V f Em
Contoh soal Komposit tersusun 40% serat gelas lurus-kontinyu dan 60% resin poliester. Modulus elastisitas serat gelas adalah 69 GPa sedangkan modulus elastisitas resin poliester kondisi mengeras adalah 3,4 GPa. Tentukan: a. Modulus elastisitas komposit pada arah longitudinal b. Beban yang diderita oleh fasa serat dan matrik, jika cross-section area 250 mm2 dan tegangan 50 MPa diberikan pada arah longitudinal c. Regangan pada serat dan matrik jika tegangan pada b diberikan d. Tensile strength komposit, jika tensile strength serat 3,5 GPa dan tensile strength resin poliester 69 MPa
POLYMER-MATRIX COMPOSITES Komposit yang tersusun dari resin polimer sebagai matrik dengan serat sebagai bahan penguat
GLASS FIBER-REINFORCED POLYMER COMPOSITES (GFRP) CARBON FIBER-REINFORCED POLYMER COMPOSITES (CFRP) ARAMID FIBER-REINFORCED POLYMER COMPOSITES (AFRP)
SERAT GELAS (FIBER GLASS)
Murah – paling banyak digunakan sebagai penguat Sifat bervariasi dari rendah hingga medium Sifat impaknya baik Konduktivitas listrik rendah Regangan kegagalan lebih tinggi dari serat karbon E-Glass : kuat, kaku, bersifat listrik S-Glass : kekuatan dan modulus tinggi, aircraft application C-Glass : tahan kimia Relatif berat Mudah menyerap air Bisa menderita kerusakan permukaan
SERAT GELAS (FIBER GLASS)
¾ ¾ ¾
Aplikasi : Bodi kapal Bodi otomotif Kontainer penyimpan
SIFAT MATERIAL Material
Modulus
Strength
Relative density
Steels
203
600-2000
7,3
Aluminium
75
70-80
2,6
Carbon fiber (HM)
340
2500
1,9
Carbon fiber (HS)
230
3200
1,8
Aramid fiber
124
2800
1,45
76-86
1700
2,5
Glass fiber
SERAT CARBON (FIBER CARBON)
Dapat terbuat dari PAN (polyacrylonitrile) or Pitch Ringan Performa tinggi Kekuatan tinggi - modulus medium - tinggi Modulus rendah – kekuatan medium rendah Konduktivitas termal dan listrik rendah Relatif mahal Penampang melintang isotropik Relatif getas
SERAT CARBON (FIBER CARBON)
SERAT ARAMID (FIBER ARAMID)
Kekuatan tarik tinggi Ketangguhan dan Modulus tinggi Konduktivitas listrik rendah Ketahanan kimiawi tinggi Penyusutan termal rendah Konduktivitas termal dan listrik rendah Kestabilan dimensinya sangat baik Tahan potongnya tinggi Tahan nyala api Mudah menyerap air (hygroscopic) Problem dalam kekuatan tekan Kekuatan antar muka dengan matrik rendah
SERAT ARAMID (FIBER ARAMID)
MATRIK KOMPOSIT ¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾ ¾ ¾
RESIN TERMOSET Polyester (GRP) – murah dan aplikasi luas Epoxy – lebih mahal dan sifat mekanik lebih baik Phenolics – tahan api Polyimides temperatur tinggi – sangat mahal
POLIMER TERMOPLASTIK Polypropylene – termurah, + serat gelas Nylon – banyak dipakai industri, dgn serat gelas Polycarbonate Polyetherimide (PEI), Polyetheretherketone (PEEK)
MATRIAL PENGUAT SERAT LAINNYA
¾ ¾ ¾
Boron – sudu rotor helikopter Silikon karbida - roket Aluminium oksida – raket tenis
METAL-MATRIX COMPOSITES Komposit yang tersusun dari matrik logam, logamnya biasanya ulet MATRIK ¾ Al ¾ Mg ¾ Ti ¾ Cu ¾ Ni ¾ Co
PENGUAT ¾ Partikel ¾ Wisker ¾ C, SiC,B, Al2O3 ¾ W
CERAMIX-MATRIX COMPOSITES Komposit yang tersusun dari matrik keramik
MATRIK ¾ Al2O3 ¾ ZrO2 ¾ SiC ¾ Si3N4
PENGUAT ¾ Wisker SiC ¾ Al2O3
CARBON-CARBON COMPOSITES Komposit yang tersusun dari matrik karbon dan diperkuat serat karbon ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Relatif baru dan mahal Modulus elastisitas dan kekuatan tariknya tinggi Tahan suhu tinggi (lebih dari 2000°C) Tahan terhadap creep (mulur) Nilai ketangguhan terhadap retaknya tinggi Low coefficient of thermal expansion High thermal conductivity Low susceptibility to thermal shock High-temperature oxidation
CARBON-CARBON COMPOSITES
¾ ¾
¾ ¾
Aplikasi : Rocket motor Friction materials in aircraft dan high-performance automobiles Hot-pressing molds Components in advanced turbine engines
HYBRID COMPOSITES Komposit yang tersusun dari dua atau lebih jenis serat yang berbeda dan matrik tunggal ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Relatif baru dan mahal Modulus elastisitas dan kekuatan tariknya tinggi Tahan suhu tinggi (lebih dari 2000°C) Tahan terhadap creep (mulur) Nilai ketangguhan terhadap retaknya tinggi Low coefficient of thermal expansion High thermal conductivity Low susceptibility to thermal shock High-temperature oxidation
HYBRID COMPOSITES Contoh: glass-carbon hybrid (serat karbon+serat gelas+matrik resin) Î Lebih kuat dan tangguh, ketahanan impak tinggi, lebih murah
¾
¾ ¾
Aplikasi : Komponen struktural transportasi udara, air, dan darat Alat olah raga Komponen orthopedik ringan
PROCESSING OF FIBER-REINFORCED COMPOSITES
PULTRUSION PREPREG FILAMENT WINDING
PULTRUSION Untuk memproduksi komponen yang memiliki panjang kontinyu dan bentuk dengan penampang melintang konstan (batang, pipa, balok)
PULTRUSION Ò Mula-mula gulungan serat kontinyu dilewatkan di dalam resin termoset, kemudian ditarik melewati dies/cetakan baja untuk membentuk sesuai keinginan dan juga menetapkan perbandingan resin dengan serat Ò Kemudian melewati curing die yang dimesin presisi sehingga menghasilkan bentuk final, die ini juga dipanaskan untuk mengawali curing dari matrik resin Ò Puller (penarik) menarik melalui dies dan juga menentukan kecepatan produksi
PULTRUSION Ò
Ò
Ò Ò Ò Ò
Penguat utama; serat gelas, karbon, aramid (40-70%) Material matrik; poliester, epoksi, vinyl ester Proses kontinyu yang mudah diotomasi Laju produksi tinggi Murah Berbagai bentuk dapat diproduksi
PREPREG
PREPREG Ò
Gulungan serat kontinyu dilewatkan dan dipress di antara lembaran kertas pembawa dan pelepas menggunakan roller yang dipanaskan (“calendering”)
Ò
Lembaran kertas pelepas telah dilapisi dengan film tipis dari larutan resin yang dipanasi dengan viskositas yang rendah
Ò
“Doctor blade” merentangkan resin menjadi film dengan ketebalan dan lebar yang uniform
FILAMENT WINDING
FILAMENT WINDING Proses pembuatan komposit dimana serat penguat kontinyu diposisikan di dalam pola untuk membentuk bentuk hollow (silindris) Ò
Mula-mula serat dilewatkan ke dalam bak resin
Ò
Kemudian secara kontinyu digulungkan ke dalam mandrel, biasanya menggunakan peralatan penggulungan otomatis
Ò
Setelah jumlah layer terpenuhi, curing dilakukan in dalam oven atau pada suhu kamar setelah mandrel dilepas
FILAMENT WINDING Ò
Berbagai pola penggulungan (circumferential, helical, polar)
Ò
Memiliki perbandingan kekuatan dan berat yang sangat tinggi
Ò
Tingkat pengontrolan keseragaman penggulungan dan orientasi sangat tinggi
Ò
Lebih ekonomis
¾ ¾ ¾
Aplikasi : Rocket motor casing Storage tanks and pipes Pressure vessel
STRUCTURAL COMPOSITES Komposit yang memiliki sifat yang tidak hanya tergantung pada sifat penyusunnya tetapi juga pada disain geometri elemen strukturnya
A. LAMINAR COMPOSITES B. SANDWICH PANELS
LAMINAR COMPOSITES
SANDWICH PANELS
SANDWICH PANELS Kelas komposit struktural yang terdiri dari 2 lembaran luar yang kuat dan ditengah/inti dengan material ringan yang memiliki kekakuan dan kekuatan yang lebih rendah
Ò Ò Ò Ò Ò
Material luar: Paduan Al plastik yang diperkuat serat Titanium Baja Plywood
SANDWICH PANELS
Ò
Ò
Fungsi Inti/Core: Memisahkan muka dan menahan deformasi yang tegak lurus terhadap bidang muka Memberikan tingkat rigiditas geser sepanjang bidang yang tegak lurus terhadap bidang
¾ ¾
Aplikas: atap, lantai, dinding, pesawat (wings, fuselage, and tailplane skins)
