Download lecture about composite material and more Study notes Materials Physics in PDF only on Docsity!
1
Material Komposit
Material Komposit
MMaatteerriiaall KKoommppoossiitt
MMMMiiiinnnngggggggguuuu 1111 ::::
PPPPeeeennnnggggeeeennnnaaaallllaaaannnn DDDDaaaassssaaaarrrr----DDDDaaaassssaaaarrrr MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll KKKKoooommmmppppoooossssiiiitttt,,,, SSSSttttrrrruuuukkkkttttuuuurrrr
MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll KKKKoooommmmppppoooossssiiiitttt ddddaaaannnn PPPPeeeemmmmpppprrrroooosssseeeessssaaaannnn
FFFFaaaaiiiissssaaaallll TTTTaaaannnnjjjjuuuunnnngggg,,,, PPPPhhhhDDDD
E-mail: icalamri@gmail.com
E-mail: icalamri@gmail.com EE--mmaaiill:: iiccaallaammrrii@@ggmmaaiill..ccoomm
DDDDeeeeppppaaaarrrrtttteeeemmmmeeeennnn TTTTeeeekkkknnnniiiikkkk MMMMeeeessssiiiinnnn
Fakultas Teknik
FFaakkuullttaass TTeekknniikk Fakultas Teknik
UUUUnnnniiiivvvveeeerrrrssssiiiittttaaaassss MMMMeeeeddddaaaannnn AAAArrrreeeeaaaa
PPPPeeeerrrrttttaaaannnnyyyyaaaaaaaannnn MMMMeeeennnnddddaaaassssaaaarrrr
� Mengapa belajar Material
Komposit
� Apa yang akan dipelajari
� Bagaimana mempelajari
nya
3
HHHHaaaassssiiiillll ppppeeeemmmmbbbbeeeellllaaaajjjjaaaarrrraaaannnn yyyyaaaannnngggg ddddiiiihhhhaaaarrrraaaappppkkkkaaaannnn
- Kemampuan menjabarkan dan menjelaskan prinsip-
prinsip dasar dan pemrosesan material komposit
- Mengaplikasikan prinsip-prinsip dasar material komposit
dalam analisis dan perancangan awal material komposit
untuk keperluan engineering material
- Bekerja secara efektif sebagai bagian dari sebuah tim
kerja dan mengkomunikasikan informasi teknis dalam
sebuah laporan
BBBBuuuukkkkuuuu
- Buku yang direkomendasikan
Buku yang direkomendasikan BBuukkuu yyaanngg ddiirreekkoommeennddaassiikkaann
Deborah D.L. Chung ( 2010 ) "Composite
Materials: Science and Applications" 2 nd Edition,
Springer-Verlag London ltd.
- BBBBuuuukkkkuuuu yyyyaaaannnngggg llllaaaaiiiinnnnnnnnyyyyaaaa
W.D. Callister ( 2004 ) "Material science and
engineering" 6 th Edition John Wiley & Sons Inc.
7
1. Pengenalan Material Komposit
11 .. PPeennggeennaallaann MMaatteerriiaall KKoommppoossiitt
1. Pengenalan Material Komposit
- Komposit material dapat didefinisikan sebagai suatu sistem
yang dibuat melalui proses pencampuran atau kombinasi dari
dua atau lebih konstituen makro yang berbeda dalam bentuk
dan / atau komposisi dan tak terpisahkan satu sama lain.
- Konstituen komposit umumnya adalah logam, bahan organik
dan anorganik.
- Bentuk utama bahan penyusunnya biasanya adalah serat,
partikel, lamina, pengisi dan matriks.
- Matriks adalah konstituen tubuh, bertanggung jawab untuk
pembentukan akhir komposit.
- Serat, partikel, lamina dan pengisi adalah konstituen
struktural, bertanggung jawab dalam pembentukan struktur
internal komposit.
- Sifat spesifik dari komposit adalah adhesi dari konstituen
struktural didalam matriks, akan tetapi banyak komposit
tidak memiliki matriks dan terdiri dari satu (atau lebih)
konstituen yang berbeda.
� Komposit Sandwich dan laminasi dibentuk oleh
kombinasi lapisan
� Bulu dan serat kain
9
- Umumnya, komposisi matriks polimer lebih tinggi dari
konstituen pengisi dalam komposit polimer untuk
mengoptimalkan sifat-sifat komposit seperti mekanis, termal,
optik, dll yang sulit menggunakan bahan tunggal.
- Ada dua yang harus dipertimbangkan pada material
komposit untuk mendapatkan kekuatan sifat-sifat yang
efektif, seperti;
- Pengisi harus lebih tinggi modulus elastisitas nya
dibandingkan dengan matriks.
- Adhesi antar muka yang kuat antara filler dan matriks.
MMMMaaaattttrrrriiiikkkkssss
- Fase matriks adalah fase cair dalam material komposit dengan
bahan penguat ( filler ) yang terdistribusi di dalamnya.
- Matriks bertindak sebagai perekat ( binder ) untuk pengisi yang
tertanam, dan menjaganya pada posisi yang tepat, mentransfer
beban ke pengisi yang kuat, melindungi pengisi dari kerusakan
selama pembuatan dan penggunaan komposit, dan mencegah
terbentuknya retak ( microcrack ).
- Matriks bertindak mengontrol proses-proses kimia selama
pemrosesan dan penggunaan suhu tinggi dari komposit.
- Matriks harus memiliki kemampuan seperti yang disebutkan
sebelumnya dan pilihannya tergantung pada faktor-faktor seperti:
Kompatibilitas dengan pengisi akan menentukan adhesi antarmuka
Sifat akhir dari komposit yang diperoleh
Bentuk material komposit yang diperoleh
Kemudahan fabrikasi atau pemrosesan
13
1111 .... AAAAddddssssoooorrrrppppssssiiii ddddaaaannnn PPPPeeeemmmmbbbbaaaassssaaaahhhhaaaannnn
Untuk mendapatkan pembasahan
sempurna terhadap pengisi,
matriks harus membasahi semua
permukaan pengisi.
Mekanisme ini dijelaskan oleh
persamaan termodinamika yang
melibatkan energi permukaan
dalam bentuk kerja adhesi:
vapour
liquid
solid
y
LV
y
SL
y
SV
TTTTeeeeoooorrrriiii----tttteeeeoooorrrriiii yyyyaaaannnngggg mmmmeeeennnnjjjjeeeellllaaaasssskkkkaaaannnn ffffeeeennnnoooommmmeeeennnnaaaa iiiikkkkaaaattttaaaannnn
antarmuka
aannttaarrmmuukkaa
antarmuka pada Komposit
ppaaddaa KKoommppoossiitt
pada Komposit
WWWW
AAAA
==== γγγγSSSSVVVV ++++ γγγγLLLLVVVV ++++ γγγγSSSSLLLL
γSV = tegangan permukaan padat dan uap
γLV = tegangan permukaan cairan dan uap
γSL = tegangan permukaan padat dan cairan
W
A
adalah ikatan fisik disebabkan oleh gaya dispersif intermolekul filler dan matriks
2. Inter-difusi
**22 .. IInntteerr--ddiiffuussii
- Inter-difusi**
Mekanisme ini menggambarkan
bahwa ikatan dihasilkan akibat
difusi molekul material dari satu
permukaan ke permukaan molekul
struktural lainnya.
- Kekuatannya tergantung pada
sejumlah molekul yang kusut
dan terlibat.
- Jumlah difusi tergantung pada
konformasi molekul, melibatkan
konstituen dan kemudahan
mobilitas molekuler.
- Difusi dapat ditingkatkan
dengan adanya pelarut dan
plasticizer
15
3333 .... GGGGaaaayyyyaaaa ttttaaaarrrriiiikkkkaaaannnn eeeelllleeeekkkkttttrrrroooossssttttaaaattttiiiikkkk
Ikatan tarik elektrostatik terjadi ketika
dua kutub yang berbeda ada di antara
kedua konstituen. Kekuatan ikatan
tergantung pada perbedaan kutub
antara kedua konstituen. Mekanisme
ini tidak berpengaruh signifikan pada
adhesi antarmuka kecuali agen
penggandengan ( coupling agent )
digunakan.
4444 .... IIIIkkkkaaaattttaaaannnn kkkkiiiimmmmiiiiaaaa
Ikatan kimia terjadi ketika komposit
dicampur bersama dengan coupling
atau compatibilizer. Ikatan dihasilkan
sebagai hasil dari reaksi kimia antara
gugus fungsional pengisi dan gugus
fungsional yang sesuai dari matriks.
Kekuatan ikatan sangat dipengaruhi
oleh jumlah dan jenis ikatan kimia
- - - - - -
A A A A A A
B B
B B B
B
5555 .... IIIIkkkkaaaattttaaaannnn MMMMeeeekkkkaaaannnniiiissss
Ikatan mekanis terjadi melalui
interlocking mekanis dalam
kondisi geometri permukaan
fase matriks dan pengisi
adalah kasar. Kekuatan pada
arah transversal lemah
dibandingkan kekuatan pada
arah vertikal.
Faktor mempengaruhi ikatan
mekanis yaitu kekasaran
permukaan (faktor utama dan
penting), geometri, internal
stress selama pemrosesan.
HHHHuuuukkkkuuuummmm WWWWeeeennnnzezezezellll::::
IIIIkkkkaaaattttaaaannnn aaaannnnttttaaaarrrrmmmmuuuukkkkaaaa ffffiiiilllllllleeeerrrr ddddaaaannnn
mmmmaaaattttrrrriiiikkkkssss mmmmeeeennnniiiinnnnggggkkkkaaaatttt ddddeeeennnnggggaaaannnn
peningkatan kekasaran
ppeenniinnggkkaattaann kkeekkaassaarraann peningkatan kekasaran
permukaan
permukaan ppeerrmmuukkaaaann
19
2. 1. Komposit serat panjang (kontinu)
2. 1. Komposit serat panjang (kontinu)
22 .. 11 .. KKoommppoossiitt sseerraatt ppaannjjaanngg ((kkoonnttiinnuu))
� Komposit serat yang melibatkan serat kontinu digunakan
sebagai bahan struktural karena kekuatan dan modulus serat
nya yang tinggi, yang menahan sebagian besar beban.
� Yang termasuk komposit serat panjang yaitu komposit
matriks-serat karbon. Penggunaan tulangan baja (disebut
"tulangan") untuk memperkuat beton.
� Sifat-sifat komposit serat dapat disesuaikan dengan
menentukan orientasi serat-serat.
� Konfigurasi serat-serat dalam matriks membentuk lapisan
yang dikenal sebagai lamina yang tersusun dari serat dengan
orientasi yang sama.
� Komposit yang dibuat dari susunan-susunan lamina dapat
memilki orientasi serat yang berbeda di antara setiap lamina.
Serat-serat pada lamina yang berurutan dapat diorientasikan
pada 0 , 90 , + 45 dan - 45 ° , menghasilkan konfigurasi dua
dimensi “kuasi-isotropik”.
- Mikrograf optik antarmuka
interlaminar antara dua lamina yang
berada pada 90 ° satu sama lain.
Antarmuka interlaminar adalah
wilayah antara dua garis sejajar yang
dipisahkan oleh 8. 7 μm. Serat di atas
antarmuka sejajar, sedangkan yang
di bawah antarmuka tegak lurus.
- Antarmuka diantara lamina diketahui sebagai antarmuka interlaminar
yang secara mekanis lemah
- Delaminasi biasanya terjadi pada komposit jenis ini.
- Jika serat adalah karbon yang lebih elektrik konduktif daripada
matriks nya, maka relatif akan mengalami resistivity elektrik yang
tinggi (rendah elektrik konduktifii)
Komposit serat panjang (kontinu) bersifat Anisotropik, yaitu
KKoommppoossiitt sseerraatt ppaannjjaanngg ((kkoonnttiinnuu)) bbeerrssiiffaatt AAnniissoottrrooppiikk,, yyaaiittuu Komposit serat panjang (kontinu) bersifat Anisotropik, yaitu
ssssiiiiffffaaaatttt----ssssiiiiffffaaaatttt kkkkoooommmmppppoooossssiiiitttt bbbbeeeerrrrggggaaaannnnttttuuuunnnngggg tttteeeerrrrhhhhaaaaddddaaaapppp oooorrrriiiieeeennnnttttaaaassssiiii sssseeeerrrraaaatttt....
21
2. 2. Komposit karbon-karbon
2. 2. Komposit karbon-karbon 22 .. 22 .. KKoommppoossiitt kkaarrbboonn--kkaarrbboonn
� Serat karbon yang digunakan untuk komposit karbon-karbon
biasanya kontinu dan tenunan ( woven). Tenunan dua dimensi
dan dimensi yang lebih tinggi digunakan karena memiliki
kekuatan geser interlaminar yang lebih tinggi.
� Untuk komposit karbon-karbon dua dimensi yang
mengandung penguat woven polos di bawah tegangan,
kekuatan kumpulan serat bergantung pada kelengkungannya.
� Serat dengan kelengkungan kecil patah karena tegangan tarik
atau karena kombinasi tegangan tarik dan tekukan.
� Serat dengan kelengkungan besar patah karena tekanan
geser pada titik di mana arah serat paling cenderung ke
beban yang diterapkan.
� Serat sirkuler lebih disukai daripada serat yang berbentuk
tidak beraturan, karena serat tidak beraturan mengarah ke
titik konsentrasi tegangan dalam matriks di sekitar sudut serat.
2. 3. Komposit matriks semen
**22 .. 33 .. KKoommppoossiitt mmaattrriikkss sseemmeenn
- Komposit matriks semen**
� Komposit matriks-semen termasuk beton merupakan
komposit dengan agregat halus (pasir), agregat kasar (kerikil)
dan bahan tambahan lainnya (disebut admixtures ).
� Beton adalah material struktural sipil yang paling banyak
digunakan. Ketika agregat kasar tidak ada, komposit dikenal
sebagai mortar, yang digunakan dalam batu (untuk
bergabung dengan batu bata) dan untuk mengisi retakan.
� Ketika agregat kasar dan halus tidak ada, material ini dikenal
sebagai pasta semen. Pasta semen kaku setelah pengawetan
(reaksi hidrasi yang melibatkan semen - silikat - dan air untuk
membentuk gel kaku).
25
3333 .... PPPPeeeemmmmrrrroooosssseeeessssaaaannnn MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll KKKKoooommmmppppoooossssiiiitttt
� Teknologi dan biaya material komposit sangat bergantung pada
kemampuan proses; yaitu, bagaimana komponen digabungkan
untuk membentuk material komposit. Kemampuan proses
sangat tergantung pada kemampuan komponen untuk
bergabung, sehingga membentuk bahan kohesif.
� Pengolahan sering melibatkan suhu dan / atau tekanan yang
tinggi. Suhu dan tekanan yang diperlukan, serta waktu
pemrosesan, biasanya ditentukan oleh material matriks. Ikatan
pengisi dengan matriks pada suhu tinggi memiliki kelemahan
dalam ikatan yang melemah atau bahkan debonding dapat
terjadi selama pendinginan berikutnya, karena perbedaan
dalam kontraksi termal (terkait dengan koefisien ekspansi
termal, atau CTE) antara pengisi dan matriks.
� Pelemahan ikatan akan menghasilkan pengisi menjadi kurang
efektif sebagai penguat, sehingga menyebabkan sifat mekanis
komposit berkurang. Masalah ini cenderung sangat serius
dalam komposit matriks-logam, karena suhu pemrosesan yang
relatif tinggi yang terlibat.
- Komposit serat paling sering dibuat melalui proses impregnasi
(atau infiltrasi) dari matriks atau prekursor matriks ke dalam
serat.
- Komposit bentuk tabung, serat diimpregnasi dalam bentuk
kumpulan serat panjang.
- Serat dan material matriks dapat juga dicampurkan langsung
dengan menggabungkan serat-serat penguat dan serat
matriks, dengan cara melapisi serat-serat penguat dengan
bahan matriks, sandwhicing serat-serat penguat dengan
matriks foil.
- Solidifikasi dilakukan menggunakan panas dan tekanan
27
3333 .... 1111 .... KKKKoooommmmppppssssiiiitttt ppppoooolllliiiimmmmeeeerrrr----mmmmaaaattttrrrriiiikkkkssss
- Komposit polimer-matriks dapat diklasifikasikan berdasarkan
matriks nya, polimer termoset atau termoplastik.
- Keuntungan penggunaan komposit termoplastik-matriks
dibandingkan dengan komposit termoset-matriks:
- Biaya produksi yang lebih rendah:
- Tidak perlus proses curing
- Umur simpan tidak terbatas
- Kemungkinan re-prosesing
- Resiko terhadap kesehatan lebih kecil
- Rendah kandungan air
- Dapat dibentuk melalui proses termal
- Weldabiliti
- Performa yang lebih baik:
- Keliatan yang tinggi (toleransi kerusakan)
- Sifat panas / basah yang baik
- Toleransi lingkungan yang tinggi.
- Kelemahan dari komposit termoplastik-matriks termasuk yang berikut:
Keterbatasan dalam kaitannya dengan metode pemrosesan
Suhu pemrosesan yang tinggi
Viskositas yang tinggi
Prepreg (kumpulan serat kontinu/panjang yang membentuk
lembaran yang diimpregnasi dengan polimer atau prekursor
polimer) bersifat kaku dan kering ketika pelarut tidak digunakan
- Modifikasi permukaan serat kurang berkembang.
- Komposit polimer-matriks jauh lebih mudah untuk dibuat daripada
matriks-logam, matriks karbon, dan komposit matriks-keramik karena
suhu pemrosesan yang relatif rendah.
31
3. 2. Komposit matriks-logam
**33 .. 22 .. KKoommppoossiitt mmaattrriikkss--llooggaamm
- Komposit matriks-logam**
- Pemrosesan komposit matriks-logam cenderung jauh lebih
mahal dibandingkan komposit polimer-matriks disebabkan
suhu pemrosesan yang diperlukan lebih tinggi.
- Fabrikasi komposit matriks-logam sering melibatkan
penggunaan bahan intermediate yang disebut sebagai
preform , dalam bentuk lembaran, kabel, silinder, atau bentuk
jaring.
- Ukuran dan bentuk preform adalah sama dengan komposit
yang akan dibuat.
- Preform berisi penguat yang diikat dengan polimer (akrilik,
stirena), keramik (silika, aluminium metafosfat), atau logam
matriks itu sendiri.
- Metode yang paling populer dalam fabrikasi
komposit matriks-logam adalah infiltrasi di
bawah tekanan preform oleh logam cair.
- Suhunya harus di atas suhu solidus (yaitu, suhu
di atas logam mencair).
- Penggunaan suhu infiltrasi cairan logam jangan
terlalu tinggi
- Aluminium dengan suhu leleh relatif rendah
biasanya dipilih sebagai matriks
Salah satu tantangan ketika menggunakan
metode infiltrasi cairan logam untuk
membuat komposit matriks logam partikulat
berkaitan dengan kesulitan yang terlibat
dalam pembuatan komposit dengan fraksi
volume pengisi yang rendah karena adanya
kontak antara pengisi dalam preform.
33
- Metode kedua untuk membuat komposit matriks-logam adalah
dengan pengikatan difusi.
- Dalam metode ini, tumpukan lapisan bolak-balik serat dan
lembaran logam ditekan dengan panas untuk membentuk
ikatan dalam keadaan padat.
- Metode ini sangat tidak cocok untuk serat panjang atau bundle
karena sulit bagi logam untuk mengalir ke ruang antara serat
selama ikatan difusi.
- Metode ketiga fabrikasi komposit matriks-logam melibatkan
penekanan panas di atas suhu solidus matriks-logam.
- Metode ini membutuhkan tekanan yang lebih rendah daripada
ikatan difusi, tetapi suhu yang lebih tinggi cenderung
menyebabkan degradasi pengisi, yang dihasilkan dari reaksi antar
muka antara fase penguat dan matriks logam.
- Metode keempat dari pembuatan komposit matriks-logam
melibatkan penyemprotan plasma logam ke permukaan serat-
serat kontinu/panjang.
- Proses ini biasanya menghasilkan komposit dengan
porositas tinggi
- Dibandingkan dengan metode lain, penyemprotan plasma
memiliki keuntungan karena menghasilkan komponen-
komponen komposit kontinu/panjang
- Metode kelima adalah slurry casting , sulit karena
kecenderungan serat karbon mengapung di atas lelehan
logam.
37
3333 .... 3333 .... KKKKoooommmmppppoooossssiiiitttt mmmmaaaattttrrrriiiikkkkssss----kkkkaaaarrrrbbbboooonnnn
- Komposit matriks-karbon dibuat melalui proses karbonisasi
matriks dalam komposit polimer-matriks.
- Proses karbonisasi (juga dikenal sebagai pirolisis) mirip
dengan charring , yang melibatkan reaksi kimia yang pada
dasarnya menghilangkan semua atom bukan karbon dari
polimer (prekursor karbon)
- Proses karbonisasi biasanya dilakukan dalam atmosfer inert
pada suhu sekitar 650 – 1. 200 °C
- Salah satu prekursor karbon adalah pitch (hidrokarbon poli
aromatik yang berasal dari minyak bumi atau batubara), yang
merupakan campuran polimer termoplastik.
- Pitch menghasilkan char yang relatif tinggi (yaitu massa
karbon yang dihasilkan dibagi dengan massa karbon
prekursor).
- Nilai char yang tinggi berarti lebih sedikit porositas dalam
komposit matriks-karbon yang dihasilkan
- Fabrikasi komposit karbon-karbon dilakukan dengan
menggunakan empat metode utama, yaitu:
Impregnasi fase cair (Liqud phase impregnation)
Karbonisasi impregnasi pada tekanan isostatik panas (HIPIC);
Tekanan panas
Infiltrasi uap kimia (Chemical Vapor Infiltration)
- Kekuatan ikatan matriks dan serat dalam komposit karbon-
karbon harus optimal.
- Kekuatan ikatan yang terlalu tinggi menghasilkan komposit
yang rapuh menyebabkan kegagalan ( failure ) katastropik dan
kekuatan yang rendah.
- Kekuatan ikatan yang lemah menyebabkan kegagalan dalam
mentransfer beban dari matriks ke serat penguat.
- Kekurangan utama komposit karbon-karbon adalah biaya
fabrikasi yang tinggi, ketahanan oksidasi yang lemah, kekuatan
interlaminar yang buruk, kesulitan dalam pembuatan sambungan
( joints )
39
3. 4. Komposit matriks-keramik
33 .. 44 .. KKoommppoossiitt mmaattrriikkss--kkeerraammiikk
3. 4. Komposit matriks-keramik
- Komposit matriks-keramik umumnya dibuat dari komposit
polimer-matriks dengan mengubah matriks polimer menjadi
keramik.
- Proses ini sering melibatkan komposisi termal yang dikenal
sebagai pirolisis. Misalnya, polycarbosilane (polimer yang terdiri
dari atom karbon dan silikon) sering digunakan sebagai
prekursor silikon karbida.
- Komposit dapat dibentuk melalui konsolidasi cairan kaca
( viscous glass) , yaitu, tekanan panas campuran serat dan serbuk
kaca, atau dengan impregnasi serat panjang dan serbuk kaca
dibawah tekanan tinggi pada suhu annealing kaca.
- Fabrikasi komposit matriks-keramik terdiri dari dua langkah:
Persiapan prepreg gel-serat
Perlakuan panas dan densifikasi dengan penekanan panas.
2
dan serat karbon
3 C+SiO
2
→SiC+ 2 CO
Untuk mengurangi tingkat reaksi ini, serat karbon terlapisi SiC
digunakan untuk komposit matriks SiO
2
. Serat-serat seperti
serat karbon memiliki efek berikut pada kaca:
Meningkatkan keliatan (kekuatan)
Menurunkan koefisien ekspansi termal
Meningkatkan konduktivitas termal.
- Peningkatan keliatan biasanya pada komposit kaca dan serat
pendek, dan juga serat kontinu/panjang.
- Komposit dengan kaca dan serat panjang/kontinu memiliki
kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan komposit kaca
dengan serat pendek.
