Efek Orientasi Serat Terhadap Kekuatan

2.2.5 Efek Orientasi Serat Terhadap Kekuatan

Komposit diperkuat serat kontinu pada arah yang sama dengan arah tegangan kerja kekuatan komposit adalah kekuatan maksimal. Kekuatan komposit tipe anisotropic ini bervariasi secara linier dengan fraksi volume serat. Apabila orientasi serat membuat sudut ∅ dengan arah tegangan tarik yang diterapkan, maka terjadi penurunan gradien kurva kekuatan untuk nilai V f fraksi volume serat yang lebih besar dari V min � � = ή� � � � + � � ′ � � 2.6 . Efek pengurangan ini diperoleh dengan memasukkan faktor orientasi ή dalam persamaan kekuatan dasar yang menghasilkan: dengan: � � = Tegangan komposit N ή = Faktor orientasi � � = Tegangan serat N � � = Fraksi volume serat m 3 � � ′ = Tegangan dimana matrik mulai mengalami deformasi plastis dan pengerasan –regangan. Bila sudut orientasi serat ∅ bertambah mulai dari nol, maka faktor orientasi η turun menjadi kurang dari satu. Untuk menyajikan analisis yang lebih rinci dari variasi kekuatan komposit dengan orientasi serat, lazim diterapkan teori “tegangan maksimum” berdasarkan kenyataan bahwa ada tiga mode kegagalan komposit. Selain sudut orientasi serat ∅, terdapat tiga sifat komposit lain : kekuatan parallel dengan serat � �� , kekuatan geser matrik parallel dengan serat � � , dan kekuatan tegak lurus pada serat � �� . Setiap mode kegagalan dinyatakan dengan persamaan yang menghubungkan kekuatan komposit � �� dengan tegangan terurai. Universitas Sumatera Utara Untuk model kegagalan pertama, yang dikendalikan oleh perpatahan serat akibat tegangan tarik, berlaku persamaan : � �� = � �� ��� 2 ∅ 2.7 Persamaan kegagalan yang dikendalikan oleh geseran pada bidang parallel dengan serat adalah : � �� = 2 � � ����� 2∅ 2.8 Apabila temperature dinaikkan. Mode kegagalan ini lebih mudah terjadi pada komposit “off-axis” karena kekuatan geser � � turun lebih cepat dari � �� . Pada mode kegagalan ketiga, terjadi rupture transvers, baik di matrik atau antar muka seratmatrik debonding. Persamaan yang berlaku ialah : � �� = � �� ����� 2 ∅ 2.9 Gambar 2.6 Hubungan antara mode kegagalan, kekuatan, dan orientasi serat diagram skematik untuk komposit serat kontinu satu arah Smallman, 2000 Gambar 2.6 memperlihatkan bentuk karakteristik dari hubungan kekuatan komposit dan orientasi serat. Selain memperlihatkan ciri anisotropic tinggi dari Sudut orientasi serat ∅ Kegagalan dalam arah longitudinal Kegagalan geser � �� Kekuatan komposit Kegagalan dalam arah transvers 45 90 � �� ∅ Universitas Sumatera Utara penguatan-kontinu satu arah, juga memperlihatkan manfaat apabila nilai ∅ rendah. Perkiraan berdasarkan penerapan teori tegangan maksimum, dan hasil eksperimen menunjukkan kesesuaian dan memastikan validasi umum kurva ini. Untuk perhitungan ini diperlukan nilai terukur dari � ��,� � ��� � �� . Mode kegagalan ditentukan oleh persamaan yang menghasilkan nilai kekuatan komposit � �� paling rendah, berarti bahwa rupture transvers dominan apabila ∅ besar. Untuk nilai ∅ yang relatif rendah, kekuatan komposit turun dengan cepat, hal ini berkaitan dengan transisi dari kegagalan – tarik ke kegagalan geser pada serat. Dengan eliminasi � �� dari dua persamaan pertama dari ketiga persamaan tadi dihasilkan sudut kritis untuk transisi ini : ∅ ���� = ��� −1 � � � �� � 2.10 Apabila kekuatan longitudinal sekitar sepuluh kali kekuatan geser matrik, maka sudut kritis ini adalah sekitar 6 Apabila penerapan meliputi tegangan kerja yang tidak bekerja dalam satu arah, maka masalah anisotropi dapat diselesaikan secara efektif atau diminimalkan dengan penggunaan serat-kontinu dalam bentuk tenunan kain atau laminasi. Meskipun bentuk ini lebih isotropic dibandingkan komposit satu arah, selalu terjadi penurunan kekuatan sedikit tetapi masih wajar dan penurunan kekakuan yang tak terelakkan. . Serat gelas, serat karbon, dan serat aramid telah digunakan, dan kadang- kadang digunakan kombinasi dari dua atau lebih jenis serat komposit hibrida. Tersedia pula kain serat dengan berbagai pola tenun. Pada selembar kain tenun dua dimensi terdapat sejumlah serat dengan orientasi dimensi ketiga. Penguatan tiga dimensi sempurna, yang memiliki sifat dalam arah tebal yang ditingkatkan, dihasilkan dengan menumpuk lembaran kain tenun dan merajutnya dengan serat kontinu. Universitas Sumatera Utara Laminasi yang berbasis serat karbon dan serat aramid biasanya dipergunakan untuk aplikasi kinerja tinggi yang mencakup sistem tegangan kompleks seperti punter dan tekuk. Satuan konstruksi berwujud lapisan komposit satu arah yang tipis, dengan tebal 50-130 µm. Lapisan disusun dengan cermat dengan orientasi tertentu terhadap sumbu referensi orthogonal 0 dan 90 Gelas serat pendek dengan orientasi acak banyak digunakan untuk lembaran dan benda cetak tiga dimensi. Salah orientasi serat sering terjadi pada komposit, yang seringkali merupakan hasil fabrikasi yang tidak dapat dihindari. Sebagai contoh, resin berisi serat pendek dibentuk dengan proses cetak injeksi, dan campuran ini mengikuti jalur aliran yang rumit. Apabila benda hasil cetakan dipotong, tampak bahwa serat mengikuti pola aliran. Pola ini ditentukan oleh viskositas lelehan, profil cetakan dan kondisi pemrosesan. Pola aliran berulang dari cetakan ke cetakan. Dekat permukaan cetakan, serat pendek cenderung mengikuti jalur aliran “steamline”, di bagian tengah inti, dimana aliran lebih turbulen, serta cenderung orientasi transvers Smallman, 2000. . Urutan penumpukan paling sederhana adalah 090900. Urutan lain yang lebih isotropic adalah 0+45-45-45+450 dan 0+60-60-60+600. Penumpukan lapisan dibuat simetris terhadap bidang tengah laminasi untuk mencegah distorsi dan untuk menjamin respon merata terhadap tegangan kerja.

2.2.6 Antar Muka Serat – Matrik