Gambar 2.7 Klasifikasi komposit berdasarkan bentuk dari matriks-nya, Decolon C. , 2000.
2.3 EFEK ORIENTASI SERAT TERHADAP KEKUATAN
Faktor orientasi serat akan menentukan kekuatan mekanis dari suatu bahan komposit dan arah dimanan kekuatan tersebut yang terbesar. Ada tiga jenis
orientasi serat yaitu penguatan satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi. Jenis penguat serat satu dimensi memiliki kekuatan dan modulus komposit yang
maksimum dalam arah orientasi sumbu serat. Jenis penguatan dua dimensi menunjukkan kekuatan yang berbeda pada setiap arah orientasi serat. Sedangkan
jenis penguatan tiga dimensi adalah isotropic, artinya komposit akan memiliki kekuatan yang sama pada satu titik. Sebagai contoh CSM Random Chopped
Stand Mat pada komposit dianggap isotropic, sedangkan pada bentuk anyaman woven roving menunjukkan sifat yang berbeda pada setiap titik, maka material
ini disebut anisotropic, Hull, 1988. Komposit dengan sistem seperti woven roving menunjukkan kekuatan
pada arah serat itu lebih besar daripada bukan arah serat tersebut dan sifat ini juga dipengaruhi fraksi volum serat.
Untuk anyaman satu arah kekuatan tariknya lebih besar pada arah serat dibandingkan dengan arah tegak lurus terhadap serat. Pada arah normal yang
menanggung beban hanya matrik saja. Ini merupakan prinsip lamina ortotropik yang berbentuk roving atau fabrik, serat-serat arahnya tertentu.
Universitas Sumatera Utara
Komposit diperkuat serat kontinu pada arah yang sama dengan arah tegangan kerja. 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 gradient kurva kekuatan untuk nilai V
f
fraksi volume serat yang lebih besar dari V
min
�
�
= ή�
�
�
�
+ �
� ′
�
�
.............................................................................. 2.5 . Efek pengurangan
ini diperoleh dengan memasukkan faktor orientasi ή dalam persamaan kekuatan dasar yang menghasilkan:
Dimana : �
�
= Tegangan kekuatan komposit ή = Faktor orientasi
�
�
= Tegangan kekuatanserat �
�
= Fraksi volume serat �
� ′
= Tegangan dimana matrik mulai mengalami deformasi plastis dan pengerasan – regangan.
V
m
= Fraksi volum matrik
Bila ∅ bertambah mulai dari nol, maka ή 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. Untuk mode kegagalan pertama, yang dikendalikan oleh perpatahan serat
akibat tegangan tarik, berlaku persamaan :
Universitas Sumatera Utara
�
��
= �
�� ���
2
∅
...................................................................................... 2.6 Persamaan kegagalan yang dikendalikan oleh geseran pada bidang parallel dengan
serat adalah : �
��
= 2 �
� ����� 2∅
................................................................................ 2.7 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 berlakua ialah : �
��
= �
�� �����
2
∅
.................................................................................. 2.8 Pada Gambar 2.12 memperlihatkan bentuk karakteristik dari hubungan
kekuatan komposit dan orientasi serat.Selain memperlihatkan ciri anisotropic tinggi dari 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 besar, kekuatan komposit turun dengan cepat, hal ini berkaitan dengan transisi dari kegagalan – tarik ke kegagalan geser
pada serat.Teori memprediksikan kegagalan dalam arah longitudinal akan terjadi pada saat 0
∅ 4 , kegagalan geser terjadi pada saat 4
∅ 24 dan kekuatan
transvers patahan terjadi pada saat ∅ 24
. Gambar 2.8 menunjukkan hubungan antara mode kegagalan, kekuatan, dan orientasi serat, Hull D. , 1988.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Hubungan antara mode kegagalan, kekuatan, dan orientasi serat diagram skematik untuk komposit serat kontinu satu arah
Dengan mengeliminasi �
��
dihasilkan sudut kritis untuk transisi ini : ∅
����
= ���
−1
�
�
�
��
� .......................................................................... 2.9 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 isotropik 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.
Penguatan tiga dimensi sempurna, yang memiliki sifat dalam arah tebal yang �
��
Kegagalan dalam arah longitudinal
Kegagalan geser �
��
Kekuatan komposit
Kegagalan dalam arah transvers
Sudut orientasi 45
90 ∅
Universitas Sumatera Utara
ditingkatkan, dihasilkan dengan menumpuk lembaran kain tenun dan merajutnya dengan serat kontinu.
Laminasi yang berbasis serat karbon dan serat aramid biasanya dipergunakan untuk aplikasi kinerja tinggi yang mencakup system tegangan
kompleks seperti punter dan tekuk. Satuan konstruksi berwujud lapisan komposit satu-arah yang tipius, 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, resisn 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 R. d., 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 tengan laminasi untuk mencegah distorsi dan untuk menjamin respon merata terhadap tegangan kerja.
2.4 SERAT GELAS
Kategori