Materi ke 2 dan 3 Definisi komposit matriks dan reinforcement

  The world of materials _{& '} Pertemuan ke 1 _{) ' ' '}

  Composite Materials _{& ' #} ( # _{& '( " $ #}

  Nurun Nayiroh, M.Si _{% ! "} Introduction ( $

• A Composite material is a material system composed of two or more that differ in shape and chemical composition

  Komposit merupakan kombinasi dari dua

  and which are insoluble in each other. The history of composite

  material atau lebih yang memiliki fasa yang

  materials dates back to early 20th century. In 1940, fiber glass was first used to reinforce epoxy.

  berbeda menjadi suatu material baru yang

• Advantages memiliki properti lebih baik dari keduanya.
• – High strength and stiffness

  Jika kombinasi ini terjadi dalam skala

• – Low weight ratio – Material can be designed in addition to the structure makroskopis maka disebut sebagai komposit.
• Applications:

  Jika kombinasi ini terjadi secara mikoroskopis

• – Aerospace industry

  (molekular level) maka disebut sebagai alloy

• – Sporting Goods Industry atau paduan.
• – Automotive Industry – Home Appliance Industry

• Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu.
• Mempermudah design yang sulit pada manufaktur.
• Keleluasaan dalam bentuk/design yang dapat menghemat biaya
• Menjadikan bahan lebih ringan
• Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan).
• Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : a) Mentransfer tegangan ke fasa yang lain (serat).

  f) Tetap stabil setelah proses manufaktur.

  (short) Fiber reinforced Laminates Sandwich panels

  (aligned) Aligned Randomly oriented Discontinuous

  Dispersion strengthened Particle reinforced Continuous

  Jenis Komposit Berdasarkan nya Large particle

  structural woven fibers cross section view 0.5 mm 0.5 mm _{Reprinted with permission from D. Hull and T.W. Clyne, , 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.}

  metal ceramic polimer

  e) Melepas ikatan.

  d) Memisahkan serat.

  c) Melindungi fasa serat dari lingkungan.

  b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.

  Komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa: Matriks dan Reinforcement/Filler/Fiber 1.

  $

  Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yaitu sebagai berikut:

• Classification: M MC, C MC, P MC
• Salah satu bagian utama dari komposit adalah berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit.
• Merupakan fasa terdispersi yang tujuannya untuk mempertinggi sifat fasa matriks.

  Structural Composites Adapted from Fig. _{16.2, .}

• – MMC : increase σ , , creep resist.
• – CMC : increase – PMC : increase , σ , , creep resist.
• Classification: Particle , fiber ,

  Composite Structural Organization: the design variations • Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah penyebutannya;

• – Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar),
• – Fiber (Penahan beban utama),
• – ! " #
• – " ! $ $ !

  %

• Secara strukturmikro material komposit tidak merubah material pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler.
• Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi.
• Dalam material komposit gaya adhesi kohesi terjadi melalui 3 cara utama:
• Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel antara lain: o Ukuran partikel o Rapat jenis bahan yang digunakan o Fraksi volume material o Komposisi material o Bentuk partikel o Kecepatan dan waktu pencampuran o Penekanan (kompaksi) o Pemanasan (sintering)
• – Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel.
• – Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik menarik antara atom yang bermuatan (ion).
• – Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel.
• Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun.

• Interaksi antar penyusun

  b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi.

  Partikel sebagai penguat (Particulate composites) Large particle

  b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10 250 nm.

  Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu ' ( ) * ! a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.

  e) In Situ Process

  d) Spray Deposition

  c) Infiltration Process

  b) Stir Casting

  Proses produksi pada komposit yang disusun oleh berbentuk partikel& a) Metalurgi Serbuk

  a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah

  $

  $ $ " " &

  Keuntungan dari komposit yang disusun oleh

  Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem proses pemaduannya: o Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanya komponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadi perpaduan yang homogen antara matrik dan filler o Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan material yang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifat material yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.

  $

  Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.

  Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.

  Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional.

  Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh: • Material yang menjadi penyusun komposit.

  Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata Contoh dari large particle composit: cement dengan sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand sebagai partikel

• Other examples: _{Adapted from Fig.}

  Concrete – gravel + sand + cement

  Spheroidite matrix: particles: _{10.19, .}

  Why sand gravel? Sand packs into gravel voids

  cementite

  steel ferrite (α) (Fig. 10.19 is _{copyright United}

  (ductile) (Fe3C) _{States Steel} Reinforced concrete Reinforce with steel rebar or remesh

  (brittle) Corporation, 1971.) 60 m

  increases strength even if cement matrix is cracked _{16.4, . Adapted from Fig.} Prestressed concrete remesh under tension during setting of WC/Co Matrix :

  particles: concrete. Tension release puts concrete under compressive force _{(Fig. 16.4 is courtesy}

  cemented cobalt WC _{Department, General Carboloy Systems, Concrete much stronger under compression.}

  (ductile) (brittle,

  carbide _{Electric Company.)} Applied tension must exceed compressive force

  hard)

• + :

  (CERMET)

  5 12 vol%! 600 m Post tensioning – tighten nuts to put under rod under tension _{16.5, . Adapted from Fig.} but concrete under compression

  Automobile

  matrix: (Fig. 16.5 is courtesy

  threaded

  particles: _{Goodyear Tire and} rubber

  tires nut rod

  C _{Rubber Company.)} (compliant) (stiffer) 0.75 m

  Volume Fraction Large Particle Composites in Large Particle Composites

• * +
• Elastic modulus is dependent on the volume fraction
• Partikelnya kurang lebih harus
• “Rule of mixtures” equation sumbu.
• – E elastic modulus, V volume fraction, m matrix, p
• Particles should be small and evenly

  particulate

  distributed

• Volume fraction dependent on desired

  =

• – upper bound

  (iso strain)

  properties

• – lower bound

  =

• (iso stress)

Large Particle Composite Rule of Mixtures Materials

• All three material types

  Actual Values

• – metals, ceramics, and polymers
• - te
• CERMET (ceramic metal composite)

  la ,

• – cemented carbide (WC, TiC embedded in Cu

  ix , icu tr

  , or Ni)

  , rt a , a

  , m , p

• – cutting tools (ceramic hard particles to cut, but

  E . %

  E a ductile metal matrix to withstand stresses) conc. of particulates – large volume fractions are used (up to 90%!)

  Dispersion Strengthened

/0

  Composites Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit,

• Metals and metal alloys
• – hardened by uniform dispersion of fine particles of a very

  sehingga tinggi rendahnya kekuatan

  hard material (usually ceramic)

  komposit sangat tergantung dari serat

• Strengthening occurs through the yang digunakan, karena tegangan yang interactions of dislocations and the dikenakan pada komposit mulanya particulates diterima oleh matrik akan diteruskan
• Examples kepada serat, sehingga serat
• Thoria in Ni

  menahan beban sampai beban

• Al/Al O sintered aluminum powder SAP
_{2 3} maks
• GP zones in Al

  Matrix Phase 1 ( 1 ( ( ( # 2

• Penjepit fiber
• Duc>Melindungi fiber dari kerusakan permukaan
• Lower E than for f
• Pemisah antara fiber dan juga mencegah
• Bonding forces between fiber and

  timbulnya perambatan crack dari suatu fiber ke matrix must be high fiber lain

• – otherwise fiber will just “pull out” of matrix
• Berfungsi sebagai medium dimana eksternal stress yang diaplikasikan ke komposit, • Generally, only polymers and metals ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.

  are used as matrix material (they are ductile)

  Fiber yang digunakan sebagai reinforced harus memiliki syarat sebagai berikut : a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.

  b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut : a) Distribusi

  b) Konsentrasi

  c) Orientasi

  d) Bentuk

  1

  e) ukuran

• Proses produksi pada $ , $

  a. Short(discontinuous) fiber reinforced composites

  $ $ " &

1. Open Mold Process

  a. Hand Lay Up

  b. Spray Lay Up Aligned Random

  c. Vacuum Bag Moulding

  b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites

  d. Filament Winding

2. Closed Mold Process

  a. Resin Film Infusion

  b. Pultrusion

Aligned Fibers Randomly Oriented Fibers

  ( • Properties are isotropic + •

• – properties of material are highly anisotropic – not dependent on direction
• – modulus in direction of alignment is a function
• Ultimate tensile strength is less than for

  of the volume fraction of the E of the fiber and aligned fibers matrix

• May be desirable to sacrifice strength for
• – modulus perpendicular to direction of

  the isotropic nature of the composite alignment is considerably less (the fibers do not contribute)

  Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe

  Fiber Alignment _{16.8, . Adapted from Fig.} serat pada komposit, yaitu: aligned aligned random

  continuous discontinuous

  c) * $ ! $

  $

  Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi : 1) Aligned discontinuous fiber

  Continuous atau uni directional, mempunyai susunan 2) Off axis aligned discontinuous fiber serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara

  3) Randomly oriented discontinuous fiber matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan.

  Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan lapisan dipengaruhi oleh matriksnya. volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah.

  Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang b) - . $ $ , sama.

  Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan tidak sebaik tipe continuous fiber.

  ( (

  1

  d) / $ $ Hybrid fiber composite merupakan

  3 komposit gabungan antara tipe serat lurus – & ( ( 1 ( + +

  ( ( ( (

  1

  1 dengan serat acak. Pertimbangannya

  1 supaya dapat mengeliminir kekurangan

• – $ + 45 3 65 7 & 8/

  ( sifat dari kedua tipe dan dapat

• – ( ( 1 1 ( menggabungkan kelebihannya.
• – ( (

  1 (

  1 1 ( 1 – ( + '

  Keuntungan : Sifat Sifatnya

• Biaya m>Densitynya cukup rendah ( sekitar 2.55 g>Tahan ko>Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar
• Biayanya relative lebih rendah dari komposit

  GPa)

  lainnya

• Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa) Kerugian • Stabilitas dimensinya >Kekuatannya relative re
• Resisten terhadap panas • Elongasi tinggi
• Resisten terhadap dingin • Keuatan dan beratnya sedang (moderate)
• Tahan korosi

  Jenis jenisnya antara lain :

  E Glass electrical, cheaper –

• – S Glass high strength

Fiberglass Reinforced Composites

• it is easily drawn into fibers
• it is cheap and readily available
• it is easy to process into composites
• it can produce very strong, very light composites (high specific strength)
• it is usually chemically inert (does not degrade in harsh environments)

  ' 1 9 )%

• Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/cc

  Biasanya digunakan untuk : Armor,

• Struktur grafit yang digunakan untuk membuat

  protective clothing, industrial, sporting fiber berbentuk seperti kristal intan. goods

• Karakteristik komposit dengan serat karbon :
• – ringan;

  Keuntungan :kekutannya cukup tinggi, dan

• – kekuatan yang sangat tinggi;

  lebih ductile dari carbon – kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.

• Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap pros
• Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;
• Karbonisasi= pemanasan untuk mengurangi O, H,

  N; • Grafitisasi = meningkatkan modulus elastisitas.

  Flat flakes sebagai penguat (Flake composites) Fillers sebagai penguat (Filler composites) Composite Survey: Fiber

  Particle reinforced

  Fiber reinforced Structural

  Composite Strength: Longitudinal Loading Continuous fibers Estimate fiber reinforced

• Fiber Materials
• – Whiskers Thin single crystals large length to diameter ratio
• graphite, SiN, SiC
• high crystal perfection – extremely strong, strongest known
• very expensive
• Longitudinal deformation
• – Fibers
• polycrystalline or amorphous
• generally polymers or ceramics
• Ex: Al
₂ O ₃ , Aramid, E glass, Boron, U
• – Wires
• Metal – steel, Mo, W
• + +
Elastic Behavior Derivation Composite Strength: Transverse Loading

  composite strength for long continuous fibers in a matrix

  σ σ σ σ : σ

  σ σ σ ; σ σ σ σ but ε

  εε ε : ε εε ε : ε

  εε ε volume fraction isostrain

  ∴ = + + + longitudinal (extensional) modulus

  =

  = fiber = matrix ^{Remembering: E = σ/ε and note, this model corresponds to the “upper bound” for} _{particulate composites}

  (Longitudinal Loading) Consider longitudinal loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding.

• In transverse loading the fibers carry less of under these conditions matrix strain = fiber strain (isostrain condition). _{ε = ε = ε the load and are in a state of ‘isostress’ m f c}

  The total load on the composite, F , is then equal to loads carried by the matrix and _c the fibers F = F + F

_{c m f σ σ σ σ : σ σ σ σ : σ σ σ σ : σ σ σ σ ε εε ε : ε εε ε ; εε ε ε}

Substituting for the stresses _{σ c A c = σ m A m + σ f A f} Rearranging

  1 + +

  =

• ^σ _{c = σ m A m /A c + σ f A f /A c ∴}

  transverse modulus were A m /A c and A f /A c are the area fractions of matrix and fibers, respectively. If the fiber length are all equal than then these terms are equivalent to the volume fractions

  Remembering: E = σ/ε V f = A f /A c & V m = A m /A c _{σ c = σ m} and note, this model

  V m + σ f

  V Can also show ratio of load corresponds to the “lower

  Using the isostrain constraint and Hookes Law, σ = εE carried by fiber and matrix: bound” for particulate

  F /F = E _{f m f f m m} V /E

  V composites

  = An Example:

• F = F + F _{c f m}

  Elastic Behavior Derivation (Transverse Loading) _{UTS, SI Modulus, SI}

  Consider transverse loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostress ^{57.9 MPa 3.8 GPa} condition). _{2.4 GPa 399.9 GPa} σ = σ = σ = σ _{m f c} The total strain of the composite is given by ε = ε _{c m m f f} V = ε

  V (241.5 GPa) Using Hookes Law ε = σ/E and the isostress constraint

  σ/E = (σ/E ) V + (σ/E ) V _{c m m f f} Dividing by σ, Algebraically this becomes (9.34 GPa)

  = _{(for ease of conversion)}

• Note:
₂ 6870 N/m per psi!

  Influence of Fiber Length

  matrix: α (Mo) (ductile) fibers: γ’ (Ni ₃ Al) (brittle)

  = + + +

  (a) efficiency factor : random 2D: = 3/8 (2D isotropy) random 3D: = 1/5 (3D isotropy)

  C fibers: very stiff very strong C matrix: less stiff less strong

  view onto plane

  Particle reinforced Fiber reinforced Structural (b) fibers lie in plane

  Discontinuous, random 3D Discontinuous, 1D Composite Survey: Fiber

  process: fiber/pitch, then burn out at up to 2500ºC. uses: disk brakes, gas turbine exhaust flaps, nose cones.

  (a) (b) ^{From F.L. Matthews and R.L. fracture surface Rawlings, , Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by} _{J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL.}

  = 76 GPa; SiC = 400 GPa.

  2 m Ceramic : Glass w/SiC fibers formed by glass slurry glass

  Composite Survey: Fiber Particle reinforced Fiber reinforced Structural

  3 Al) α(Mo) by eutectic solidification.

  Metal : γ'(Ni

  From W. Funk and E. Blank, “Creep _{deformation of Ni3Al Mo in situ composites", % % Vol. 19(4), pp. 987 998, 1988. Used with permission.}

  = + + +

  Particle reinforced Fiber reinforced Structural ( ) = ( ) + + ( ) +

  > 15 length fiber

  τ σ

  Composite Strength

• Aligned Continuous fi
• Estimate of and for discontinuous fibers:
• Examples:

  (aligned 1D) ^{Values from Table 16.3, . (Source for Table 16.3 is H. Krenchel, $ , Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.)}

  efficiency factor : aligned 1D: = 1 (aligned ) aligned 1D: = 0 (aligned ) random 2D: = 3/8 (2D isotropy) random 3D: = 1/5 (3D isotropy)

  valid when Elastic modulus in fiber direction: in fiber direction:

• Mechanical properties depend>Discontinuous, random 2D fi
• mechanical properties of the fiber
• how much load the matrix can transmit to the fiber
• Example: Carbon Carbon
• – depends on the interfacial bond between the fiber and the matrix
• Other variations:
>Critical fiber length depend>fiber diameter, fiber tensile strength
• fiber/matrix bond strength

• Fiber parameters
• Critical fiber length
• – arrangement with respect to each other
• – distribution
• – concentration
• – “Continuous” fibers l >> 15 l _c
• – “Short” fibers are anything shorter 15 l _c
• Fiber orientation
• – parallel to each other
• – totally random
• – some combination

• Calculate the composite modulus for polyester reinforced with 60 vol% E glass under iso strain conditi
• E
• E
• Stage I elastic deformation with intermediate
• Stage II matrix yields
• Failure Non catastrophic. When fibers fracture, you now have new fiber length and matrix is still present

  3 MPa) = 46.2 x 10

  3 MPa) + (0.6)(72.4x10

  = (0.4)(6.9x10

  3 MPa E c

  = 72.4 x 10

  E glass

  3 MPa

  = 6.9 x 10

  polyester

  Example

  Influence of Fiber Orientation

  No Reinforcement Influence of Fiber Orientation

  = σ f d/2τ c where d = fiber diameter τ _c = fiber matrix bond strength σ f = fiber yield strength

  l c

  c

  l

  Influence of Fiber Length

  3 MPa

  

In Class Example Other Composite Properties

• In general, the rule of mixtures (for upper and lower bounds) can be used

  ! " ! #$ $ for any property X thermal

  c

  % & conductivity, density, electrical

  $ ₎ conductivityWetc. % ' ( )* * + !

  X = X V + X

  V

  c m m f f

  $ X = X X /(V X + V V )

  c m f m f f m

  % , Tensile Strength Discontinuous Fibers

• Ali
• In longitudinal
_{∗ ∗}

  ’

  σ = σ V (1 l /2l) + σ V for l > l

  c f f c m m c

  direction, the _∗

  ’

  σ = (lτ /d)V + σ V for l < l

  c c f m m c

  tensile strength is given by the

• Random

  equation below if E = KE V + E V where K ~ 0.1 to

  c f f m m

  we assume the

  0.6 fibers will fail before the matrix: _{∗ 3/8} σ σ- . / σ- . _1/5

3. Structural Composites

  Laminar Composites

• Definition
>Two dimensional sheets or panels with a preferred high strength direc
• – composed of both homogeneous and composite materials
• – properties depend on constituent materials and on geometrical design of the elements
• Q. What is a natural example of this?
• A. Wood • Q. What is a man made example
• A. Plywood Layers are stacked and subsequently bonded together so that the high strength direction varies
• Types
• – laminar composites
• – sandwich panels

  Sandwich Panels

  Sandwich Panel

• Two strong outer sheets (called faces) separated by a layer of less dense material or core (which has lower E and lower strength)
• Core
• – separates faces
• – resists deformation perpendicular to the faces
• – often honeycomb structures
• Used in roofs, walls, wings