KLASIFIKASI DAN KARAKTERISTIK MATERIAL K
KLASIFIKASI DAN KARAKTERISTIK MATERIAL KERAMIK
Drs. M. Gade, M.Si
Dosen Kopertis Wilayah I dpk pada FKIP UMN Al – Washliyah Medan
Abstrak
Untuk mengetahui sifat – sifat dan kemampuan suatu bahan keramik maka perlu dilakukan pengujian atau
analisa. Beberapa pengujian atau analisa yang meliputi : analisa ukuran butir, analisa thermal, sifat fisis (densitas;
porositas), sifat mekanik (kekerasan), Bending Strength, sifat listrik ( dielektrik strength ) dan analisa
strukturnya. Keramik umumnya dianggap sebagai material yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada saat
perpatahan, deformasi plastik yang dialami mikrostruktur hanya sedikit.
PENDAHULUAN
Istilah keramik, sesuai konteks modern, mencakup
material anorganik yang sangat luas, keramik
mengandung elemen non metalik dan metalik yang
dibuat berbagai teknik manufaktur. Secara
tradisional, keramik dibuat dari mineral Silikat,
seperti lempung, yang dikeringkan dan di bakar
pada temperature 1200° - 1800°C agar keras. Jadi
nampaknnya kata Yunani Keramos, yang berarti “
bahan yang dibakar” atau “ material yang dibakar di
tungku / tanur” sudah sangat tepat sejak dulu.
Namun demikian keramik modern seringkali dibuat
dengan proses tanpa tahap pembakaran di tungku
(misalnya penekanan panas, sintering – reaksi,
detrifikasi– gelas, dan sebagainya). (Smallman, R.E
dan Bishop, R.J. 1999). Meskipun keramik kadang
– kadang dikatakan memiliki karakter nonmetalik
secara sederhana untuk membedakannya dari logam
dan paduan ini tidak memadai lagi karena kini telah
dikembangkan dan digunakan keramik dengan sifat
yang luar biasa.
Klasifikasi
Secara umum keramik dapat diklasifikasi menjadi
tipe atau fungsi dengan berbagai cara. Dalam
bidang industri keramik dikelompokkan sebagai
gerabah produk lempung keras (bata, pipa keramik
dan sebagainya), bahan tahan api (bata tahan api,
silica, alumina, basa, netral). Semen dan beton,
gelas dan enamel vitrous, dan keramik rekayasa
(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )
Keramik dari kelompok keramik rekayasa memiliki
kekuatan sangat tinggi dan keras, memiliki stabilitas
kimia yang luar biasa dan dapat dibuat dengan
toleransi dimensi sangat ketat, kelompok inilah
yang akan dibahas. Pengenalan komponen keramik
rekayasa akhir – akhir ini didasarkan pada
pendekatan ilmiah dan menimbulkan revolusi dalam
praktek
desain
rekayasa.
Secara
umum
pengmbangan keramik rekayasa didorong oleh niat
untuk membuat material yang memiliki efisiensi
energi yang lebih tinggi dan lebih baik, temperatur
pemrosesan yang lebih tinggi dan mengingat
kelangkaan mineral strategis . berbeda dengan
keramik tradisional, yang memanfaatkan mineral
alam yang dengan sendirinya agak bervariasi,
generasi keramik rekayasa yang baru bergantung
pada ketersediaan material yang dimurnikan dan
material
sintetis,
dan
pada pengendalian
mikrostruktur yang ketat selama pemrosesan,
keramik memiliki sifat yang bervariasi dan dalam
prosedur desain seringkali perlu ditetapkan konsep
statistika untuk komponen bertegangan tinggi.
Desain harus memperhatikan kegetasan inheren,
atau ketahanan perambatan letak yang rendah dan
bila perlu memodifikasi mode kegagalan. Keramik
merupakan material rekayasa yang sangat
menjanjikan karena sifatnya yang unik, akan tetapi
dalam praktek, produksi pada skala komersial
sesuai bentuk yang di spesfikasikan disertai sifat
yang ajeg menghadapi berbagai kendala.
Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat
diklasifikasikan dalam lima kategori utama :
1. Oksida
alumina, Al2O3 (isolasi
busi, grit batu gerinda), magnesia, MgO
(lapisan tahan api untuk tanur, kowi ), zirkonia,
ZrO2 (kepala piston, lapisan tahan api tanur
2.
3.
4.
5.
tangki gelas ), zirkonia / alumina (media
3
gerinda ), spinel, M2 + O. M +O3
2
(ferit, magnet, transistor, pita rekam) gelas
silica “ Fused” (peralatan laboratorium).
Karbida
silicon karbida,
SiC
(industri kimia kowi, pelindung keramik)
silikon Nitrida, Si3N4 (corong untuk aluminium
cair, bantalan temperature – tinggi), boron
nitirida, BN (Kowi, batu gerinda untuk baja
kekuatan tinggi).
Silikat
porselin (komponen listrik),
steatit (Isolator), mullit (bahan-bahan – api.
Sialon
berbasis Si – Al – O – N
dan M – Si – Al – O – N dimana M = Li, Be,
Mg, Ca, Sc, Y, tanah jarang (mata pahat untuk
pemotongan kecepatan tinggi, die ekstrusi,
sudut turbin),
Keramik gelas – (piroceram, cercon, pirosil
(cakram rekuperator untuk alat penukar kalor).
(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )
Karakterisasi
Atom pembentuk keramik memiliki gaya ikatan
yang sangat kuat, berupa pengikatan ionik, kovalen
atau campuran dari keduanya. Jadi untuk
mengetahui sifat-sifat dan kemampuan suatu bahan
keramik, maka perlu dilakukan suatu pengujian atau
analisa yang meliputi :
1. Densitas dan Porositas
Densitas (rapat massa) didefenisikan sebagai
perbandingan antara massa (m) dengan volume
(v). untuk pengukuran volume, khususnya
bentuk dan ukuran yang tidak beraturan sulit
ditentukan. Oleh karena itu salah satu cara
untuk menentukan densitas (bulk Density) dan
porositas dari sample keramik cordierite
berpori yang telah disentering adalah dengan
menggunakan metoda Archimedes (standar
ASTM C. 373 – 72), memenuhi persamaan
berikut :
Bulk Density
Ws
x p air ........... (1)
Wb - (Wg - Wk)
Wb - Ws
x 100 % ................(2)
Porositas
Wb (Wg Wk )
Dimana :
Ws : massa sampel kering, g
Wb : massa sampel setelah direndam air, g
Wg : massa sampel digantung didalam air, g
Wk : massa kawat penggantun g, g
2.
Kekerasan (Vickers Hardness, Hv)
Kekerasan didefenisikan sebagai ketahanan
bahan terhadap penetrasi atau ketahanan
terhadap deformasi dari permukaan bahan. Ada
tiga tipe pengujian terhadap ketahanan bahan,
yaitu : tekukan (Brinell, Rockwell dan
Vickers), pantulan (rebound) dan goresan
(scratch). Pada penelitian ini pengukuran
kekerasan (Vickers Hardness) dari sample
keramik dilakukan dengan menggunakan
microhardness tester. Kekerasan, Vickers
Hardness (Hv) suatu bahan dapat ditentukan
dengan persamaan berikut :
Hv 1,8544
P
.........................(3)
D2
dimana :
P Beban yang diberikan, kgf
D Panjang diagonal jejak identor, mm
Hv Kekerasan Vickers, kgf/mm 2
3.
Kekuatan Patah (Bending Strenght)
Kekuatan patah sering disebut Modulus of
Rupture (MOR) yang menyatakan ukuran
ketahan bahan terhadap tekanan mekanis dan
tekanan panas (Thermal stress) (Junshiro H,
1991). Pengkuran kekuatan patah (bending
strength) sample keramik digunakan metode
tiga titik (triple point bending), nilai kekuatan
patah dapat ditentukan dengan standar
ASTMC. 733-79 melalui persamaan berikut :
Kekuatan Patah
3P L
..........................(4)
2 b h2
dim ana :
P Beban, kgf
L Jarak dua penumpu, cm
b, h Dimensi sampel, cm
4.
Koefisien Expansi Thermall (α)
Secara umum material keramik bila dipanaskan
atau didinginkan akan mengalami perubahan
panjang / volume secara bolak balik
(reversible) sepanjang material tersebut tidak
mengalami kerusakan permanen. Pengukuran
nilai koefesien expansi thermall digunakan alat
dilatometer. Dari alat ini diperoleh kurva
hubungan antara suhu dengan persen expansi,
rentang suhu yang digunakan dari hu kamar
sampai suhu 1000°C. sedangkan nilai koefisien
expansi thermall diperoleh dari nilai slope
kurva hubungan suhu dengan persen expansi.
Atau koefisien expansi thermall (α) dapat
ditentukan melalui persamaan :
LT2 - LT1
LT1
dim ana :
1
..........(5)
T2 - T1
koefisien expansi thermall, C -1
LT1 panjang sampel pada suhu T1, cm
LT2 panjang sampel pada suhu T2, cm
T1 suhu awal, C.
T2 suhu akhir, C.
5.
Analisa Mikrostruktur
Pengamatan mikrostrukur material keramik
dilakukan dengan menggunakan Scanning,
Electron Microscope (SEM). Dari foto SEM
pada sample keramik yang telah disinter
dilakukan pengamatan perubahan bentuk dan
ukiran butiran dan ukuran butirnya.
Sedangkan untuk mengidentifikasi struktur
kristal atau fasa-fasa yang terbentuk
menggunakan difraksi sinar sinar – X atau
XRD. Sinar – X adalah gelombang
elektromagnetik dengan panjang gelombang
yang pendek sekitar 0,5 – 2,5 A° dan
mendekati jarak antara atom kristal serta
mempunyai energi yang besar. Berkat sinar – X
dan Monokromatik ini ditembakkan pada suatu
permukaan material, maka atom-atom dalam
kristal
akan
menyerap
energi
dan
menghamburkan kembali Sinar – X ke segala
arah. Hubungan antara jarak antar bidang, d
dalam bidang kristal dengan sudut hamburan
memenuhi hokum Bragg dengan persamaan :
2 d Sin = n ………………(6)
dimana n adalah orde difraksi (bilangan bulat
= 1, 2, 3…) dan adalah panjang gelombang
sinar – X yang digunakan.
PENUTUP
Dari bahasan di atas dapat disimpulkan bahwa :
Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat
diklasifikasikan dalam lima kategori utama
yaitu ; oksida, karbida, silikat, sialon dan
keramik gelas.
Pendekatan klarifikasi keramik mengutamakan
penekanan pada sifat kristalin dan nonkristalin
dari keramik serta pentingnya permukaan batas
butir, pencampuran dari fasa dengan sifat yang
sangat berbeda
Kekuatan keramik umumnya dinyatakan dalam
nilai modulus Rupture (MOR, Modulus of
Rupture), yang diperoleh dari uji lengkung tiga
titik, karena karena pengujian konvensiaonal
dengan pembebanan uniaksial, seperti yang
digunakan pada logam, sulit diterapkan,
pembebanan uniaksial yang tepat sangat sulit
dilaksanakan.
Keramik umumnya dianggap sebagai material
yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada
saat perpatahan, deformasi plastik yang dialami
mikrostruktur hanya sedikit bahkan sama sekali
tidak ada.
REFERENSI
Broudic J.C, J. Guille, S.Vilminot, 1989.
Properties of Sol Gel Ceramics and
Vitroceramiks
With
The
Cordierite
Composition, Euro Ceramiks, Vol 2, edited
by R.A. Terstra, Netherland
Haus
K.S, dkk. 1992,
Characterization
of
Expansion Cordirerite,
Seminar on Ceramics,
Kuala Lumpur- Malaysia
Synthesis and
Low Thermall
ASEAN. Japan
Fine Ceranuks,
Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999. Metalurgi
Fisik Modern & Rekayasa Material.
Erlangga : Jakarta
Junshiro Hayakawa, 1991, Testing Method of
Bending Strenght and Its Evoluation JICA
– SIRIM Publishing, Malaysia
Drs. M. Gade, M.Si
Dosen Kopertis Wilayah I dpk pada FKIP UMN Al – Washliyah Medan
Abstrak
Untuk mengetahui sifat – sifat dan kemampuan suatu bahan keramik maka perlu dilakukan pengujian atau
analisa. Beberapa pengujian atau analisa yang meliputi : analisa ukuran butir, analisa thermal, sifat fisis (densitas;
porositas), sifat mekanik (kekerasan), Bending Strength, sifat listrik ( dielektrik strength ) dan analisa
strukturnya. Keramik umumnya dianggap sebagai material yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada saat
perpatahan, deformasi plastik yang dialami mikrostruktur hanya sedikit.
PENDAHULUAN
Istilah keramik, sesuai konteks modern, mencakup
material anorganik yang sangat luas, keramik
mengandung elemen non metalik dan metalik yang
dibuat berbagai teknik manufaktur. Secara
tradisional, keramik dibuat dari mineral Silikat,
seperti lempung, yang dikeringkan dan di bakar
pada temperature 1200° - 1800°C agar keras. Jadi
nampaknnya kata Yunani Keramos, yang berarti “
bahan yang dibakar” atau “ material yang dibakar di
tungku / tanur” sudah sangat tepat sejak dulu.
Namun demikian keramik modern seringkali dibuat
dengan proses tanpa tahap pembakaran di tungku
(misalnya penekanan panas, sintering – reaksi,
detrifikasi– gelas, dan sebagainya). (Smallman, R.E
dan Bishop, R.J. 1999). Meskipun keramik kadang
– kadang dikatakan memiliki karakter nonmetalik
secara sederhana untuk membedakannya dari logam
dan paduan ini tidak memadai lagi karena kini telah
dikembangkan dan digunakan keramik dengan sifat
yang luar biasa.
Klasifikasi
Secara umum keramik dapat diklasifikasi menjadi
tipe atau fungsi dengan berbagai cara. Dalam
bidang industri keramik dikelompokkan sebagai
gerabah produk lempung keras (bata, pipa keramik
dan sebagainya), bahan tahan api (bata tahan api,
silica, alumina, basa, netral). Semen dan beton,
gelas dan enamel vitrous, dan keramik rekayasa
(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )
Keramik dari kelompok keramik rekayasa memiliki
kekuatan sangat tinggi dan keras, memiliki stabilitas
kimia yang luar biasa dan dapat dibuat dengan
toleransi dimensi sangat ketat, kelompok inilah
yang akan dibahas. Pengenalan komponen keramik
rekayasa akhir – akhir ini didasarkan pada
pendekatan ilmiah dan menimbulkan revolusi dalam
praktek
desain
rekayasa.
Secara
umum
pengmbangan keramik rekayasa didorong oleh niat
untuk membuat material yang memiliki efisiensi
energi yang lebih tinggi dan lebih baik, temperatur
pemrosesan yang lebih tinggi dan mengingat
kelangkaan mineral strategis . berbeda dengan
keramik tradisional, yang memanfaatkan mineral
alam yang dengan sendirinya agak bervariasi,
generasi keramik rekayasa yang baru bergantung
pada ketersediaan material yang dimurnikan dan
material
sintetis,
dan
pada pengendalian
mikrostruktur yang ketat selama pemrosesan,
keramik memiliki sifat yang bervariasi dan dalam
prosedur desain seringkali perlu ditetapkan konsep
statistika untuk komponen bertegangan tinggi.
Desain harus memperhatikan kegetasan inheren,
atau ketahanan perambatan letak yang rendah dan
bila perlu memodifikasi mode kegagalan. Keramik
merupakan material rekayasa yang sangat
menjanjikan karena sifatnya yang unik, akan tetapi
dalam praktek, produksi pada skala komersial
sesuai bentuk yang di spesfikasikan disertai sifat
yang ajeg menghadapi berbagai kendala.
Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat
diklasifikasikan dalam lima kategori utama :
1. Oksida
alumina, Al2O3 (isolasi
busi, grit batu gerinda), magnesia, MgO
(lapisan tahan api untuk tanur, kowi ), zirkonia,
ZrO2 (kepala piston, lapisan tahan api tanur
2.
3.
4.
5.
tangki gelas ), zirkonia / alumina (media
3
gerinda ), spinel, M2 + O. M +O3
2
(ferit, magnet, transistor, pita rekam) gelas
silica “ Fused” (peralatan laboratorium).
Karbida
silicon karbida,
SiC
(industri kimia kowi, pelindung keramik)
silikon Nitrida, Si3N4 (corong untuk aluminium
cair, bantalan temperature – tinggi), boron
nitirida, BN (Kowi, batu gerinda untuk baja
kekuatan tinggi).
Silikat
porselin (komponen listrik),
steatit (Isolator), mullit (bahan-bahan – api.
Sialon
berbasis Si – Al – O – N
dan M – Si – Al – O – N dimana M = Li, Be,
Mg, Ca, Sc, Y, tanah jarang (mata pahat untuk
pemotongan kecepatan tinggi, die ekstrusi,
sudut turbin),
Keramik gelas – (piroceram, cercon, pirosil
(cakram rekuperator untuk alat penukar kalor).
(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )
Karakterisasi
Atom pembentuk keramik memiliki gaya ikatan
yang sangat kuat, berupa pengikatan ionik, kovalen
atau campuran dari keduanya. Jadi untuk
mengetahui sifat-sifat dan kemampuan suatu bahan
keramik, maka perlu dilakukan suatu pengujian atau
analisa yang meliputi :
1. Densitas dan Porositas
Densitas (rapat massa) didefenisikan sebagai
perbandingan antara massa (m) dengan volume
(v). untuk pengukuran volume, khususnya
bentuk dan ukuran yang tidak beraturan sulit
ditentukan. Oleh karena itu salah satu cara
untuk menentukan densitas (bulk Density) dan
porositas dari sample keramik cordierite
berpori yang telah disentering adalah dengan
menggunakan metoda Archimedes (standar
ASTM C. 373 – 72), memenuhi persamaan
berikut :
Bulk Density
Ws
x p air ........... (1)
Wb - (Wg - Wk)
Wb - Ws
x 100 % ................(2)
Porositas
Wb (Wg Wk )
Dimana :
Ws : massa sampel kering, g
Wb : massa sampel setelah direndam air, g
Wg : massa sampel digantung didalam air, g
Wk : massa kawat penggantun g, g
2.
Kekerasan (Vickers Hardness, Hv)
Kekerasan didefenisikan sebagai ketahanan
bahan terhadap penetrasi atau ketahanan
terhadap deformasi dari permukaan bahan. Ada
tiga tipe pengujian terhadap ketahanan bahan,
yaitu : tekukan (Brinell, Rockwell dan
Vickers), pantulan (rebound) dan goresan
(scratch). Pada penelitian ini pengukuran
kekerasan (Vickers Hardness) dari sample
keramik dilakukan dengan menggunakan
microhardness tester. Kekerasan, Vickers
Hardness (Hv) suatu bahan dapat ditentukan
dengan persamaan berikut :
Hv 1,8544
P
.........................(3)
D2
dimana :
P Beban yang diberikan, kgf
D Panjang diagonal jejak identor, mm
Hv Kekerasan Vickers, kgf/mm 2
3.
Kekuatan Patah (Bending Strenght)
Kekuatan patah sering disebut Modulus of
Rupture (MOR) yang menyatakan ukuran
ketahan bahan terhadap tekanan mekanis dan
tekanan panas (Thermal stress) (Junshiro H,
1991). Pengkuran kekuatan patah (bending
strength) sample keramik digunakan metode
tiga titik (triple point bending), nilai kekuatan
patah dapat ditentukan dengan standar
ASTMC. 733-79 melalui persamaan berikut :
Kekuatan Patah
3P L
..........................(4)
2 b h2
dim ana :
P Beban, kgf
L Jarak dua penumpu, cm
b, h Dimensi sampel, cm
4.
Koefisien Expansi Thermall (α)
Secara umum material keramik bila dipanaskan
atau didinginkan akan mengalami perubahan
panjang / volume secara bolak balik
(reversible) sepanjang material tersebut tidak
mengalami kerusakan permanen. Pengukuran
nilai koefesien expansi thermall digunakan alat
dilatometer. Dari alat ini diperoleh kurva
hubungan antara suhu dengan persen expansi,
rentang suhu yang digunakan dari hu kamar
sampai suhu 1000°C. sedangkan nilai koefisien
expansi thermall diperoleh dari nilai slope
kurva hubungan suhu dengan persen expansi.
Atau koefisien expansi thermall (α) dapat
ditentukan melalui persamaan :
LT2 - LT1
LT1
dim ana :
1
..........(5)
T2 - T1
koefisien expansi thermall, C -1
LT1 panjang sampel pada suhu T1, cm
LT2 panjang sampel pada suhu T2, cm
T1 suhu awal, C.
T2 suhu akhir, C.
5.
Analisa Mikrostruktur
Pengamatan mikrostrukur material keramik
dilakukan dengan menggunakan Scanning,
Electron Microscope (SEM). Dari foto SEM
pada sample keramik yang telah disinter
dilakukan pengamatan perubahan bentuk dan
ukiran butiran dan ukuran butirnya.
Sedangkan untuk mengidentifikasi struktur
kristal atau fasa-fasa yang terbentuk
menggunakan difraksi sinar sinar – X atau
XRD. Sinar – X adalah gelombang
elektromagnetik dengan panjang gelombang
yang pendek sekitar 0,5 – 2,5 A° dan
mendekati jarak antara atom kristal serta
mempunyai energi yang besar. Berkat sinar – X
dan Monokromatik ini ditembakkan pada suatu
permukaan material, maka atom-atom dalam
kristal
akan
menyerap
energi
dan
menghamburkan kembali Sinar – X ke segala
arah. Hubungan antara jarak antar bidang, d
dalam bidang kristal dengan sudut hamburan
memenuhi hokum Bragg dengan persamaan :
2 d Sin = n ………………(6)
dimana n adalah orde difraksi (bilangan bulat
= 1, 2, 3…) dan adalah panjang gelombang
sinar – X yang digunakan.
PENUTUP
Dari bahasan di atas dapat disimpulkan bahwa :
Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat
diklasifikasikan dalam lima kategori utama
yaitu ; oksida, karbida, silikat, sialon dan
keramik gelas.
Pendekatan klarifikasi keramik mengutamakan
penekanan pada sifat kristalin dan nonkristalin
dari keramik serta pentingnya permukaan batas
butir, pencampuran dari fasa dengan sifat yang
sangat berbeda
Kekuatan keramik umumnya dinyatakan dalam
nilai modulus Rupture (MOR, Modulus of
Rupture), yang diperoleh dari uji lengkung tiga
titik, karena karena pengujian konvensiaonal
dengan pembebanan uniaksial, seperti yang
digunakan pada logam, sulit diterapkan,
pembebanan uniaksial yang tepat sangat sulit
dilaksanakan.
Keramik umumnya dianggap sebagai material
yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada
saat perpatahan, deformasi plastik yang dialami
mikrostruktur hanya sedikit bahkan sama sekali
tidak ada.
REFERENSI
Broudic J.C, J. Guille, S.Vilminot, 1989.
Properties of Sol Gel Ceramics and
Vitroceramiks
With
The
Cordierite
Composition, Euro Ceramiks, Vol 2, edited
by R.A. Terstra, Netherland
Haus
K.S, dkk. 1992,
Characterization
of
Expansion Cordirerite,
Seminar on Ceramics,
Kuala Lumpur- Malaysia
Synthesis and
Low Thermall
ASEAN. Japan
Fine Ceranuks,
Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999. Metalurgi
Fisik Modern & Rekayasa Material.
Erlangga : Jakarta
Junshiro Hayakawa, 1991, Testing Method of
Bending Strenght and Its Evoluation JICA
– SIRIM Publishing, Malaysia