FASA MATRIKS DAN FIBER

Pertemuan ke-4

FASA MATRIKS DAN FIBER

Nurun Nayiroh, M.Si

Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat dikelompokkan menjadi 3:

1. Whisker

2. Fiber

3. Wire

WHISKER merupakan kristal tunggal yang sangat tipis dengan rasio panjang/diameter yang sangat besar.

Akibat ukurannya yang kecil, maka tingkat kesempurnaan kristalnya tinggi, sehingga kekuatannya/strength sangat tinggi → → → → merupakan salah satu material yang paling kuat. Meskipun demikian, whisker jarang dipakai karena harganya sangat mahal. Selain itu, menyatukan whisker dengan matriks juga sangat sulit. Contoh material whisker materials adalah grafit, silikon karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.

FIBER adalah material polikristalin atau amorfus yang memiliki diameter kecil.

Material fiber bisa berupa polimer atau keramik, seperti aramid polimer, kaca, karbon, boron, aluminum oksida, dan silikon karbida.

WIRES memiliki diameter yang relatif besar. Contoh: baja, molybdenum, dan tungsten.

Wire digunakan sebagai radial steel reinforcement dalam ban mobil, filament-wound rocket casings, dan in wire- wound high-pressure hoses.

Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials

Matriks yang digunakan dalam komposit fiber bisa berupa logam, polimer, atau keramik. Matriks yang sering digunakan adalah logam dan polimer digunakan karena sifat ductile-nya diperlukan. Kekuatan ikatan antara fiber dan matriks harus cukup besar untuk menghindari lepasnya fiber.

Ultimate strength dari komposit sangat tergantung pada kekuatan ikatan ini.

FUNGSI MATRIKS

Ultimate Tensile Strength (UTS) (kuat tarik utama), sering disingkat menjadi Tensile Strength (TS) atau Ultimate Strength, adalah tegangan maksimum dimana material dapat menahan ketika sedang diregangkan atau ditarik sebelum necking (ketika penampang spesimen mulai berkontraksi secara signifikan). Kekuatan tarik (TS) adalah kebalikan dari kuat tekan dan nilai-nilainya bisa sangat berbeda.

1. Mengikat semua fiber dan berfungsi sebagai media untuk

meneruskan stress pada fiber; hanya sebagian kecil dari stress yang disangga oleh matriks. Oleh karena itu matriks harus ductile. Disamping itu modulus elastisitas dari fiber harus jauh lebih besar daripada matriks.

2. Untuk melindungi masing-masing fiber dari kerusakan permukaan akibat abrasi atau reaksi dengan lingkungan.

3. Memisahkan masing-masing fiber; karena sifatnya yang

relatif lunak dan plastis, maka matriks dapat mencegah meluasnya brittle cracks dari satu fiber ke fiber lainnya. Meskipun sebagian dari fiber telah rusak, kerusakan komposit secara total belum terjadi sampai terjadinya kerusakan pada sejumlah besar fiber yang berada saling berdekatan. Klasifikasi Matriks Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar yaitu:

a. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik b. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik

Jenis Polimer 1) Thermoplastic Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan

PMC terdiri dari resin polimer sebagai matriks dan fiber berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. sebagai medium penguat.

Thermoplastic merupakan polimer yang akan

Material ini digunakan luas di berbagai aplikasi dalam jumlah menjadi keras apabila didinginkan. yang sangat besar, karena sifat-sifatnya yang baik pada

Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat temperatur kamar, mudah dibuat, dan relatif murah. mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat

Ada berbagai macam PMC, tergantung pada tipe penguatnya dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu (seperti kaca, karbon, dan aramid).

kembali mengeras bila didinginkan. Contoh ari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES, dan Polieter eterketon (PEEK).

2) Thermoset

Sifat PMC Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan

Komposit ini bersifat : tidak dapat dilunakkan kembali. 1) Biaya pembuatan lebih rendah

Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai, karena 2) Dapat dibuat dengan produksi massal sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel,

3) Ketangguhan baik seperti jenis-jenis melamin.

Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur 4) Tahan simpan ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh

5) Siklus pabrikasi dapat dipersingkat lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik. 6) Kemampuan mengikuti bentuk Contoh dari thermoset yaitu Epoksida, Bismaleimida (BMI), 7) Lebih ringan. dan Poli-imida (PI).

Keuntungan PMC Contoh Aplikasi 1) Matrik berbasis poliester dengan serat gelas

1) Ringan a) Alat-alat rumah tangga

2) Specific stiffness tinggi

b) Panel pintu kendaraan

c) Lemari perkantoran 3) Specific strength tinggi d) Peralatan elektronika.

4) Anisotropy 2) Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas = Kotak air radiator 3) Matrik berbasis termoset dengan serat carbon

a) Rotor helikopter

b) Komponen ruang angkasa

c) Rantai pesawat terbang

Kaca banyak digunakan sebagai material penguat dalam bentuk serat karena: 1. Mudah dibentuk dari lelehan menjadi high-strength fibers. GFRP adalah komposit yang terdiri dari serat kaca, kontinyu atau tak kontinyu, dan matriks polimer.

2. Banyak tersedia dan dapat dibuat secara ekonomis menjadi komposit plastik yang diperkuat dengan fiberglas Komposit jenis ini merupakan komposit yang paling banyak dengan menggunakan berbagai teknik pembuatan. diproduksi.

3. Karena fiber relatif kuat, maka jika ditanam dalam matriks Komposisi kaca yang biasa dibuat menjadi serat (biasa disebut plastik, akan dihasilkan komposit dengan specific strength sebagai E-glass) adalah SiO 55%, CaO 16%, Al O 15%, B O

3 yang sangat tinggi.

10%, MgO 4%.

4. Jika digabung dengan berbagai plastik, akan dihasilkan Diameters fiber biasanya berkisar antara 3 dan 20 m. komposit yang inert, sehingga komposit dapat digunakan pada lingkungan yang korosif.

Aplikasi:

Karakteristik permukaan dari serat kaca sangat penting; sedikit saja cacat pada permukaan akan sangat menurunkan Temperatur servis dari kebanyakan komposit fiberglas adalah sifat-sifat tensile-nya. < 200°°°°C; pada temperatur yang lebih tinggi, kebanyakan polimer mulai meleleh dan rusak. Catat permukaan dengan mudah dapat disebabkan oleh gesekan atau abrasi permukaan dengan material keras. Temperatur servis dapat dinaikkan sampai 300°°°°C dengan menggunakan fiber dari silika yang sangat murni dan polimer Permukaan serat kaca yang telah terpapar udara, meskipun temperatur tinggi seperti resin poliamida. dalam waktu singkat, biasanya akan melemah, sehingga akan mempengaruhi ikatannya dengan matriks. Fiberglas diaplikasikan pada bodi mobil dan kapal, pipa plastik, kontainer, dan lantai. Fiber baru biasanya dilapisi dengan suatu “size”, yaitu lapisan tipis dari suatu senyawa yang melindungi permukaan fiber Industri transportasi semakin banyak memanfaatkan plastik dari kerusakan dan interaksi yang tidak diinginkan dengan yang diperkuat dengan fiberglas untuk mengurangi berat lingkungan. kendaraan.

4. Serat karbon memiliki karakteristik fisik dan mekanik yang sangat beragam, sehingga komposit yang dibuat Karbon merupakan material fiber dengan performance sangat dengan serat karbon dapat memiliki sifat beragam, baik dan paling banyak digunakan sebagai penguat dalam sesuai yang diinginkan. komposit polimer karena:

1. Serat karbon fibers memiliki specific modulus dan specific

5. Proses pembuatan fiber dan komposit telah berkembang strength yang paling tinggi di antara semua fiber penguat. dan relatif murah.

2. Serat karbon tetap memiliki tensile modulus dan strength yang tinggi pada temperatur tinggi, meskipun pada temperatur tinggi ada masalah oksidasi.

3. Pada temperatur kamar, serat karbon tidak dipengaruhi oleh uap air, berbagai solven, asam, dan basa. Berdasarkan besarnya tensile modulus, serat karbon dapat

Aplikasi

dikelompokkan menjadi 4 jenis: Komposit polimer yang diperkuat dengan serat karbon 1. Serat karbon dengan modulus standar. banyak digunakan untuk: 2. Serat karbon dengan modulus menengah.

1. Alat olah raga dan rekreasi (batang pancing, golf clubs), 3. Serat karbon dengan modulus tinggi. 2. filament-wound rocket motor cases, 4. Serat karbon dengan modulus sangat tinggi.

3. Tangki bertekanan, Serat karbon memiliki diameter antara 4 dan 10 m, baik

4. Komponen pesawat terbang, baik militer maupun kontinyu maupun tidak. komersial, seperti sayap dan helikopter. Serat karbon biasanya dilapisi dengan pelindung epoxy “size” yang juga berfungsi memperbaiki gaya tarik dengan matriks polimer.

KEUNGGULAN Aramid memiliki nama kimia poly(paraphenylene terephthalamide).

Memiliki strength dan modulus yang tinggi.

Di pasaran, aramid dikenal dengan merk Kevlar™ dan Nomex™.

Memiliki rasio strength/berat yang sangat tinggi, lebih baik daripada logam. Memiliki longitudinal tensile strengths and tensile moduli yang lebih tinggi daripada material fiber polimer lainnya, tetapi material ini tidak kuat menerima tekanan/ compression. Kuat, tahan benturan, tahan terhadap creep and fatigue failure. Resistan terhadap pembakaran dan stabil pada temperatur tinggi (– 200 sampai 200°°°°C). Inert terhadap solven dan bahan kimia.

Tabel 4. Sifat komposit matriks epoksi yang diperkuat dengan serat kaca kontinyu dan teratur, serat karbon, dan serat aramid dalam KEKURANGAN arah longitudinal dan transverse. Fraksi volume serat = 0,6 Terdegradasi oleh asam dan basa kuat. PENGGUNAAN Serat aramid banyak digunakan dalam komposit dengan matriks polimer, seperti opoxy dan poliester. Komposit aramid digunakan sebagai tameng atau rompi anti peluru, alat-alat olahraga, ban, tali, casing rudal, tangki bertekanan, dan pengganti asbes pada rem mobil, dan gaskets.

TUJUAN REINFORCEMENT: Untuk meningkatkan specific stiffness, specific strength, abrasion resistance, creep resistance, thermal conductivity, dan dimensional stability.

Metal Matrix Composites adalah salah satu KELEBIHAN MMC DIBANDINGKAN DENGAN PMC: jenis komposit yang memiliki matrik logam.

1)Transfer tegangan dan regangan yang baik.

Material MMC mulai dikembangkan sejak 2) Ketahanan terhadap temperature tinggi tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah 3) Tidak menyerap kelembapan.

Continous Filamen MMC yang digunakan 4) Tidak mudah terbakar.

5) Kekuatan tekan dan geser yang baik. dalam aplikasi aerospace.

6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik.

KEKURANGAN MMC : 1) Biayanya mahal 2) Standarisasi material dan proses yang sedikit

KOMPOSISI: Matrik pada MMC :

Matriks: aluminum, magnesium, titanium, dan copper. 1) Mempunyai keuletan yang tinggi

2) Mempunyai titik lebur yang rendah

Fiber:

3) Mempunyai densitas yang rendah

Kontinyu : karbon, silikon karbida, boron, aluminum

Contoh : Almunium beserta paduannya, Titanium

oksida, dan the refractory metals, yaitu logam yang beserta paduannya, Magnesium beserta paduannya. sangat tahan terhadap panas dan aus: Nb (neobium), Mo (molybdenum), Ta (tantalum), W (tungsten), dan Re

Proses pembuatan MMC : (rhenium).

1) Powder metallurgy

Diskontinyu: whisker silikon karbida, potongan serat Tugas:

2) Casting/liquid infiltration cari di buku “Composites Manufacturing”

aluminium oksida dan karbon, dan partikel silikon

3) Compocasting karbida. 4) Squeeze casting

APLIKASI:

Komponen mesin mobil: Driveshaft (dengan rpm tinggi dan tidak bising), extruded stabilizer bars, komponen suspensi dan transmisi. Bahan yang digunakan adalah matriks aluminum-alloy yang diperkuat dengan serat aluminium oksida dan serat karbon; MMC ini ringan dan tahan aus dan thermal distortion. Industri ruang angkasa: advanced aluminum alloy metal- matrix composites; serat boron digunakan untuk penguat dalam Space Shuttle Orbiter, dan serat grafit kontinyu untuk teleskop Hubble.

Komponen suspensi Sifat beberapa MMC yang diperkuat dengan serat kontinyu dan teratur Komponen transmisi

Material keramik tahan terhadap oksidasi dan kerusakan pada temperatur tinggi, akan tetapi fracture toughness-nya rendah, CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi _½ yaitu antara 1 dan 5 Mpa.m . sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik.

Fracture toughnesses dari keramik dapat diperbaiki dengan Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah dikembangkannya CMC yang diperkuat dengan partikulat, serat, oksida, carbide, dan nitrid. atau whisker, sehingga fracture-toughnessnya menjadi 6 – 20

Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : _½ Mpa.m . 1) Gelas anorganic.

Contoh: 2) Keramik gelas 3) Alumina

Matriks Al O atau ZrO yang diperkuat dengan partikel ZrO . ₂ ₃ ₂ ₂ 4) Silikon Nitrida Keramik yang diperkuat dengan whiskers, yaitu SiC atau Si N . ₃ ₄ Salah satu proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses

DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat).

KEUNTUNGAN DARI CMC : Room Temperature Fracture Strengths and Fracture

1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam

Toughnesses for Various SiC Whisker Contents in Al O ₂ ₃ 2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron 3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus 4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi 5) Tahan pada temperatur tinggi (creep) 6) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi.

KERUGIAN DARI CMC:

1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar 2) Relative mahal dan non-cot effective

3) Hanya untuk aplikasi tertentu

Aplikasi CMC 1) Chemical processing = Filters, membranes, seals, liners, piping, hangers 2) Power generation = Combustorrs, Vanrs, Nozzles, Recuperators, heat exchange tubes, liner 3) Wate inineration = Furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors. 4) Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakas potong. 5) Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser. 6) Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem. 7) SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas.

FASA MATRIKS DAN FIBER