2.1.Pengertian Komposit
Definisi dari komposit adalah gabungan dua macam bahan atau lebih dengan fase yang berbeda. Fase pertama disebut dengan matrik yang memiliki fungsi sebagai pengikat dan fase yang kedua disebut dengan reinforcement yang memiliki fungsi untuk memperkuat bahan komposit secara keseluruhan. Unsur utama penyusun komposit adalah serat, serat merupakan penentu karakteristik komposit seperti kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat mekanis yang lain. Serat berfungsi untuk menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada komposit dan matrik berfungsi untuk melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik.
Komposit serat dapat diklasifikasikan kedalam berbagai jenis tergantung pada orientasi dan jenis seratnya. Banyaknya serat dan ukurannya menentukan kemampuan komposit dalam menahan gaya-gaya yang bekerja. Komposit serat kontinu memiliki kekuatan yang sangat kuat dan liat (taugh) dibandingkan dengan serat tidak kontinu. Selain bahan serat komposit juga tidak terlepas dari bahan matrik. Hal ini dapat dimengerti karena sekumpulan serat tanpa matrik tidak dapat menahan gaya dalam arah tekan dan transversal. Matrik juga berguna untuk meneruskan gaya dari satu serat keserat lainnya dengan menggunakan mekanisme tegangan geser. Secara garis besar komposit serat dibagi menjadi dua yaitu serat kontinu (continous) dan serat tidak kontinu (discontinous).
2.2. Penggolongan Komposit
Penggolongan bahan komposit sangat luas, jenis komposit sering dibedakan menurut bentuk dan bahan matriks pengikat sebagai bahan penguatnya. Secara umum komposit dapat dikelompokkan kedalam tiga jenis ( Jones, Murphy :1975 )
2.2.1. Fibrous composites
Pada komposit ini bahan penguat yang digunakan adalah serat (dapat berupa serat organik atau serat sintetik) yang memiliki kekuatan dan kekakuan lebih besar bila dibandingkan dengan bahan pengikat atau matriks. Bahan pengikat yang digunakan dapat berupa polymer, logam maupun keramik.
Agar dapat membentuk produk yang efektif dan baik maka komponen penguat harus memiliki modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matriknya selain itu juga harus ada ikatan permukaan antara komponen pengguat dan matriks (Van Vlack : 1985).
2.2.2. Laminated composites
Komposit ini terdiri dari dua atau lebih material yang disusun berlapislapis. Pelapisan ini bertujuan untuk mendapatkan sifat-sifat yang baru seperti kekuatan, kekakuan, ketahanan korosi, sifat termal juga untuk penampilan yang lebih atraktif.
2.2.3. Particulated composites
Particulated composites terdiri dari partikel-partikel yang ada dalam matriks. Material partikel bisa dibuat dari satu jenis ataupun lebih dari satu jenis material dan biasanya material partikel ini terbuat dari bahan metal atau dari bahan non-metal.
Jenis-jenis Particulated composites: • Partikel komposit organik • Partikel komposit non organik
Sedangkan untuk komposit menurut jenis matrik yang digunakan dapat dibedakan menjadi :
1. Komposit Matrik Logam (Metal Matriks Composite)
Pada komposit ini matriks yang digunakan adalah logam sedangkan bahan penguatnya dapat berupa parikel keramik atau fiber yang dapat terdiri dari logam, keramik, karbon dan boron. Cermet merupakan salah satu tipe paling umum dari komposit matrik logam. Cermet merupakan suatu bahan komposit matrik logam dengan reinforcing agent berupa keramik.
2. Komposit Matriks Keramik (Ceramik Matriks Composite)
Keramik memiliki sifat-sifat yang cukup menarik seperti : kekakuan, kekerasan dan kekuatan tekan yang tinggi serta kerapatan yang rendah. Bahan ini juga memiliki beberapa kelemahan yaitu ketangguhan (toughness) dan tegangan tarik rendah. Pembuatan
komposit dengan matriks keramik sangat sulit dan memerlukan biaya yang mahal. Metode yang biasa digunakan adalah metode metalurgi serbuk.sebagai matrik dapat digunakan : Alumina(Al2O3), Karbida boron (B4C), Nitrid boron (BN), Karbida silicon (SiC), Nitrid silicon (Si3N4), Karbida titanium (TiC). Sebagai fibernya dapat digunakan karbon, SiC dan Al2O3.
3. Komposit Matriks Polimer ( Polimer Matriks Composite)
Komposit jenis ini adalah jenis yang paling banyak digunakan karena mudah dalam proses pembuatannya dan murah. Bahan pengguat dari komposit ini dapat berupa fiber, partikel dan flake, yang masingmasing dibedakan lagi menjadi bahan penguat organik dan metal.
2.3 Komponen Bahan Komposit
Bahan komposit merupakan penggabungan dua macam bahan atau lebih yaitu matrik dan reinforcement agent atau penguat. Matrik dalam komposit memiliki gaya adhesif yang cukup kuat. Matrik bahan komposit dapat berupa logam, keramik dan polimer. Sedangkan fase kedua atau sering disebut renforcing agent berfungsi untuk memperkuat bahan komposit secara keseluruhan.
Reinforcement agent pada komposit dapat berbentuk: 1. Fiber (Serat)
3. Flake
2.4 Komposit Serat
Komposit serat merupakan suatu bahan yang terbentuk dari susunan serat yang tersebar didalam matriks pengikat. Komposit serat dapat dibuat dari serat dan matriks logam maupun non logam atau kombinasi dan keduanya. Fungsi utama serat adalah sebagai bahan penguat komposit. Kekuatan komposit dapat diatur dari persentase jumlah serat, pada umumnya semakin banyak jumlah serat maka kekuatan komposit akan bertambah. Serat organik adalah salah satu serat yang biasanya digunakan dalam pembuatan komposit yaitu serat yang berasal dari alam misal tumbuhan.
2.4.1. Faktor Matrik
Matrik merupakan komponen penyusun komposit dengan jenis yang bermacam-macam. Dari berbagai macam jenis yang ada, matrik tersebut mempunyai fungsi yang sama yaitu:
1. Sebagai transfer beban, yaitu mendistribusikan beban kepada serat yang memiliki modulus kekuatan yang lebih tinggi,
2. Sebagai pengikat fase serat pada posisinya, pada proses pembuatan komposit fiber-reinforced plastic, matrik harus mempunyai sistem adhesi yang baik terhadap serat untuk menghasilkan struktur komposit yang sempurna karena berhubungan erat dengan transfer beban. Jika sifat adhesi yang dimiliki kurang baik, maka transfer
beban tidak akan sempurna. Hal ini mengakibatkan kegagalan berupa lepasnya ikatan antara matrik dengan serat (debonding failure).
3. Menjaga serat terdispersi dan tidak terpisah (tidak ada perambatan retakan atau kegagalan).
Fungsi matrik terutama sebagai pemegang serat agar tidak bergeser, pelindung filament terhadap keausan, goresan, dan zat kimia ganas, serta sebagai pelintas (transfer) tegangan ke serat. Matrik untuk komposit polimer dapat berupa resin polyester unsaturated dan resin epoksi.
Bahan matriks jenis polimer dibagi menjadi dua jenis : 1. Polimer Termoset
Adalah bahan matrik yang dapat menerima suhu tinggi atau tidak berubah karena panas. Contohnya : Poliimid, Poliimid Amid dan Polidifenileter.
2. Polimer termoplastik
Adalah bahan matrik yang tidak dapat menerima suhu tinggi atau akan berubah karena panas. Contohnya : PEEK (Poly-Ether-Ether-Ketone), PEI(Poly-Ether-Imide), Nilon, dll.
Epoksi adalah bahan yang terdiri dari dua komponen yaitu resin dan hardener, bila dicampur dengan perbandingan yang tepat akan menghasilkan massa yang padat dan dapat melekat dengan baik pada
logam, kulit, kayu maupun beton. Karakteristik epoksi yaitu ringan dan tidak menimbulkan tegangan, tahan bahan kimia / tahan korosi, tahan minyak, kuat tapi dapat dimesin dan dicat, mudah pemakaiannya dan tak perlu panas, kurang tahan temperatur tinggi, kurang tahan benturan. Jenis epoksi ini dapat diperkuat dengan logam, keramik, bermacam-macam serat sehingga jauh menguntungkan bila hanya menggunakan epoksi atau serat saja. Kekerasan dan keuletan dapat ditentukan dengan mengatur perbandingan antara resin dan hardener dan proses pengeringannya (dingin-panas), epoksi kebanyakan dipakai untuk perbaikan peralatan dari logam, perawatan mesin, perekat bagi logam yang tidak boleh dilas. Keistimewaan lain yaitu mempunyai sifat susut muai yang sangat rendah, tahan tekanan, erosi dan abrasi.
Resin polyester relatif lebih murah jika dibanding epoksi, tetapi tidak sekuat epoksi. Resin polyester banyak digunakan sebagai matrik pada fiberreinforced plastic.
2.4.2. Faktor Serat
Serat digunakan sebagai bahan penguat komposit. Kekuatan komposit dapat diatur dari persentase jumlah serat, pada umumnya semakin banyak jumlah serat maka kekuatan komposit akan bertambah. Serat organik adalah salah satu bahan yang biasa digunakan dalam pembuatan komposit yaitu serat yang berasal dari alam, misalnya tumbuhan kapas widuri. Untuk mendapatkan komposit yang baik diperlukan syarat
khusus dari tiap fase penyusunnya agar sistem benar-benar bekerja sebagai komposit. Prasarat serat antara lain : kekuatan ultimate besar, kekuatan antarserat masing-masing setaraf, serat stabil dan tetap kuat selama proses pembuatan, serta luas dan diameter seragam.
Secara garis besar komposit serat terbagi menjadi dua macam, yaitu serat kontinyu (continous) dan serat tidak kontinyu (discontinous). Berdasarkan ukuran panjang, serat dibagi menjadi serat kontinu (continue) dan serat tidak kontinu (discontinue). Ciri-ciri serat yang baik adalah luas dan diameter seragam. Secara teori, serat panjang akan lebih efektif dalam hal transmisi beban. Namun pada kenyataannya, prasyarat di atas sulit terwujud pada aplikasinya, mengingat faktor manufaktur yang tidak memungkinkan dihasilkannya kekuatan optimum pada tiap panjang serat pada proses pembuatan komposit, karena pada aplikasinya terdapat ketidaksamaan penerimaan beban pada serat. Sehingga pada proses pembebanan yang mendekati kekuatan patahnya, sebagian serat akan patah mendahului bagian yang lain.
2.4.3. Faktor komposisi dan bentuk serat
Berdasarkan bentuk, secara umum serat penguat mempunyai penampang lingkaran dan beberapa bentuk lain, misalnya bujur sangkar. Kekuatan serat dapat juga dilihat dari diameter serat, diameter serat yang semakin kecil maka kekuatannya akan semakin besar, sebaliknya jika diameter semakin besar maka kekuatan akan berkurang.
Berdasar komposisinya, serat yang digunakan sebagai bahan penguat komposit dibedakan menjadi:
1. Serat organik: yaitu serat yang berasal dari bahan organik,
misalnya selulosa, polipropilena, grafit, serat rami, serat pandan alas, serat kapas, dll.
2.Serat anorganik: yaitu serat yang dibuat dari bahan-bahan anorganik, misalnya glass dan keramik. Adapun serat yang mempunyai kekuatan tinggi dan tahan panas (hybrid fibre).
2.4.4. Faktor Orientasi serat
Orientasi serat dapat menentukan kekuatan suatu bahan komposit. Secara umum penyusunan serat pada komposit dapat dibedakan menjadi: 1. Unidirectional: serat disusun secara searah parallel satu sama lain,
sehingga didapat kekakuan dan kekuatan optimal pada searah serat sedangkan kekuatan paling kecil terjadi pada arah tegak lurus serat. 2. Bidirectional: serat disusun secara tegak lurus satu sama lain
(orthogonal). Pada susunan ini kekuatan tertinggi terdapat pada arah pemasangan serat.
3. Isotropic: penyusunan serat dilakukan secara acak, sifat dari susunan ini adalah isotropic, yaitu kekuatan pada satu titik pengujian mempunyai kekuatan yang sama.
Gambar 2.1 Jenis-Jenis Orientasi Serat
2.4.5. Faktor Bahan-bahan tambahan
Katalis adalah bahan pemicu (initiator) yang berfungsi untuk mempersingkat proses curing pada temperatur ruang. Komposisi katalis pada komposit harus sangat diperhatikan. Komposit dengan kadar katalis yang terlalu sedikit akan mengakibatkan proses curing yang terlalu lama. Dan apabila pada proses pembuatan terjadi kelebihan katalis, maka akan menimbulkan panas yang berlebihan sehingga akan merusak produk. Tetapi di dalam resin epoxy, katalisnya biasa disebut sebagai hardener. Sedangkan komposisi pencampuran antara resin dan hardener adalah 1 : 1 atau 2 : 1.
Karena proses pembuatan akan mengakibatkan lengketnya produk dengan cetakan, maka untuk menghindari itu harus diadakan proses pelapisan terhadap cetakan yaitu dengan mengunakan release agent. Release agent atau zat pelapis yang berfungsi untuk mencegah lengketnya produk pada cetakan saat proses pembuatan. Pelapisan dilakukan sebelum proses pembuatan dilakukan. Release agent yang
biasa digunakan antara lain waxes (semir), MAA, mirror glass, vasielin, polyvinyl alcohol, film forming, dan oli.
2.5.Fraksi Volume Serat
Fraksi volume (%) adalah perbandingan volume bahan pembentuk komposit terhadap volume komposit.
Misal:
V r = % reinforcing V m = % matrik V h = % hardener V com = 1
Maka persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut :
V r + V m + V h = 1……….(2.1)
2.6.Mekanika Komposit
Sifat mekanik bahan komposit berbeda dengan bahan konvensional lainnya. Tidak seperti bahan teknik lainnya yang pada umummnya bersifat homogen dan isotropic. Sifat heterogen bahan komposit terjadi karena bahan komposit tersusun atas dua atau lebih bahan yang mempunyai sifat-sifat mekanis yang berbeda sehingga analisis mekanik komposit berbeda dengan bahan teknik konvensional. Sifat mekanik bahan komposit merupakan fungsi dari:
2. Geometri susunan masing-masing komponen 3. Interface antar komponen
Mekanika komposit dapat dianalisa dari dua sudut pandang yaitu dengan analisa mikro dan analisis makromekanik. Dimana analisa mikro bahan komposit dengan memperlihatkan sifat-sifat mekanik bahan penyusunnya, hubungan antar komponen penyusun tersebut dan sifat-sifat akhir dari komposit yang dihasilkan. Sedangkan analisis makromekanik memperlihatkan sifat-sifat bahan komposit secara umum tanpa memperhatikan sifat maupun hubungan antara komponen penyusunnya.
2.7. Pengujian Tarik
Pengujian tarik yang dilakukan adalah untuk mengetahui kekuatan tarik dan regangan dari matrik, maupun komposit serat. Metode yang digunakan adalah benda uji dijepit pada mesin uji dengan pembebanan perlahan-lahan meningkat sampai suatu beban tertentu dan akhirnya benda uji patah. Beban tarik yang bekerja pada benda uji akan menimbulkan pertambahan panjang disertai pengecilan diameter benda uji.
Perbandingan antara pertambahan panjang (∆L), dengan panjang awal benda uji (L) disebut regangan. Pengujian tarik ini dilakukan di Laboratorium Ilmu Logam Universitas Sanata Dharma.
Gambar 2.2 Mesin Uji Tarik
Untuk mengetahui kekuatan tarik dan regangan dari matrik, maupun komposit serat diperlukan suatu perhitungan. Rumus dari kekuatan tarik adalah sebagai berikut: A P = σ ………..(2.2) dengan :
σ : kekuatan tarik maksimal P : beban maksimal
A : luas penampang pengujian.
Dan untuk menghitung regangan, dipergunakan rumus sebagai berikut:
ο ε L L ∆ = x 100 % ………...(2.3) dengan : ε : regangan ∆L : pertambahan panjang Lο : panjang mula-mula
2.8. Uji Impak / Kejut
Energi kejut yang dikenakan pada suatu bahan dapat dianalogikan dengan keuletan (toughness) dari bahan tersebut. Prinsip dasar pengujian ini adalah ayunan beban yang dikenakan pada benda uji (spesimen). Energi yang diperlukan untuk mematahkan spesimen dihitung langsung dari perbedaan energi potensial pendulum pada awal (dijatuhkan) dan akhir (setelah menabrak spesimen). Untuk memastikan bagian spesimen yang patah, perlu dibuat takikan pada spesimen tersebut. Pengukuran impak yang dilakukan di Laboratorium Ilmu Logam Universitas Sanata Dharma menggunakan Mesin Uji Impak Charpy.
Gambar 2.3 alat uji impak Charpy
Adapun persamaan yang digunakan untuk mengetahui sifat getas / liat bahan ataupun harga keuletan dari matrik, maupun komposit serat adalah :
Tenaga Patah
Harga Keuletan = ____________________ ………… Joule/mm² …(2.5) Luas Penampang Patahan
Dengan :
G = Berat pendulum / massa dikali dengan percepatan grafitasi (N) R = Radius Pendulum (m)
α = Sudut awal / sudut yang dibentuk pendulum tanpa beban
ß = Sudut ayun akhir / sudut yang dibentuk pendulum setelah mematahkan benda uji