11 MATERIAL HYBRID
11.1 Lubang Dalam Ruang Properti Material
Gambar 11.3 menunjukkan diagram yang berisi material dan bagian-bagiannya. Beberapa bagian tidak dapat diakses karena alasan mendasar yang berhubungan dengan ukuran atom dan sifat kekuatan yang mengikat bersama-sama. Tetapi bagian lain kosong meskipun, pada prinsipnya, mereka bisa diisi.
Apakah ada yang bisa diperoleh dengan mengembangkan material (atau kombinasi material) yang terletak di lubang-lubang ini? Indeks material menunjukkan di mana dapat diperoleh keuntungan. Kisi baris dari satu indeks, E/r diplot dalam Gambar 11.3. Jika area yang diisi dapat diperluas ke arah panah (yaitu, ke nilai E/r yang lebih besar) akan memungkinkan struktur yang lebih ringan dan lebih kaku untuk dibuat. Panah terletak normal ke garis indeks. Ini mendefinisikan vektor untuk pengembangan material.
Gambar 11.3 Kekosongan pada ruang modulus-densitas
Salah satu pendekatan untuk mengisi lubang adalah dengan mengembangkan paduan logam baru, kimia polimer baru, dan komposisi baru kaca dan keramik sehingga dapat memperluas area populasi grafik properti. Mengembangkan bahan baru bisa menjadi proses yang mahal dan tidak pasti, dan keuntungannya cenderung bertahap. Alternatifnya adalah menggabungkan dua atau lebih material yang ada sehingga memiliki superposisi properti dengan membuat material hibrida. Keberhasilan spektakuler komposit yang diperkuat serat karbon dan kaca, bahan berbusa (hibrida bahan dan ruang) dapat mengisi area bagan properti yang sebelumnya kosong.
Gambar 11.4 menunjukkan dua material, M1 dan M2 diplot pada bagan dengan properti P1 dan P2 sebagai sumbu. Angka tersebut menunjukkan empat skenario, masing-masing kelas hibrida memiliki kekhasan tertentu. Tergantung pada konfigurasi bahan dan cara menggabungkan, maka diperoleh salah satu dari yang berikut ini.
1. Skenario "the best of both". Dikatakan ideal jika pembuatan material hibrida berasal sifat terbaik dari kedua komponen penyusunnya. Paling umum ketika properti suatu material dikombinasikan dengan sifat permukaan yang lain. Baja berlapis seng memiliki kekuatan dan ketangguhan baja dengan ketahanan korosi seng. Tembikar berkaca mengeksploitasi formabilitas dan biaya tanah liat yang rendah dengan impermeabilitas dan daya tahan kaca.
Gambar 11.4 Kemungkinan hibridisasi. Sifat hibrida mencerminkan bahan komponennya, dikombinasikan dalam salah satu dari beberapa cara.
2. Skenario "the rule of mixture". Ketika properti digabungkan dalam hibrida, seperti dalam komposit struktural, yang terbaik yang dapat diperoleh dari rata-rata aritmatika sifat komponen, ditimbang oleh fraksi volumenya. Dengan demikian komposit serat unidirectional memiliki modulus aksial (sejajar dengan serat) yang terletak dekat dengan aturan campuran.
3. Skenario "the weaker link dominates". Kadang-kadang kompromi dengan material yang lebih rendah perlu dilakukan, dikhusukan dengan kekakuan komposit partikulat, di mana sifat hibrida berada di bawah aturan campuran, terletak lebih dekat ke harmonik daripada rata-rata aritmatika properti. Meskipun kurang spektakuler, tetapi masih digunakan.
4. Skenario "the least of both" atau skenario tautan terlemah. Sistem penyiram api menggunakan hibrida logam lilin yang dirancang untuk gagal, melepaskan semprotan ketika titik leleh material yang lebih rendah (lilin) sudah terlampaui.
11.2 Metode: "Konfigurasi A + B + Skala"
Material hibrida adalah kombinasi dari dua atau lebih material dalam konfigurasi yang telah ditentukan, volume relatif, dan skala untuk melayani tujuan rekayasa tertentu secara optimal.
Variabel desain baru dapat memperluas ruang desain, memungkinkan optimalisasi properti yang tidak mungkin jika pilihan terbatas pada material monolitik tunggal.
Ide dasar, diilustrasikan dalam Gambar 11.5. Material monolitik menawarkan portofolio properti tertentu di mana banyak desain rekayasa disandarkan. Persyaratan desain mengisolasi sektor ruang material-properti. Jika sektor ini mengandung material, persyaratan dapat dipenuhi dengan memilih salah satunya. Jika persyaratan desain harus dipenuhi, tidak ada material yang memenuhi semuanya: persyaratan terletak pada lubang di ruang properti.
Gambar 11.5 Tahapan merancang hibrida untuk memenuhi persyaratan desain yang diberikan.
Gambar 6 Skema hibrida dari jenis komposit: berserat unidirectional, serat laminasi, serat acak, dan komposit partikulasi.
Langkah selanjutnya adalah mengidentifikasi dan memisahkan persyaratan yang bertentangan, mencari solusi setiap material yang optimal, kemudian menggabungkannya dengan cara mempertahankan atribut yang diinginkan dari keduanya. Pilihan terbaik adalah yang menempati peringkat paling tinggi ketika diukur dengan metrik kinerja yang memotivasi desain: meminimalkan massa atau biaya atau memaksimalkan beberapa aspek kinerja.
Kombinasi alternatif diperiksa dan dinilai, menggunakan kriteria keunggulan untuk menentukan peringkat. Output adalah spesifikasi hibrida dari material komponen dan konfigurasinya. Empat kelas struktur hibrida: komposit, sandwich, seluler, dan tersegmentasi.
11.3 Komposit
Insinyur pesawat terbang, pembuat mobil, dan peralatan olahraga memiliki satu kesamaan, yaitu material yang kaku, kuat, tangguh, dan ringan. Pilihan material tunggal yang paling baik adalah paduan ringan: paduan magnesium, aluminium, dan titanium. Banyak penelitian untuk meningkatkan sifat-sifatnya. Material tersebut tidak semua ringan, polimer memiliki densitas yang jauh lebih rendah, tetapi tidak semua yang kaku. Keramik jauh lebih kaku, terutama dalam bentuk partikel kecil atau serat tipis, jauh lebih kuat. Fakta-fakta ini dieksploitasi dalam keluarga hibrida struktural yang biasanya disebut sebagai komposit partikulat dan berserat.
Setiap dua material dapat dikombinasikan untuk membuat komposit dan dapat dicampur dalam banyak geometri (Gambar 11.6). Pada skala makroskopis, komposit berperilaku seperti padat homogen dengan seperangkat sifat mekanik, termal, dan listriknya.
Kriteria Keunggulan. Kami memerlukan kriteria keunggulan untuk menilai manfaat hibrida.
Hibrida yang memiliki nilai melebihi bahan yang ada menjadi tujuan desain material.
Densitas. Ketika fraksi volume f dari penguatan r (densitas rr) dicampur dengan fraksi volume (1 − f) dari matriks m (kepadatan rm) untuk membentuk komposit tanpa porositas sisa. Densitas komposit ρ diberikan persis dengan aturan campuran (rata-rata aritmatika yang ditimbang oleh pecahan volume):
ρ = fρÛ+ 1 − f ρP… … Pers 11.1
Geometri atau bentuk penguat tidak masalah kecuali dalam menentukan fraksi pengepakan maksimum penguat dan batas atas untuk f.
Modulus. Modulus komposit dikurung oleh batas Voigt dan Reuss. Batas atas EÜ diperoleh dengan dalil bahwa pada pembebanan, kedua komponen mengalami regangan yang sama.
Tegangan adalah rata-rata volume tegangan setempat, dan modulus komposit mengikuti aturan campuran:
EÜ= fEÛ+ 1 − f EP… … Pers 11.2a
Er adalah Modulus Young dari penguat dan Em yang matriks. Batas bawah, E- diperoleh dengan dalil sebagai ganti bahwa kedua komponen membawa tegangan yang sama. Regangan adalah rata-rata volume regangan setempat, dan modulus komposit adalah:
E- = EPEÛ
fEP+ 1 − f EÛ… … Pers 11.2b
Kekuatan. Mekanisme kegagalan dan sensitifitas kekuatan dan ketangguhan terhadap pengotor dan cacat pemrosesan membuat pemodelan yang akurat menjadi sulit. Penguatan dengan serat “unidirectional” atau dengan dispersi.
Ketika beban pada komposit serat meningkat, maka beban didistribusikan kembali antara komponen sampai terjadi peluluhan atau patah (Gambar 11.8a). Di luar titik ini komposit telah mengalami deformasi atau kerusakan permanen tetapi masih dapat mendukung beban.
Kegagalan akhir membutuhkan peluluhan atau fraktur atau keduanya. Komposit terkuat jika keduanya mencapai kegagalan secara bersamaan. Batas atas untuk ply serat kontinu seperti yang pada "unidirectional" pada Gambar 11.6 dibebani sejajar dengan serat adalah aturan campuran:
σ> Ü,Q = f σ> Û+ 1 − f σ> P… … Pers 11.3a
σ> P adalah kekuatan matriks, dan σ> Û adalah penguatnya. Jika salah satu mengalami kegagalan sebelum yang lain, beban yang dibawa akan tetap aman. Dengan demikian batas bawah kekuatan tarik adalah:
σ> -,Q = greater of f σ> Û+ 1 − f σ> P … … Pers 11.3b
Gambar 11.7 Model Kegagalan dalam komposit
Menentukan kekuatan melintang (Gambar 11.8b) lebih sulit. Kekuatan melintang ditentukan oleh kekuatan ikatan antarmuka, distribusi serat, konsentrasi tegangan, dan void. Kekuatan melintang lebih kecil daripada matriks tanpa penguat, regangan untuk gagal juga lebih kecil.
Dalam matriks ulet kontinu memiliki ikatan yang kuat, non-deforming, partikel atau serat, aliran dalam matriks dibatasi. Batasan meningkatkan tegangan yang diperlukan untuk aliran dalam matriks, yang memberikan kekuatan tarik batas atas adalah:
Lesser of σ> Ü,< ≈ σ> P 1 1 − f%/$
σ> Ü,< ≈ σ> Û … … Pers 11.4a
Kekuatan melintang lebih rendah daripada matriks saja karena konsentrasi tegangan dan debonding antarmuka antara serat dan matriks. Hull memberikan perkiraan batas bawah kekuatan tarik sebagai:
σ> -,<≈ σ> P 1 − f%$ … … Pers 11.4b
Dua pasang batasan memungkinkan potensi pilihan penguatan dan matriks yang diberikan untuk dieksplorasi. Gambar 11.9 menunjukkan batas untuk kekuatan axial dan melintang dari lapisan komposit epoxy-glass.
Gambar 11.8 Batasan kekuatan lapisan komposit (a) aksial dan (b) transversal
Komposit serat kontinu dapat gagal dalam kompresi dengan serat kinking (Gambar 8a).
Keriting ditahan oleh kekuatan geser matriks, kira-kira 0.5(σf)m. Ini menyebabkan tegangan kompresi axial untuk buckling dari serat adalah:
σ9 Ü,Q =1 ϑ σ> P
2 ≈ 14 σ> P… … Pers 11.5
ϑ adalah ketidakselarasan awal serat dari sumbu kompresi, dalam radian. Dari eksperimen diperoleh nilai khusus dalam komposit yang diselaraskan yaitu ϑ ≈ 0.35. Dengan mengidentifikasi batasan atas dengan berkurangnya nilai ϑ dan Persamaan 3a.
Ketidakselarasan semakin tidak terkendali jika ϑ = 1, maka kekuatannya sangat turun.
Panas Spesifik. Panas spesifik benda padat pada tekanan konstan Cp hampir sama dengan yang pada volume konstan Cv. Kapasitas panas per volume satuan komposit ditentukan dengan aturan campuran:
ρC_ = fρÛ C_ Û+ 1 − f ρP C_ P… … Pers. 11.6
di mana C_ Û adalah panas spesifik penguat dan C_ P adalah matriks (J/kg.K). Sedikit perbedaan muncul karena ekspansi termal menghasilkan ketidakcocokan antara komponen ketika komposit dipanaskan. Ketidakcocokan menciptakan tekanan lokal komponen dan mengubah panas tertentu.
Koefisien Ekspansi Termal. Ekspansi termal komposit ke beberapa arah, lebih besar dari komponen yang lain. Ini karena konstanta elastis, rasio Poisson, pasangan regangan elastis utama. Jika matriks ditahan untuk ekspansi ke satu arah maka akan berekspansi lebih banyak ke arah melintang. Perkiraan batas bawah adalah:
α- =EÛαÛf + EPαP 1 − f
EÛf + EP 1 − f … … Pers 11.7 Batas atas:
αÜ= fαÛ 1 + vÛ + 1 − f αP 1 + vP − α- fvÛ+ 1 − f vP … … Pers 11.8 dimana αÛ dan αP adalah koefisien ekspansi thermal, vÛ dan vP adalah rasio Poisson.
Konduktivitas termal. Konduktifitas termal menentukan aliran panas pada kondisi yang stabil. Komposit dari dua material diikat untuk memberikan kontak termal yang baik, memiliki konduktifitas termal l yang terletak di antara komponen tunggalnya lm dan lr. Komposit yang terdiri dari serat kontinu paralel memiliki konduktifitas, sejajar dengan serat yang dihitung dengan aturan campuran:
λÜ = fλÛ+ 1 − f λP… … Pers 11.9
persamaan di atas adalah batas atas. Pada arah yang lain, konduktifitasnya lebih rendah.
Konduktifitas transversal (melintang) pada komposit serat paralel terletak di dekat batas bawah yang dinyatakan oleh Maxwell:
λ- = λP λÛ+ 2λP− 2f λP− λÛ
λÛ+ 2λP+ f λP− λÛ … … Pers 11.10
Komposit partikulat memiliki konduktifitas di dekat batas bawah ini. Konduktivitas antarmuka yang buruk dapat membuat turunnya nilai l. Debonding atau lapisan antarmuka antara penguat dan matriks adalah penyebabnya.
Difusifitas Panas. Difusifitas panas dinyatakan dengan persamaan di bawah ini:
a = λ ρC_
Menentukan aliran panas ketika kondisinya transien, yaitu ketika suhu berubah seiring waktu.
Ini dibentuk dari tiga properti sebelumnya l, r dan Cp. Difusi dinyatakan sebagai:
a = λ
fρÛ C_ Û+ 1 − f ρP C_ P… … Pers 11.11
Batas atas dan bawah ditemukan dengan substitusi untuk λ (Persamaan 11.9 dan 11.10) ke dalam persamaan ini.
Konstanta Dielektrik. Konstanta dieletrik berdasarkan aturan campuran adalah:
εc= fεc,Û+ 1 − f εc,P… … Pers 11.12
Gambar 11.11 PMC dan MMC memperluas area ruang modulus-densitas.
Konduktivitas Listrik dan Percolation. Ketika konduktivitas listrik komponen komposit memiliki besaran yang sebanding, batas untuk konduktivitas listrik sama dengan konduktivitas termal.
Mengisi Ruang Properti Dengan Komposit. Pengembangan komposit telah mengisi okupansi ruang properti material. Gambar 11 adalah diagram modulus-density (E − r). Area yang diisi oleh logam dan polimer yang tidak diperkuat berwarna merah pucat dan biru pucat, anggota diberi label abu-abu. Komposit matriks polimer menempati zona ungu yang lebih
berani. Komposit matriks logam ditunjukkan dengan warna merah gelap. Keduanya meluas ke area yang sebelumnya kosong. Demikian juga untuk Gambar 11.12.