BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Material Komposit
Komposit merupakan gabungan material multifasa yang memiliki interface makroskopis yang dapat dibedakan secara makro dan memiliki sifat-sifat yang merupakan penggabungan sifat positif material penyusunnya. Komposit berdasarkan jenis penguatnya dibagi menjadi 3 macam yaitu komposit partikulat, komposit fiber dan komposit structural.
Gambar 2.5. Pembagian komposit berdasarkan jenis penguat (widyastuti, 2009).
Berdasarkan sifat penguatnya, komposit dibagi menjadi dua yaitu komposit isotropik dan anisotropik. Komposit isotropik adalah komposit yang penguatnya memberikan penguatan yang sama untuk berbagai arah (baik dalam arah transversal maupun longitudinal) sehingga segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan mempunyai nilai kekuatan yang sama. Sebaliknya komposit anisotropik adalah komposit yang penguatnya memberikan penguatan tidak sama terhadap arah yang berbeda, sehingga segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan mempunyai nilai kekuatan yang tidak sama (baik arah transversal maupun longitudinal).
Partikulat struktural Kontinyu Terikat (aligned) Fiber Partikulat besar Diskontinyu Panel sandwich Acak (random) Penguatan dispersi Lamina Komposit
Salah satu contoh komposit isotropik adalah komposit dengan penguat partikel atau lebih dikenal dengan sebutan (komposit partikulit), partikel dikatagorikan sebagai partikulit bila tidak mempunyai dimensi panjang (nonfibrous). Bahan komposit partikulit pada umumnya lebih lemah ketahanan terhadap kerusakan dibanding komposit berserat panjang. Tetapi dari segi yang lain, bahan ini sering lebih unggul, seperti dalam hal ketahanan terhadap aus. Bahan komposit partikulit terdiri dari partikel-partikel yang diikat matrik. Bentuk partikel ini dapat bermacam-macam seperti bulat, kubik tetragonal atau bahkan bentuk-bentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi secara rata-rata berdimensi sama. Partikel-partikel ini pada umumnya digunakan sebagai pengisi dan penguat bahan komposit bermatrik keramik. Pada jenis ini keramik merupakan bahan yang keras dan getas, juga mudah retak dan pecah. Disinilah fungsi partikel tersebut berada. Mekanisme penguatan tertentu, partikel ini berguna untuk mencegah perambatan retak yang terjadi, dengan demikian akan menaikkan keuletannya.
2.2.1 Komposit Matriks Logam
Komposit adalah perpaduan dari beberapa bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusunnya untuk menghasilkan material baru yang unik, dibandingkan dengan sifat material dasarnya sebelum dikombinasikan, terjadi ikatan antara masing-masing material penyusunnya (Scity, 2002). Berdasarkan bahan matriks yang digunakan, maka komposit dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu :
a. Komposit matriks logam (Metal Matrix Composite) b. Komposit matriks polimer (Polimer Matrix Composite) c. Komposit matriks keramik (Composite Matrix Ceramics)
Sedangkan berdasarkan jenis penguatnya, maka material komposit dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat
c. Structural composite, penguatnya berbentuk lapisan
Adapun ilustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada Gambar 2.6. dibawah ini.
a. Partikel b. Fiber c. Struktur Gambar 2.6. Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya (Agus, 2008).
Material yang ulet tahan korosi seperti: Al dan material yang kuat dan tangguh, seperti: keramik SiC. Merupakan pemikiran yang tepat untuk menggabungkan kedua material tersebut menjadi material baru, yaitu: komposit. Material komposit yang diharapkan dengan proses pembuatannya mempunyai kekuatan mekanik yang tinggi, daya tahan vibrasi dan konduktivitas panas baik seperti: kekakuan, tahan aus dan stabil pada temperatur tinggi (Saravanan, R.A et all.2008).
Komposit logam dapat diaplikasikan pada berbagai komponen mesin seperti: velg, housing disc brake, sudu-sudu gas turbin (turbin blade), mesin roket piston, penukar panas (heat exchanger), dapur temperatur tinggi (furnace), struktur pesawat terbang, dan kemasan elektronik (packaging).
Ipung Kurniawan dan Amat Umron (2011) meneliti pembuatan Komposit Matriks Logam (KML) Al-SiC dengan metode stir casting untuk pembuatan komponen blok rem kereta api. Variasi paremeter dalam penelitian ini penambahan serbuk SiC dengan fraksi berat 5 %, 10 % dan 15%. Hasil penelitiannya dapat ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.3. Hasil penelitian kekerasan KML Al-SiC
Material Kekerasan (HRB)
Al-SiC 5% 56
Al-SiC 10% 61
Al-SiC 15 % 78
Besi cor 80
Sumber : Ipung kurniawan dan Amat umron (2011). Material A
Material B
2.2.2 Komposit Matriks Logam Al-SiC
Logam aluminium yang telah dicampur dengan partikel silicon carbida (SiC) untuk membentuk komposit bermatriks logam akan mengalami perubahan beberapa sifat fisik dan ketahanan korosinya. Nilai kekuatan spesifik komposit ini lebih unggul dibandingkan dengan logam aluminium murni, baik pada suhu kamar ataupun suhu tinggi (< 200oC). Nilai kekuatan spesifik dengan unit Gpa/g cm-3, merupakan perbandingan nilai modulus young dengan berat jenis. Komposit ini memiliki ketahanan korosi yang rendah bila dibandingkan dengan aluminium murni. Semakin tinggi kandungan SiC, kecepatan korosi meningkat (Prayitno, 2006).
Metode pembuatan komposit bermatriks logam dengan bahan penguat berbentuk partikel ialah vortek dan compocasting. Pada metode vortek, logam matriks dileburkan terlebih dahulu dan dilanjutkan pada pengadukan sehingga memunculkan pusaran (vortek). Bahan penguat partikel ditaburkan pada pusat pusaran. Pengadukan dihentikan bila partikel telah tersebar secara merata pada cairan logam. Logam cairan kemudian dituang ke dalam cetakan.
Metode compocasting disebut juga dengan rheocasting dimana logam dengan wujud campuran padatan dan cair (lumpur) dituang kedalam cetakan. Proses compocasting sebagai berikut. Pertama logam matriks dileburkan sehingga cair dan kemudian didinginkan sampai cairan logam berubah wujud seperti lumpur logam. Tahap kedua adalah pengadukan lumpur logam dan pemasukan bahan penguat partikel. Setelah partikel tersebar merata, pengadukan dihentikan dan lumpur logam dituang dalam cetakan (Prayitno, 2006).
Proses pelapisan permukaan partikel SiC dengan perlakuan panas diatas suhu 878,52oC meningkatkan terbentuknya fase oksida dengan semakin tingginya suhu yang diberikan. Pengaruh pelapisan oksida pada partikel SiC berkorelasi terhadap kenaikan nilai densitas dan penurunan nilai porositas komposit Al-SiC. Berdasarkan pengamatan SEM (Scanning Electron Microscope) dan XRD (X-Ray Difragtion) fase-fase yang terbentuk pada komposit Al-SiC didaerah antarmuka antara SiC dan Al adalah SiO2, Al2O3 dan mullit. Dimana fase-fase tersebut berperan sebagai pengikat antara matrik Al dan penguat SiC pada komposit Al-SiC. Pengujian Upper dan lower bound pada komposit Al-SiC dengan penguat
SiC terlapisi, pada semua fraksi volume penguat nilai modulus elastisitas komposit masuk dalam zona Upper dan lower bound, sedangkan komposit Al-SiC dengan penguat SiC tanpa terlapisi mempunyai nilai modulus elastisitas diluar Upper dan lower bound. Kenaikan nilai kekerasan komposit dipengaruhi oleh penambahan fraksi volum penguat dan suhu pelapisan oksida logam pada permukaan SiC dalam komposit Al-SiC.
Silicon carbida (SiC) merupakan senyawa kristalin yang mempunyai sifat mekanik dengan kekerasan paling tinggi dan mempunyai titik leleh tinggi yaitu sekitar 2837oC. SiC yang memiliki kemurnian paling tinggi. Memiliki berat atom 40,1 gram, terdiri atas 70,04% Si dan 39,06% C. Sifat lainnya adalah tidak larut dalam air dan pelarut lainnya, lebih dikenal dengan nama carborundum dan moissanite (Tofan, et.all. 2009).
Adapun sifat mekanik dari Al/SiC untuk pengujian kekerasan, keausan dan kuat tarik adalah sebagai berikut:
1. Kekerasan.
Kekerasan yang diperoleh dari pengujian menunjukkan peningkatan seiring meningkatnya suhu, kekerasan terendah adalah 124 BHN sedangkan kekerasan tertinggi 440 BHN. Peningkatan nilai kekerasan meningkat signifikan pada range suhu 1000°C-1100°C yaitu dari 245 BHN menjadi 440 BHN (A. Zulfia, 2006). Sifat kekerasan pada umumnya merupakan fungsi dari kekuatan ikatan logam aluminium dengan keramik silikon karbida. Material dengan densitas yang tinggi memiliki kekerasan yang cenderung meningkat karena adanya ikatan antara partikel dan proses pembasahan. Kekerasan material juga dipengaruhi oleh reaksi produk yang terbentuk seperti fasa AIN dan Mg2Si, yang dapat meningkatkan kekerasan.
2. Keausan.
Pada temperatur yang tinggi diperoleh semakin banyaknya kandungan material penguat keramik SiC yang terinfiltrasi oleh leburan Al sehingga kekerasan meningkat dan laju aus menurun. Oleh karena itu terdapat hubungan yang terbalik antara keausan dan kekerasan. Nilai laju aus semakin kecil sedangkan nilai kekerasan semakin besar ketika temperatur firing semakin baik.
Menurut pendapat Rigney, factor utama yang mempengaruhi ketahanan aus logam adalah kekerasan permukaannya terutama pada keausan adhesive dan abrasif, dimana pada kekerasan yang tinggi laju keausan adhesif maupun abrasif rendah (A. Zulfia. et.all, 2006).
3. Kuat tarik
Dalam penelitian sebelumnya telah dicoba untuk menambahkan partikel SiC dari 0 sampai 12,98% volume ke dalam tuangan paduan logam Aluminium-Silikon untuk meningkatkan sifat mekanis paduan tersebut. Pembuatan campuran ini adalah dengan metode pengecoran, yakni menggunakan dapur krusibel dan cetakan yang digunakan adalah cetakan logam. Dalam pengamatan yang dilakukan, didapat hasil bahwa dengan meningkatnya prosentase partikel SiC, didapat sifat mekanis bahan yaitu kuat tarik dan kekerasannya yang meningkat. Juga pengamatan jejak keausan dan hasil perhitungan laju keausan menunjukkan bahwa semakin tinggi prosentase SiC yang ditambahkan dalam campuran mempunyai titik optimal yaitu pada 11,25% volume SiC dimana pada penambahan partikel SiC dalam prosentase yang lebih besar lagi sifat mekanisnya akan turun (Ariati, 2009).
2.2.3 Perkembangan Pemakaian Komposit Matriks Logam Pada Rem Kereta Api. Di Negara-negara maju seperti Uni Eropa, Amerika dan Jepang penggunaan kanvas rem komposit untuk perkereta apian sudah dimulai sejak setengah abad lebih. Bahkan penggunaannya tidak terbatas pada blok rem komposit untuk kereta api dengan kecepatan rendah atau dibawah 100 km/jam (low friction brake), tetapi aplikasi untuk high friction berupa disc brake untuk kereta api kecepatan tinggi sudah dikembangkan sejak dulu. Bahkan dewasa ini hampir semua kanvas rem otomotifpun sudah memakai bahan komposit.
Bahan komposit terdiri dari bahan pengisi (filler), resin bonding (bahan perekat), reinforce material (bahan penguat serat) dan plastisizer ruberry (bahan karet) dan lain-lain. Pada aplikasi khususnya untuk kanvas rem komposit, beberapa keunggulan dari kanvas rem kereta api berbahan komposit di bandingkan bahan besi tuang kelabu (cast iron) adalah selain bahannya ringan,
(berat maksimum rem komposit 3 kg, sedangkan cast iron 11 s/d 12 kg, sehingga memudahkan pemasangan / biaya pemasangan kecil), blok rem komposit juga memiliki umur ekonomis (life time) yang lebih panjang. Rata-rata blok rem berbahan komposit lebih tahan aus karena memiliki koefisien friksi yang lebih rendah dibanding cast iron. Umur rata-rata dari kanvas rem komposit adalah 3 bulan masa aus atau lebih kurang 3 s/d 4 kali dari masa aus kanvas rem cast iron (besi tuang kelabu).
Gambar 2.7. Kanvas rem kereta api berbahan besi cor (PT.KAI).
Keunggulan lain dari rem berbahan komposit adalah tidak memiliki salvage value atau nilai jual bahan bekasnya tidak ekonomis, sehingga anti pencurian. Disamping itu gesekan dengan roda tidak menimbulkan percikan api sehingga sangat layak untuk applikasi di kereta parcel (kereta barang) khususnya kereta yang mengangkut bahan yang explosive seperti minyak atau gas dan lain-lain (Agung, 2009).