1
1
.
.
A
A
g
g
i
i
l
l
S
S
e
e
n
n
o
o
A
A
j
j
i
i
(
(
1
1
6
6
1
1
9
9
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
9
9
1
1
)
)
2.
2.
Dwi
Dwi
Velidatur
Velidatur
Maulida
Maulida
(1619101
(1619101
01095)
01095)
3.
3.
Ega
Ega
Bagaskara
Bagaskara
(1619101
(1619101
01101)
01101)
4
4
.
.
P
P
u
u
t
t
r
r
i
i
N
N
u
u
r
r
H
H
i
i
d
d
a
a
y
y
a
a
h
h
(
(
1
1
6
6
1
1
9
9
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
6
6
)
)
5.
5.
Abdul
Abdul
Rahman
Rahman
Yamin
Yamin
Z(1619101
Z(1619101
01107)
01107)
Kelompok 6
Kelompok 6
Pendahuluan
Pendahuluan
Ceramic matrix composites (CMCs) adalahCeramic matrix composites (CMCs) adalah subgrup dari material komposit sebagaimana subgrup dari material komposit sebagaimana subgroup dari keramik teknik.
subgroup dari keramik teknik.
•
• CMC terdiri dari fiber keramik yang diletakkan CMC terdiri dari fiber keramik yang diletakkan
pada matriks keramik, sehingga membentuk pada matriks keramik, sehingga membentuk sebuah material
sebuah material ceramic fiber reinforced ceramic fiber reinforced ceramic (CFRC).
ceramic (CFRC).
•
• Matriks dan fiber dapat terdiri dari berbagai jenis Matriks dan fiber dapat terdiri dari berbagai jenis
material keramik, dimana karbon dan fiber material keramik, dimana karbon dan fiber
carbon juga dapat dianggap sebagai material carbon juga dapat dianggap sebagai material keramik.
Gelas, gelas-keramik dan
Gelas, gelas-keramik dan
keramik merupa
keramik merupa
kan
kan
material yang memiliki nilai
material yang memiliki nilai
modulus Young
modulus Young
(stiffness) yang tinggi, kekuatan kompresi yang
(stiffness) yang tinggi, kekuatan kompresi yang
baik dan sedikit
baik dan sedikit
lebih padat dibandingkan dari
lebih padat dibandingkan dari
kebanyakan logam struktural.
kebanyakan logam struktural.
Penggunaan
Penggunaan
material
material
gelas,
gelas,
gelas-keramik
gelas-keramik
dan keramik sangat terbatas pada
dan keramik sangat terbatas pada
aplikasi
aplikasi
struktural, yang disebabkan oleh
struktural, yang disebabkan oleh
kerapuhan,
kerapuhan,
ketahanan patahan yang
ketahanan patahan yang
rendah,sensitivitas
rendah,sensitivitas
terhadap cacat, dan kekuatan tarik yang
terhadap cacat, dan kekuatan tarik yang
sangat rendah pada kondisi
sangat rendah pada kondisi
bulk.
bulk.
Fasa fill
Fasa fill
er mampu
er mampu
meningkatkan
meningkatkan
toleransi
toleransi
terhadapkerusakan (toleransi toughness),
terhadapkerusakan (toleransi toughness),
meningkatkan reliabil
meningkatkan reliabil
itas
itas
(modulus yang tinggi)
(modulus yang tinggi)
dan kekuatan kelenturan dan
dan kekuatan kelenturan dan
tegangan yang
tegangan yang
tinggi.
Hal utama yang mempengaruhi sifat komposit
adalah bentuk dari fasa filler/fibernya.
Komposit dengan fiber yang kontinu memiliki
kemungkinan lebih kuat dan tangguh
dibandingkan yang mengandung partikulat.
Sedangkan komposit yang mengandung
whisker dan platelet berada pada daerah
transisi dari fasa fiber yang kontinu dengan
partikulat.
Secara umum fasa filler dari material yang
isotropik akan membentuk komposit dengan
sifat-sifat isotropik. Dengan demikian, partikulat
yang bulat sebagai inklusi kedalam material
gelas, gelas-keramik dan keramik akan
menghasilkan komposit dengan sifat mekanik
yang isotropik.
Inklusi material kecil yang anisotropik seperti whisker dan platelet akan menghasilkan komposit yang
memiliki sifat mikroskopik yang anisotropik, namun sifat secara makroskopiknya akan isotropik, yang akan terjadi dengan asumsi orientasi inklusi terjadi secara acak.
Penyusunan fiber kontinu yang anisotropik ke dalam material gelas, gelas-keramik dan keramik umumnya akan membentuk komposit yang memiliki sifat
mekanik dengan anisotropik yang tinggi juga.
Fasa filler yang membentuk struktur internal CMC lainnya adalah material komposit yang terdiri atas berlapis-lapis fasa filler, partikel yang disusun gradasi (Functionally Gradient Material=FGM), material
Fitur berikut sangat penting dalam mengevaluasi data bending (kelenturan) dan tensile (kuat tarik) dari material CMC:
Material CMC dengan kandungan matriks rendah (di bawah nol) mempunyai tensile strength yang tinggi (menutupi tensile strength dari fiber), tetapi bending strength nya rendah.
Material CMC dengan kandungan fiber rendah (di bawah nol) mempunyai bending strength tinggi
(menutupi strengthnya keramik monolitik), tetapi tidak ada elongasi melebihi 0.05% beban tensile.
Komposit matriks keramik yang diperkuat dengan fiber kontinu menunjukkan adaya perilaku kausi-perpatahan ulet seiring dengan panjangnya fiber. Ketangguhan perpatahan material ini mampu lebih
dari20 M Pa m1/2 apabila antara fiber dan matriks terbentuk antarmuka yang lemah.
Sedangkan komposit matriks keramik yang diperkuat partikulat atau whisker, menunjukan perilaku
kerapuhan diiringi dengan peningkatan kekuatan dan ketangguhan perpatahan. Ketangguhan
perpatahan material tersebut berkisar 10 M Pa m ½ atau lebih.
Material yang rapuh yang mengandung
fasa filler terdispersi memiliki kemampuan
kekuatan yang tinggi dibandingkan
material yang homogen.
Kekuatan meningkat seiring dengan
peningkatan fraksivolum partikel terdispersi
dan akan menurun seiring menurunnya
faksi volum partikel terdispersi.Kekuatan
dipengaruhi oleh jarak partikel. Pengaruh ini
tidak hanya ditemukan pada sistem dispersi
partikel kuat saja tetapi ditemukan juga
pada sistem yang mengandung
kekosongan disebabkan ujung retakan
mengalami penumpulan yang terlokalisir
pada kekosongan.
Pada Gambar 1, ditunjukkan ilustrasi
retakan yang melengkung diantara dua partikel terdispersi. Jarak antara partikel
memegang peranan terhadap peningkatan fraksi muka retakan per satuan
penambahan panjangnya. Dengan asumsi energi perpatahan tidak hanya bergantung pada luas permukaan yang baru terbentuk saja, tetapi bergantung
juga pada panjang dari muka retakan yang baru terbentuk.
Gambar 1. Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi.
Besar laju pelepasan energi regangan dari retakan yang terdefleksi
mampu meningkatkan ketangguhan perpatahan. Butir dengan bentuk batang sangat efektif untuk mendefleksikan rambatan retakan.
Mekanisme defleksi retakan
yang meningkatkan ketangguhan keramik disebabkan adanya tegangan sisa
Gambar 2. Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat
adanyategangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal.
Pada Gambar 2, ditunjukan resultan tegangan tarik yang terjadi pada matriks menyebabkan terjadinya defleksi retakan disekitar partikel yang membuat
Tegangan sisa pada partikel terdispersi diakibatkan oleh
koefisien muai termal yang berbeda yang terjadi saat pendinginan pada proses termal.
Tegangan sisa secara spontan menyebabkan retakan
mikro. Bila tegangan sisa lebih rendah dari kekuatan lokal pada material, tegangan internal akan tetap berada di dalam material. Dalam kondisi tersebut, pemberian
tegangan akan menyebabkan retakan mikro pada ujung retakan dimana terbentuk tegangan lokal yang besar, hal ini terjadi karena tegangan yang diberikan akan
mengurangi ukuran kritis retakan miko dari retakan mikro spontan. Mekanisme dari retakan mikro diawali dari
munculnya retakan mikro pada ujung retakan. Terjadi perluasanarea retakan mikro menuju retakan sehingga membentuk lapisan retakan yang megakibatkan adanya tegangan kompresi padapermukaan retakan dan
menyebabkan peningkatan ketangguhan perpatahan .
Mekanisme lainnya adalah ketangguhan
akibat dari perubahan fasa material.
Mekanisme peningkatan ketangguhan akibat
transformasi fasa adalah serupa dengan
retakan mikro dimana tegangan kompresi
terbentuk pada antarmuka retakan akibat
perluasan volume.
Perubahan fasa mengakibatkan perubahan
volume dan morfologi partikel diujung retakan,
dan mengubah distribusi tegangan.
Peningkatan ketangguhan perpatahan
dihasilkan oleh tegangan sisa kompresi pada
ujung retakan.
Komposit dengan susunan fiber sepanjang tegangan tarik, akan
memperoleh kekuatan perpatahan dan energi perpetahan yang tinggi.
Energi perpatahan yang tinggi umumnya diperoleh ketika fiber
yang panjang menjulur sepanjang permukaan perpatahan, karena tegangan geser antara fiber dengan matriks
menghambarambatan retakan selama proses penarikan.
Antramuka yang lemah akan mengakibatkan lepasnya fiber
darimatriks yang menjadi penting untuk menghasilkan komposit yang tangguh.
Perpindahan tegangan yang serupa antara permukaan retakan
juga terjadi pada keramik polikristalin. Hal ini mengakibatkan peningkatan dalam ketangguhan perpatahan karena
jembatan butir memindahkan tegangan yang menghambat pentumbuhan retakan. Tegangan yang dijembatani dihasilkan oleh berbagai proses mikro, seperti interlocking gesekan,
Dalam memperoleh keunggulan maksimum dari fiber sebagai penguat diperlukan penyusunan secara
paralel terhadap arah tegangan yang akan diberian.
Bila sudut fiber dan tegangan tidak paralel dalam penyusunannya, kekuatan dan ketangguhan
patahan dari komposit akan menurun dengan cepat.
Penurunan kekuatan mencapai nilai minimum pada saat arah tegangan yang bekerja pada komposit
tegak lurus dengan arah fiber.
Meskipun CMC yang diperkuat fiber memberikan hasil yang baik, mekanisme patahannya sangat berbeda dari material gelas, gelas-keramik dan keramik.
Pada kurva tegangan dan regangan CMC yang diperkuat fiber ada tiga (3) daerah yang berbeda seperti pada Gambar 3, yaitu:
Daerah pertama, adalah daerah penambahan regangan linier seiring penambahan tegangan. Aplikasi siklus pada komposit di daerah ini akan menghasilkan
kelelahan minimal.
Daerah kedua berawal pada saat tingkat tegangan mendekati nilai regangan ultimat dari matriks yang tidak diperkuat. Siklus kelenturan pada daerah ini menyebabkan kelelahan komposit. Derajat penuaan CMC sebanding dengan rasio siklus tegangan terhadap kekuatan ultimat komposit. Kemampuan siklus dari CMC yang diperkuat fiber pada daerah kedua ini merupakan ukuran intrinsik “toleransi kerusakan” material ini.
Daerah ketiga berawal dari titik kekuatan ultimat komposit. Titik awal daerah ini merupakan patahan dari fiber penguatnya.
Gambar 3. Grafik hubungan stress-strain
untuk CMC yang diperkuat dengan fiber
CMC yang diperkuat oleh partikulat isotropik dapat memberikan
sifat mateial yang baik dan isotropik secara 3 dimensi.
1. Material seperti ini memiliki kekuatan tarik, kelenturan dan
ketangguhan patahan yang lebih rendah dibandingkan dengan CMC yang diperkuat dengan fiber kontinu.
2. Karakteristik mekanik dari CMC yang mengandung patikulat,
berasal dari interaksi antara material penguat dengan material matriks.
3. Pada komposit yang mengandung partikulat, terjadi interaksi
kimia dan perubahan pada koefisien muai termal antara matriks dan fillernya. Sedangkan mekanisme patahan CMC yang diperkuat menggunakan partikulat umumnya serupa dengan matriksnya dibandingkan CMC yang diperkuat fiber kontinu.
Gambar 4. Grafik hubungan stress-strain untuk CMC yang diperkuat dengan partikulat.
Pada CMC diperkuat partikulat sangat menjanjikan untuk
pengembangan komposit dengan biaya yang rendah. Produk yang dihasilkanpun menarik secara komersil karena biaya yang efektif
dan secara teknis mempunyai kehandalan yang tinggi. CMC inipun sangat luas penggunaannya baik untuk industri ataupun domestik.
Pada komposit fasa nano keramik dapat dibagi dua kelompok berdasarkan ukuran butir dari matriks-nya: 1) matriks dengan ukuran mikrometer dan 2) matriks dengan ukuran nanometer.
Kelompok pertama
adalah matriks dengan ukuran mikrometer yang
mendispersi fasa kedua yang ukurannya nanometer. Fasa kedua sangat mempengaruhi mikrostruktur
komposit dan sifat-sifatnya. Klasifikasi dari distribusi
fasa kedua didalam matriks dapat bagi menjadi tiga bagian yaitu, intragranular, intergranular dan
Kelompok kedua
dari kompost fasa nano keramik merupakan
komposit dengan matriks yang nanokristalin,
dikenal juga sebagai keramik nano, dimana
ukuran butir dari matriks dibawah 100nm.
Jenis mikrostruktur nano-nano akan terbentuk
bila fasa kedua juga dalam ukuran nano.
Keramik nano menunjukkan sifat-sifat yang
menjanjikan dalam mekanisme deformasi bila
ukuran butir diperkecil mendekati 100 nm.
Keramik nano menunjukkan juga ketangguhan
yang tinggi, dimana mekanisme ketangguhan
yang terbaru disebut Ferroelectric Domain
Switching, yang berbeda dari jenis komposit
keramik mikro-nano.
Komposit mikro-nano awalnya menggunakan
material penguat yang keras dan terdispersi kuat, seperti Si3C,Si3N4,TiC dan lainnya, dimana tujuan utamanya adalah meningkatkan sifat mekanik. Namun kini, peningkatan kekuatan patahan juga
dapat dicapai dengan menambahkan material penguat baik yang lunak dan terdispersi lemah seperti logam, grafit dan h-BN.
Densitas, mikrostruktur dan sifat mekanik dari
material penguat partikulet yang berukuran nano dalam komposit nano sangat dipengaruhi oleh fraksi volum dari partikulat dan kondisi sintering.
Pada keramik jenis nano-nano, material nano kristalin sebagai matriks dan fasa penguat
memberikanpeningkatan pada sifat mekanik komposit.
Conventional mixing and pressing
Problems: 1. nonuniform mixing
2. low volume fraction of reinforcement
Teknik densifikasi komposit akan berbeda untuk tiap-tiap jenis penguat pada komposit.
Tabel 3. Teknik densifikasi untuk komposit matriks kemarik.
Ket:
HAP (hot atmospheric pressure processing) : proses panas dengan tekanan atmosfer HUP (hot uniaxial pressure processing) : proses panas dengan tekanan uniaxial HIP (hot isostatic pressure processing) : proses panas dengan tekanan isostatik
Pembuatan komposit yang mengandung partikulat sering menggunakan tekanan atmosfer. Material
penguat yang terarah akan meningkatkan densifikasi pada komposit yang diperlukan dalam optimasi sifat-sifat mekanik.
Sedangkan untuk meminimalisasi porositas komposit dengan penguat whisker dan fiber kontinu dengan matriks yang dibuat dari serbuk, sangat diperlukan prosedur penekanan panas.
Sintering dengan tekanan atmosfer seringkali digunakan dalam pembuatan komposit yang mengandung platelet yang jumlahnya rendah, sedangkan untuk memperoleh komposit dengan
porositas yang rendah pada platelet dengan jumlah yang tinggi, pembuatannya dapat menggunakan prosedur dengan penekanan panas.
Matriks dari serbuk dengan penguat fiber kontinu dapat dibuat
dengan berbagai teknik seperti penekanan, slip-casting, ekstrusi dan tape-casting.
Pembuatan berbagai bentuk mulai dari bentuk pelat hingga
bentuk yang kompleks dapat diperoleh melalui prosedur sintering dengan tekanan atmosfer pada komposit dengan penguat partikulat.
Bentuk produk kompleks yang dapat dipenuhi sangat terbatas
pada komposit dengan penguat whisker dan fiber dengan matriks dari serbuk dengan penekanan panas unidirectional.
Pembuatan produk dengan bentuk yang kompleks dari serbuk
sangat memerlukan penggunaan penekantan panas isostatik.
Tingginya biaya proses penekanan panas dalam pembuatan
Susunan ion sederhana dalam ikatan
padatan secara ionik ditentukan oleh
faktor-faktor berikut:
Ukuran relatif ion-ion pada padatan ionik.
