BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposit
Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi dua atau lebih material baik secara mikro atau makro, dimana sifat material yang tersebut berbeda bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya (Smith, 1996). Komposit juga suatu perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun.
Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antara material harus berikatan dengan kuat,sehingga perlu adanya penambahan wetting agent. Pendapat lain mengatakan bahwa komposit adalah sebuah kombinasi material yang berfasa padat yang terdiri dari dua atau lebih material secara skala makroskopik yang mempunyai kualitas lebih baik dari material pembentuknya (Jacob, 1994). Dari sekian banyak jenis material pembentuk komposit, semuanya dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian, yaitu matriks, material penguat (reinforcement)dan material pengisi (filler).
Komposit dapat didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam, fiber atau serat ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong kemudian dicampur secara acak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-ply laminae), dan lainnya.
komposit antara lain yaitu memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi.
2.1.1 Karakteristik dan Aplikasi Bahan Komposit
Komposit didefinisikan sebagai dua macam atau lebih material yang digabungkan atau dikombinasikan dalam skala makroskopis (dapat terlihat langsung oleh mata)sehingga menjadi material baru yang lebih berguna.
Tahap pertama peringkat atassuatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih atom yang berbeda bolehlah dikatakan sebagai bahan komposit. Ini termasuk alloypolimer dan keramik. Bahan-bahan yang terdiri dari unsur asal saja yang tidak termasuk dalam peringkatini.
Tahap kedua peringkat mikrostruktur suatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih struktur molekul atau fasa merupakan suatu komposit. Mengikuti definisi ini banyak bahan yang secara tradisional dikenal sebagai komposit seperti kebanyakan bahan logam. Contoh besi keluliyang merupakan alloy multifusi yang terdiri dari karbon dan besi.
Tahap ketiga peringkat makrostruktur merupakan gabungan bahan yang berbeda komposisi atau bentuk bagi mendapatkan suatu sifat atau ciri tertentu. Dimana konstituen gabungan masih tetap dalam bentuk asal, dimana dapat ditandai secara fisik dan melihatkan kesan antara muka antara satu sama lain. Dari beberapa definisi diatas,maka dapat disimpulkan bahwa,bahan komposit adalah bahanyang heterogen yang terdiri daridari fasa tersebar dan fasa yangberterusan.
dari komposit. Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi, memiliki biaya perakitan yang lebih murah dan memiliki densitas yang rendah.
2.2 Material Komposit
Material komposit adalah material yang terbuat dari dua bahan atau lebih yang tetap terpisah dan berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk komponen tunggal. Dalam tulisan ini dibahas rekayasa material komposit epoxy dan serat gelas yang diterapkan pada pembuatan bejana tekan. Susunan serat yang digunakan adalah serat yang telah dibentuk sebagai woven 0°, dan 90° fabrics preform. Geometri komponen dirancang dengan memperhatikan bentuk aerodinamika struktur, sehingga dapat mengurangi hambatan (drag) fluida udara ketika digunakan.
Pada umumnya konsep material komposit yang dibuat dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama :
1.Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC) Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut, Polimer Berpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) – bahan ini menggunakan suatu polimer- berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai penguatannya.
2.Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC) Ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida.
2.2.1 Klasifikasi Komposit
Menurut bentuk material penyusunnya, komposit dapat dibedakan menjadi
lima jenis, (M.M Schwartz, 1984) yaitu :
1. Komposit serat (Fibrous composite)
2. Komposit laminat (Laminate composite)
3. Komposit sketal (Filled)
4. Komposit serpih (Flake)
5. Komposit partikel (Particulate composite)
Lembaran komposit disebut sebagai lamina, Serat yang dipakai seperti di
industri pesawat terbang biasanya terbuat dari karbon dan gelas, sedangkan resinnya
adalah epoxy, sejenis polimer. Tebal lamina untuk komposit serat karbon adalah
0.125 mm. Komposit karbon/epoxy ini dibuat dari impregnation ply atau
pre-preg.
Komposit memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari logam, kekakuan
jenis (modulus Young/density) dan kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam.
Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi serat yang berbeda,
gabungan lamina ini disebut sebagai laminat.
Komposit dibentuk dari dua jenis material yang berbeda, yaitu:
1. Penguat (reinforcement), yang mempunyai sifat kurang ductile tetapi
lebih rigid serta lebih kuat, dalam penelitian kali ini penguat komposit yang
digunakan yaitu dari serat glass.
2. Matriks, umumnya lebih ductile tetapi mempunyai kekuatan dan
rigiditas yang lebih rendah.
Secara garis besar ada 3 macam jenis komposit berdasarkan penguat yang
digunakannya, yaitu :
1. Fibrous Composites ( Komposit Serat ) Merupakan jenis komposit
yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat
aramid fibers (poly aramide), dan sebagainya. Fiber ini bisa disusun secara acak
maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih
kompleks seperti anyaman.
Gambar 2.1 Fibrous Composites
2. Laminated Composites ( Komposit Laminat ) Merupakan jenis
komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap
lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri.
Gambar 2.2 Laminated Composites
3. Particulate Composites ( Komposit Partikel ) Merupakan komposit
yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara
merata dalam matriksnya.
Keunggulan komposit dapat dilihat dari sifat-sifat bahan pembentuknya serta
ciri-ciri komposit itu sendiri, antara lain:
1. Bahan ringan, kuat dan kaku.
2. Struktur mampu berubah mengikuti perubahan keadaan sekitarnya.
3. Unggul atas sifat-sifat bahan teknik yang diperlukan, kekuatan yang
tinggi, keras, ringan serta tahan terhadap impak.
Dalam desain struktur pada penelitian ini, jenis matriks yang akan digunakan
adalah Polyester resin BQTN 157 dan penguat serat BKS. Matriks ini tergolong jenis
polimer thermoset yang memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan
penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukannya.
Tabel 2.1. Karakteristik mekanik polyester resin BQTN 157.
Sumber : Georgios Koronis, et al., 2012
2.3 Komposit dari serat alam
Sepanjang kebudayaan manusia penggunaan serat alam sebagai salah satu
material pendukung kehidupan, mulai dari serat ijuk sebagai bahan bangunan, serat
nanas atau tanaman kayu sebagai bahan sandang dan serat alam yang dapat
digunakan untuk membuat tambang. Seiring dengan perkembangan teknologi bahan,
peran serat-serat alam mulai tergantikan oleh jenis bahan serat sintetik seperti serat
material, serat alam kembali “dilirik” oleh peneliti untuk dijadikan sebagai bahan
penguat komposit.
Elastis, kuat, melimpah, ramah lingkungan dan biaya produksi yang lebih
rendah merupakan kelebihan yang dimiliki oleh serat alam. Selain itu juga terdapat
kekurangan dari jenis serat ini terutama kekuatan yang tidak selalu merata. Jenis-jenis
serat alam seperti misalnya ; Sisal , Flex, Hemp, Jute, Rami, Kelapa, mulai digunakan
sebagai bahan penguat untuk komposit polimer. Bahan komposit merupakan hasil
penggabungan dari dua jenis atau lebih bahan yang memberikan sifat berbeda dari
pada bahan-bahan tersebut jika dalam keadaan terpisah. Filosofinya adalah efek
kombinasi dari bahan-bahan penyusunnya.
Umumnya dalam komposit terdapat bahan yang disebut sebagai “matriks” dan
bahan “penguat”. Bahan matriks umumnya dapat berupa logam, polimer, keramik,
karbon. Matriks dalam komposit berfungsi untuk mendistribusikan beban kedalam
seluruh material penguat komposit. Sifat matriks biasanya “ulet” (ductile). Bahan
penguat dalam komposit berperan untuk menahan beban yang diterima oleh material
komposit.
Sifat bahan penguat biasanya kaku dan tangguh. Bahan penguat yang umum
digunakan selama ini adalah serat karbon, serat gelas, keramik. Serat alam sebagai
jenis serat yang memiliki kelebihan-kelebihan mulai diaplikasikan sebagai bahan
penguat dalam komposit polimer.
Gambar 2.4 Serat Batang Kelapa Sawit
Industri yang paling gencar menggunakan serat alam sebagai material penguat
Amerika-Jerman ini mulai meneliti dan menggunakan bahan komposit polimer berbasis serat-serat alam.
Bahan komposit ini terutama digunakan sebagai bahan eksterior mobil. Berdasarkan hasil pengembangan mereka dapat diperoleh bahan komposit polimer – serat alam dengan kekuatan 40% lebih kuat dan lebih ringan daripada komposit polimer-serat gelas. Lebih ringan berarti bisa mengurangi bobot total kendaraan yang pada akhirnya dapat berkontribusi dalam penghematan bahan bakar.
Proses pembuatan komposit berbasis serat alam relatif lebih murah dan lebih ramah lingkungan. Pembuatannya mengkonsumsi energi sekitar 70% lebih rendah dibandingkan komposit polimer-serat gelas. Dari segi ekologi, selain kadar karbon yang dihasilkan saat pembuatan lebih rendah, bahan komposit polimer berbasis serat alam ini dapat didaur ulang untuk digunakan kembali (walaupun dari segi kinerja sudah jauh menurun). Aplikasi yang sudah digunakan sejauh ini adalah komposit polimer diperkuat serat alam untuk proses manufacturing produk otomotif.
Indonesia sebagai Negara dengan keaneka ragaman hayati yang luas memiliki peluang yang besar untuk mengeksplorasi pemanfaatan bahan serat alam sebagai penguat material komposit. Karena sifat kekuatan serat alam ini bervariasi maka pemanfaatannya akan bervariasi mulai dari bahan komposit untuk penggunaan yang ringan dan tidak terlalu memerlukan kekuatan tinggi sampai bahan komposit untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan dan ketangguhan tinggi.
Sejauh ini beberapa institusi pendidikan dan penelitian sudah mulai melakukan penelitian penggunaan serat alam sebagai bahan penguat untuk komposit. Mulai dari serat kelapa, serat eceng gondok, serat aren.
2.4 Uji tarik
Uji tarik adalah suatu metode yang digunakan untuk menguji kekuatan suatu
digunakan untuk mengukur ketahanan suatu material terhadap gaya statis yang
diberikan secara lambat.
Gambar 2.5. Mesin uji tarik dilengkapi spesimen ukuran standar.
Seperti pada gambar 2.5 benda yang di uji tarik diberi pembebanan pada
kedua arah sumbunya. Pemberian beban pada kedua arah sumbunya diberi beban
yang sama besarnya.
Pengujian tarik adalah dasar dari pengujian mekanik yang dipergunakan pada
material. Dimana spesimen uji yang telah distandarisasi, dilakukan pembebanan
uniaxial sehingga spesimen uji mengalami peregangan dan bertambah panjang hingga
akhirnya patah. Pengujian tarik relatif sederhana, murah dan sangat terstandarisasi
dibanding pengujian lain. Hal-hal yang perlu diperhatikan agar penguijian
menghasilkan nilai yang valid adalah bentuk dan dimensi spesimen uji, pemilihan
grips dan lain-lain.
2.4.1 Bentuk dan Dimensi Spesimen uji
Spesimen uji harus memenuhi standar dan spesifikasi dari ASTM D638.
Bentuk dari spesimen penting karena kita harus menghindari terjadinya patah atau
retak pada daerah grip atau yang lainnya. Jadi standarisasi dari bentuk spesimen uji
dimaksudkan agar retak dan patahan terjadi di daerah gage length.
Beban yang diberikan pada bahan yang di uji ditransmisikan pada pegangan
bahan yang di uji. Dimensi dan ukuran pada benda uji disesuaikan dengan estándar
Gambar 2.6. Dimensi dan ukuran spesimen untuk uji tarik
Kurva tegangan-regangan teknik dibuat dari hasil pengujian yang didapatkan.
Gambar 2.7. Contoh kurva uji tarik
Tegangan yang digunakan pada kurva adalah tegangan membujur rata-rata
dari pengujian tarik. Tegangan teknik tersebut diperoleh dengan cara membagi beban
yang diberikan dibagi dengan luas awal penampang benda uji. Dituliskan seperti
dalam persamaan 2.1 berikut:
σ= P/A0………(1) Keterangan ;
σ : besarnya tegangan (kg/mm2 ) P : beban yang diberikan (kg)
Regangan yang digunakan untuk kurva tegangan-regangan teknik adalah
regangan linier rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan yang
dihasilkan setelah pengujian dilakukan dengan panjang awal. Dituliskan seperti
dalam persamaan berikut.
Persamaannya dituliskan dalam persamaan
………(2)
Keterangan :
e : Besar regangan
L : Panjang benda uji setelah pengujian (mm)
Lo : Panjang awal benda uji (mm)
Bentuk dan besaran pada kurva tegangan-regangan suatu logam tergantung
pada komposisi, perlakuan panas, deformasi plastik, laju regangan, temperatur dan
keadaan tegangan yang menentukan selama pengujian. Parameter-parameter yang
digunakan untuk menggambarkan kurva tegangan-regangan logam adalah kekuatan
tarik, kekuatan luluh atau titik luluh, persen perpanjangan dan pengurangan luas. Dan
parameter pertama adalah parameter kekuatan, sedangkan dua yang terakhir
menyatakan keuletan bahan.
Bentuk kurva tegangan-regangan pada daerah elastis tegangan berbanding
lurus terhadap regangan. Deformasi tidak berubah pada pembebanan, daerah
remangan yang tidak menimbulkan deformasi apabila beban dihilangkan disebut
daerah elastis. Apabila beban melampaui nilai yang berkaitan dengan kekuatan luluh,
benda mengalami deformasi plastis bruto. Deformasi pada daerah ini bersifat
permanen, meskipun bebannya dihilangkan. Tegangan yang dibutuhkan untuk
menghasilkan deformasi plastis akan bertambah besar dengan bertambahnya
regangan plastik.
Pada mulanya pengerasan regang lebih besar dari yang dibutuhkan untuk
mengimbangi penurunan luas penampang lintang benda uji dan tegangan teknik
(sebanding dengan beban F) yang bertambah terus, dengan bertambahnya regangan.
dibandingkan pertambahan deformasi beban yang diakibatkan oleh pengerasan
regang. Keadaan ini untuk pertama kalinya dicapai pada suatu titik dalam benda uji
yang sedikit lebih lemah dibandingkan dengan keadaan tanpa beban.
Seluruh deformasi plastis berikutnya terpusat pada daerah tersebut dan benda
uji mulai mengalami penyempitan secara lokal. Karena penurunan luas penampang
lintang lebih cepat daripada pertambahan deformasi akibat pengerasan regang, beban
sebenarnya yang diperlukan untuk mengubah bentuk benda uji akan berkurang dan
demikian juga tegangan teknik pada persamaan (1) akan berkurang hingga terjadi
patah.
Dari kurva uji tarik yang diperoleh dari hasil pengujian akan didapatkan
beberapa sifat mekanik yang dimiliki oleh benda uji, sifat-sifat tersebut antara lain
[Dieter, 1993]:
1. Keuletan dari material
2. Modulus elastic dari material
2.4.2 Pengukuran Keliatan (keuletan)
Keuleten adalah kemampuan suatu bahan sewaktu menahan beban pada saat
diberikan penetrasi dan akan kembali ke baentuk semula.Secara umum pengukuran
keuletan dilakukan untuk memenuhi kepentingan tiga buah hal [Dieter, 1993]:
Untuk menunjukan elongasi di mana suatu logam dapat berdeformasi tanpa
terjadi patah dalam suatu proses suatu pembentukan logam, misalnya pengerolan dan
ekstrusi.
Untuk memberi petunjuk secara umum kepada perancang mengenai
kemampuan logam untuk mengalir secara pelastis sebelum patah. Sebagai petunjuk
adanya perubahan permukaan kemurnian atau kondisi pengolahan.
2.4.3 Modulus Elastisitas
Modulus Elastisitas adalah ukuran kekuatan suatu bahan akan
keelastisitasannya. Makin besar modulus, makin kecil regangan elastik yang
antar atom, karena gaya-gaya ini tidak dapat dirubah tanpa terjadi perubahan
mendasar pada sifat bahannya. Maka modulus elastisitas salah satu sifat-sifat
mekanik yang tidak dapat diubah. Sifat ini hanya sedikit berubah oleh adanya
penambahan paduan, perlakuan panas, atau pengerjaan dingin.
Secara matematis persamaan modulus elastic dapat ditulis sebagai berikut.
………(3)
Keterangan ;
E : Besar modulus elastisitas (kg/mm2), e : regangan
σ : Tegangan (kg/mm2)
Tabel 2.2 Harga modulus elastisitas pada berbagai suhu [Askeland, 1985]
Modulus Elastisitas, psi x 106
Bahan Suhu Kamar 4000F 8000F 10000F 12000F
Baja Karbon 30,0 27,0 22,5 19,5 18,0
Baja Tahan Karat Austenit 28,0 25,5 23,0 22,5 21,0
Paduan Titanium 16,5 14,0 10,7 10,1
Paduan Aluminium 10,5 9,5 7,8
2.5 Kekuatan Tekan
Kekuatan tekan adalah kapasitas dari suatu bahan atau struktur dalam
menahan beban yang akan mengurangi ukurannya. Kekuatan tekan dapat diukur
dengan memasukkannya ke dalam kurva tegangan-regangan dari data yang
didapatkan dari mesin uji. Beberapa bahan akan patah pada batas tekan, beberapa
mengalami deformasi yang tidak dapat dikembalikan. Deformasi tertentu dapat
dianggap sebagai batas kekuatan tekan, meski belum patah, terutama pada bahan
yang tidak dapat kembali ke kondisi semula (irreversible). Pengetahuan mengenai
dapat diukur dengan mesin uji servo. Pengujian kekuatan tekan, seperti halnya
pengujian kekuatan tarik, dipengaruhi oleh kondisi pengujian (penyiapan spesimen,
kondisi kelembaban dan temperatur ruang uji, dan sebagainya).
Pada umumnya material komposit dibentuk dalam dua jenis fasa, yaitu fasa
matriks dan fasa penguat. Fasa matriks adalah material dengan fasa kontinu yang
selalu tidak kaku dan lemah. Sedangkan fasa penguat selalu lebih kaku dan kuat,
tetapi lebih rapuh. Penggabungan kedua fasa tersebut yang dilakukan secara
makroscopik menghasilkan material yang dapat mendistribusikan beban yang
diterima disepanjang penguat, sehingga material menjadi lebih tahan terhadap
pengaruh beban tersebut.
Perilaku mekanik dapat didefinisikan sebagai suatu reaksi yang timbul akibat
dari adanya suatu aksi atau gangguan. Sebagai contoh salah satu gangguan yang
diberikan terhadap suatu material adalah gaya, dan respon yang ditimbulkan akibat
gaya yang diberikan tersebut adalah berupa tegangan, regangan, retak, patah, dan
lain-lainnya. Respon yang dihasilkan tentunya dapat memberikan informasi mengenai
sifat dan kerakteristik suatu material tersebut.
Penyelidikan respon statik suatu material atau struktur merupakan rangkaian
kegiatan dalam mempelajari perubahan bentuk dan kerusakan akibat pembebanan
tertentu. Kegiatan tersebut merupakan tindakan dasar untuk menanggulangi
terjadinya kegagalan material dalam aplikasi teknik. Salah satu kegiatan yang paling
dasar adalah melakukan pengujian dengan pembebanan tertentu terhadap sejumlah
sampel. Setelah respon material secara kualitatif diperoleh dari hasil pengujian atau
data yang tersedia, maka kesempatan untuk berhasil dalam mendesain suatu struktur
tertentu dapat dievaluasi. Respon dinamik material disebabkan beberapa faktor bukan
hanya dibatasi dengan tekanan statik dan dinamik saja melainkan tingkat kapasitas
pembebanan segala arah dan beberapa impuls kondisi pembebanan.
2.5.1 Beban Tekan Statik Aksial
Perilaku mekanik yang terjadi terhadappolymeric foam dapat dilihat melalui
setiap jenis pembebanan.
Untuk beban statik aksial, tipikal kurva tegangan-regangan ditunjukkan pada
Gambar 2.8. Disepanjang garis kurva terdapat tiga tingkat respon, yaitu: perilaku
elastis (linear-elastic respon), plastisitas (plateau), dan densification yang ditandai
dengan peningkatan tegangan yang sangat cepat. Pada fasa pertama (linear-elastic
respon) tegangan bertambah secara linear dengan perubahan bentuk dan regangan
yang terjadi. Fasa kedua (plateau) adalah karakteristik yang ditandai dengan
perubahan bentuk yang kontinu pada tegangan yang relatif konstan yang dikenal
dengan stress atau collapse plateau. Dan fasa ketiga deformasi adalah densifikasi,
dimana tegangan (stress) meningkat tajam dan foam mulai merespon dengan
pemadatan solid. Pada fasa ini struktur sel material foam mengalami kegagalan dan
deformasi, selanjutnya menerima penekanan dari material foam padat tersebut.
Mekanisme yang dikaitkan dengan collapse plateau adalah berbeda-beda tergantung
pada sifat dinding sel.
Gambar 2.8. Tipikal kurva respon tegangan-regangan terhadap material
foamakibat beban tekan statik aksial.
Untuk foam yang fleksibel, collapse plateau terjadi karena tekuk elastik
(elastic buckling)dari dinding sel. Untuk kekakuan dan kegetasan foam, plastic yield
dan brittle crushing dinding sel adalah mekanisme utama kegagalan yang
berulang-ulang. Secara skematis, pengujian beban tekan statik diilustrasikan pada Gambar 2.9.
![Tabel 2.2 Harga modulus elastisitas pada berbagai suhu [Askeland, 1985]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3914742.1863002/13.612.110.535.377.503/tabel-harga-modulus-elastisitas-pada-berbagai-suhu-askeland.webp)
