Komposit
Teknologi modern mempersyaratkan material dengan kombinasi sifat yang tidak dipenuhi oleh paduan logam, keramik, dan polimer
Aplikasi teknologi modern: Aerospace
Underwater
Komposit
Pesawat terbang perlu sifat: 9Low densities
9Strong 9Stiff
9Abrasion and impact resistant 9Not easily corroded
In generally, Strong materials are: 9relatively dense
9increasing strength and results in a decrease in impact strength
Jenis material yang merupakan gabungan 2 atau lebih material yang berbeda sehingga diperoleh material baru dengan sifat yang lebih baik dan tidak dimiliki oleh komponen penyusunnya
¾
Matrix - fasa dominan
¾
Reinforcement – fasa minoritas
Komponen:
Komposit
Aplikasi :
Pesawat terbang
Otomotif
Komposit
Matrix
+
Reinforcement
¾ Polimer (resin) ¾ Logam (Al, Ni) ¾ Keramik (Al2O3, SiO2 ¾ Serat karbon ¾ Serat gelas ¾ Serat aramid (Kevlar)
Fungsi matrik dan serat
Fungsi matrik:
Mengikat dan melindungi serat
Meneruskan dan membagi beban ke
serat
Fungsi serat:
Sifat umum komposit
¾ Ringan ¾ Kuat ¾ Kaku
¾ Tangguh
¾ Tahan abrasi dan impak ¾ Tidak mudah terkorosi
Sifat merupakan fungsi:
Sifat fasa penyusunnya
Jumlah/konsentrasi fasa penyusunnya
Geometri dan ukuran fasa terdispersi (partikel/serat)
Klasifikasi Komposit
Composites Large-particle Structural Fiber-reinforced Particle-reinforced Dispersion-strengthened Continuous (aligned) Discontinuous (short) Aligned Random Laminates SandwichLarge-particle composites
Interaksi partikel-matrik tidak terjadi pada
level atom atau molekul
Ukuran partikel > 100 nm
Partikel lebih keras dan kaku daripada
matrik
Peningkatan sifat mekanik tergantung
pada kekuatan antar muka partikel-matrik
Dispersion-strengthened composites
Ukuran partikel < 10-100 nm
Interaksi partikel-matrik terjadi pada
level atom atau molekul
Mekanisme penguatannya sama
dengan pengerasan presipitasi
Serat (fibre)
Whisker
single crystal dan high aspect
ration
Contoh; graphite, S
iC, S
iN, Al
2O
3
Fiber
polycrystalline dan berdiameter
kecil
Wire
Fiber-Reinforced Composites
Tujuan disain komposit yang diperkuat serat:
9High specific strength 9High specific stiffness
Dimana:
Òspecific strength = ratio of tensile strength to specific gravity
ÒSpecific stiffness = ratio of elasticity modulus to specific gravity
Pengaruh panjang serat
Sifat mekanik fiber-reinforced composites bergantung:
9Sifat serat
9Tingkat load/beban yang dipindahkan ke serat oleh matrik Î besar ikatan antar muka antara matrik dengan serat
Panjang kritis serat (l
c
)
Di mana:
9 = kekuatan tarik serat
9 = kekuatan ikatan matrik-serat atau kekuatan geser matrik 9d = diameter serat
Penjelasan profil tegangan
a. l = lc Î beban maksimum serat dicapai pada posisi tengah-tengah
b. l > lc Î penguatan serat lebih efektif c. l < lc Î penguatan serat sedikit, tidak
ada tranfer tegangan
l > 15 l
cÎ continous fiber
Continuous and aligned fiber composites
Longitudinal Transversal f m cF
F
F
=
+
f f m m c cA
σ
A
σ
A
σ
=
+
c f f c m m cA
A
A
A
σ
σ
σ
=
+
f f m m cσ
V
σ
V
σ
=
+
f m cε
ε
ε
=
=
f f f m m m c cV
V
ε
σ
ε
σ
ε
σ
+
=
Untuk Pembebanan Arah Longitudinal:
Untuk beban longitudinal: bersifat isostrain Î
f m c
F
F
F
=
+
f f m m c cA
σ
A
σ
A
σ
=
+
c f f c m m cA
A
A
A
σ
σ
σ
=
+
f f m m cσ
V
σ
V
σ
=
+
f m cε
ε
ε
=
=
f f f m m m c cV
V
ε
σ
ε
σ
ε
σ
+
=
Untuk Pembebanan Arah Longitudinal:
Continuous and aligned fiber composites
Longitudinal Transversal f f m m l cE
V
E
V
E
=
+
f f f m l cE
V
E
V
E
=
(
1
−
)
+
OrContinuous and aligned fiber composites
m m f f c TS V TS V TS ) ( ) ( ) ( = + m m f f m f V E V E F F =Untuk kekuatan tarik (tensile strength = TS)
Untuk beban longitudinal, perbandingan beban yang diderita serat dengan matrik:
m m f f c TS V TS V TS ) ( ) ( ) ( = + m m f f m f V E V E F F =
Untuk kekuatan tarik (tensile strength = TS)
Continuous and aligned fiber composites
Keterangan:
c
F = beban yang diderita komposit
f
F = beban yang diderita serat
m
F = beban yang diderita matrik
c
σ = tegangan untuk komposit
f
σ = tegangan untuk serat
m
σ = tegangan untuk serat
c
A = luas penampang melintang untuk komposit
f
A = luas penampang melintang untuk serat
m
Continuous and aligned fiber composites
f
V = fraksi volum untuk serat
m
V = fraksi volum untuk matrik
c
ε = regangan untuk komposit
f
ε = regangan untuk serat
m
ε = regangan untuk matrik
cl
E = modulus elastisitas untuk komposit arah longitudinal
f
E = modulus elastisitas untuk serat
m
E = modulus elastisitas untuk matrik
c
TS )
( = kekuatan tarik untuk komposit
f
TS )
( = modulus elastisitas untuk serat
m
TS )
Continuous and aligned fiber composites
f m cσ
σ
σ
=
=
m m f f cε
V
ε
V
ε
=
+
Untuk Pembebanan Arah Transversal:
Î bersifat isostress = tegangan sama untuk komposit, serat, dan matrik.
Ingat rumus: E σ ε = f f f m m m ct c V E V E E σ σ σ + = f m c
σ
σ
σ
=
=
m m f f cε
V
ε
V
ε
=
+
f m cσ
σ
σ
=
=
m m f f cε
V
ε
V
ε
=
+
Untuk Pembebanan Arah Transversal:
Î bersifat isostress = tegangan sama untuk komposit, serat, dan matrik.
Ingat rumus: E σ ε = f f f m m m ct c V E V E E σ σ σ + =
Continuous and aligned fiber composites
Dimana
Ect= modulus elastisitas komposit arah transversal.
Karena
σ c = σ m = σ fmaka,
f f m m ct E V E V E = + 1 m f f f f m m f f m f m ct V E V E E E E V E V E E E = + = (1 − ) + 1Ingat
V f + Vm = 1E
ctContoh soal
Komposit tersusun 40% serat gelas lurus-kontinyu dan 60% resin poliester. Modulus elastisitas serat gelas adalah 69 GPa sedangkan modulus elastisitas resin poliester kondisi mengeras adalah 3,4 GPa. Tentukan:
a. Modulus elastisitas komposit pada arah
longitudinal
b. Beban yang diderita oleh fasa serat dan matrik,
jika cross-section area 250 mm2 dan tegangan
50 MPa diberikan pada arah longitudinal
c. Regangan pada serat dan matrik jika tegangan pada b diberikan
d. Tensile strength komposit, jika tensile strength serat 3,5 GPa dan tensile strength resin poliester 69 MPa
POLYMER-MATRIX COMPOSITES
Komposit yang tersusun dari resin polimer sebagai matrik dengan serat sebagai bahan penguat
GLASS FIBER-REINFORCED POLYMER
COMPOSITES (GFRP)
CARBON FIBER-REINFORCED POLYMER
COMPOSITES (CFRP)
ARAMID FIBER-REINFORCED POLYMER
SERAT GELAS (FIBER GLASS)
Murah – paling banyak digunakan sebagai penguat Sifat bervariasi dari rendah hingga medium
Sifat impaknya baik
Konduktivitas listrik rendah
Regangan kegagalan lebih tinggi dari serat karbon E-Glass : kuat, kaku, bersifat listrik
S-Glass : kekuatan dan modulus tinggi,
aircraft application
C-Glass : tahan kimia Relatif berat
Mudah menyerap air
SERAT GELAS (FIBER GLASS)
Aplikasi :
¾ Bodi kapal
¾ Bodi otomotif
SIFAT MATERIAL
Material Modulus Strength Relative density Steels 203 600-2000 7,3 Aluminium 75 70-80 2,6 Carbon fiber (HM) 340 2500 1,9 Carbon fiber (HS) 230 3200 1,8 Aramid fiber 124 2800 1,45 Glass fiber 76-86 1700 2,5
SERAT CARBON (FIBER CARBON)
Dapat terbuat dari PAN (polyacrylonitrile) or
Pitch
Ringan
Performa tinggi
Kekuatan tinggi - modulus medium - tinggi Modulus rendah – kekuatan medium
-rendah
Konduktivitas termal dan listrik rendah
Relatif mahal
Penampang melintang isotropik
SERAT ARAMID (FIBER ARAMID)
Kekuatan tarik tinggi
Ketangguhan dan Modulus tinggi Konduktivitas listrik rendah
Ketahanan kimiawi tinggi Penyusutan termal rendah
Konduktivitas termal dan listrik rendah Kestabilan dimensinya sangat baik
Tahan potongnya tinggi Tahan nyala api
Mudah menyerap air (hygroscopic)
Problem dalam kekuatan tekan
MATRIK KOMPOSIT
RESIN TERMOSET
¾ Polyester (GRP) – murah dan aplikasi luas ¾ Epoxy – lebih mahal dan sifat mekanik
lebih baik
¾ Phenolics – tahan api
¾ Polyimides temperatur tinggi – sangat mahal
POLIMER TERMOPLASTIK
¾ Polypropylene – termurah, + serat gelas
¾ Nylon – banyak dipakai industri, dgn serat gelas ¾ Polycarbonate
MATRIAL PENGUAT SERAT LAINNYA
¾
Boron – sudu rotor helikopter
¾Silikon karbida - roket
METAL-MATRIX COMPOSITES
Komposit yang tersusun dari matrik logam,
logamnya biasanya ulet
MATRIK ¾ Al ¾ Mg ¾ Ti ¾ Cu ¾ Ni ¾ Co PENGUAT ¾ Partikel ¾ Wisker ¾ C, SiC,B, Al2O3 ¾ W
CERAMIX-MATRIX COMPOSITES
Komposit yang tersusun dari matrik keramik
MATRIK ¾ Al2O3 ¾ ZrO2 ¾ SiC ¾ Si3N4 PENGUAT ¾ Wisker SiC ¾ Al2O3
CARBON-CARBON COMPOSITES
Komposit yang tersusun dari matrik karbon
dan diperkuat serat karbon
¾
Relatif baru dan mahal
¾
Modulus elastisitas dan kekuatan tariknya tinggi
¾Tahan suhu tinggi (lebih dari 2000°C)
¾
Tahan terhadap creep (mulur)
¾
Nilai ketangguhan terhadap retaknya tinggi
¾Low coefficient of thermal expansion
¾
High thermal conductivity
¾
Low susceptibility to thermal shock
¾High-temperature oxidation
CARBON-CARBON COMPOSITES
Aplikasi :
¾
Rocket motor
¾
Friction materials in aircraft dan
high-performance automobiles
¾
Hot-pressing molds
¾
Components in advanced turbine
HYBRID COMPOSITES
Komposit yang tersusun dari dua atau lebih
jenis serat yang berbeda dan matrik tunggal
¾
Relatif baru dan mahal
¾
Modulus elastisitas dan kekuatan tariknya tinggi
¾Tahan suhu tinggi (lebih dari 2000°C)
¾
Tahan terhadap creep (mulur)
¾
Nilai ketangguhan terhadap retaknya tinggi
¾Low coefficient of thermal expansion
¾
High thermal conductivity
¾
Low susceptibility to thermal shock
¾High-temperature oxidation
HYBRID COMPOSITES
Aplikasi :
¾
Komponen
struktural
transportasi
udara, air, dan darat
¾
Alat olah raga
¾
Komponen orthopedik ringan
Contoh:
glass-carbon hybrid
(serat karbon+serat gelas+matrik resin)
Î Lebih kuat dan tangguh, ketahanan impak
PROCESSING OF FIBER-REINFORCED COMPOSITES
PULTRUSION
PREPREG
PULTRUSION
Untuk
memproduksi
komponen
yang
memiliki
panjang
kontinyu
dan
bentuk
dengan
penampang
melintang
konstan
(batang, pipa, balok)
PULTRUSION
Ò Mula-mula
gulungan
serat
kontinyu
dilewatkan
di
dalam
resin termoset,
kemudian ditarik melewati dies/cetakan
baja untuk membentuk sesuai keinginan
dan juga menetapkan perbandingan resin
dengan serat
Ò Kemudian
melewati
curing die yang
dimesin presisi sehingga menghasilkan
bentuk final, die ini juga dipanaskan untuk
mengawali curing dari matrik resin
Ò Puller (penarik) menarik melalui dies dan
PULTRUSION
Ò
Penguat utama; serat gelas, karbon, aramid
(40-70%)
Ò
Material matrik; poliester, epoksi, vinyl
ester
Ò
Proses kontinyu yang mudah diotomasi
ÒLaju produksi tinggi
Ò
Murah
PREPREG
Ò
Gulungan serat kontinyu dilewatkan dan
dipress
di
antara
lembaran
kertas
pembawa
dan
pelepas
menggunakan
roller yang dipanaskan (“calendering”)
Ò
Lembaran kertas pelepas telah dilapisi
dengan film tipis dari larutan resin yang
dipanasi dengan viskositas yang rendah
Ò
“Doctor blade”
merentangkan
resin
menjadi film dengan ketebalan dan lebar
yang uniform
Ò
Mula-mula serat dilewatkan ke dalam bak
resin
Ò
Kemudian secara kontinyu digulungkan ke
dalam mandrel, biasanya menggunakan
peralatan penggulungan otomatis
Ò
Setelah jumlah layer terpenuhi, curing
dilakukan in dalam oven atau pada suhu
kamar setelah mandrel dilepas
FILAMENT WINDING
Proses pembuatan komposit dimana serat
penguat kontinyu diposisikan di dalam pola
untuk membentuk bentuk hollow (silindris)
Ò Berbagai pola penggulungan (circumferential, helical, polar)
Ò Memiliki perbandingan kekuatan dan berat yang sangat tinggi
Ò Tingkat pengontrolan keseragaman penggulungan dan orientasi sangat tinggi
Ò Lebih ekonomis
FILAMENT WINDING
Aplikasi :
¾ Rocket motor casing
¾ Storage tanks and pipes ¾ Pressure vessel
STRUCTURAL COMPOSITES
Komposit yang memiliki sifat yang tidak
hanya tergantung pada sifat penyusunnya
tetapi juga pada disain geometri elemen
strukturnya
A.
LAMINAR COMPOSITES
SANDWICH PANELS
Kelas komposit struktural yang terdiri dari 2
lembaran luar yang kuat dan ditengah/inti
dengan
material ringan
yang memiliki
kekakuan dan kekuatan yang lebih rendah
Material luar:
Ò
Paduan Al
Ò
plastik yang diperkuat serat
ÒTitanium
Ò
Baja
SANDWICH PANELS
Fungsi Inti/Core:
Ò
Memisahkan
muka
dan
menahan
deformasi yang tegak lurus terhadap
bidang muka
Ò
Memberikan
tingkat
rigiditas
geser
sepanjang
bidang
yang tegak
lurus
terhadap bidang
Aplikas:
¾
atap, lantai, dinding,
¾