The world of materials. Composite Materials. Introduction. Pengertian Komposit 08/09/2015. Nurun Nayiroh, M.Si

(1)

Composite Materials

Nurun Nayiroh, M.Si

Pertemuan ke-1

The world of materials

PE, PP, PC PA (Nylon) Polymers, elastomers Butyl rubber Neoprene Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton GFRP CFRP Composites KFRP Plywood Alumina Si-Carbide Ceramics, glasses Soda-glass Pyrex Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys

Introduction

• A Composite material is a material system composed of two or more

macro constituents that differ in shape and chemical composition

and which are insoluble in each other. The history of composite materials dates back to early 20th century. In 1940, fiber glass was first used to reinforce epoxy.

• Advantages

– High strength and stiffness – Low weight ratio

– Material can be designed in addition to the structure

• Applications:

– Aerospace industry – Sporting Goods Industry – Automotive Industry – Home Appliance Industry

Pengertian Komposit

Komposit merupakan kombinasi dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki properti lebih baik dari keduanya. Jika kombinasi ini terjadi dalam skala

makroskopis maka disebut sebagai komposit. Jika kombinasi ini terjadi secara mikoroskopis

(molekular level) maka disebut sebagai alloy atau paduan.

(2)

Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya

komposit, yaitu sebagai berikut:

• Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat

spesifik tertentu.

• Mempermudah design yang sulit pada

manufaktur.

• Keleluasaan dalam bentuk/design yang

dapat menghemat biaya

• Menjadikan bahan lebih ringan

Penyusun Komposit

Komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa: Matriks dan Reinforcement/Filler/Fiber

1. Matriks

• Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan).

• Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : a) Mentransfer tegangan ke fasa yang lain (serat). b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat. c) Melindungi fasa serat dari lingkungan.

d) Memisahkan serat. e) Melepas ikatan.

f) Tetap stabil setelah proses manufaktur. • Classification: MMC, CMC, PMC

metal ceramic polimer

2. Reinforcement atau Filler atau Fiber

• Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement

(penguat) yang berfungsi sebagai

penanggung beban utama pada komposit.

• Merupakan fasa terdispersi yang tujuannya untuk mempertinggi sifat fasa matriks.

– MMC: increase σy, TS, creep resist.

– CMC: increase Kc

– PMC: increase E, σy, TS, creep resist.

• Classification: Particle, fiber, structural woven fibers cross section view 0.5 mm 0.5 mm

Reprinted with permission from D. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.

Jenis Komposit Berdasarkan

Reinforcement/Filler-nya

Large-particle Dispersion-strengthened Particle-reinforced Continuous (aligned) Aligned Randomly oriented Discontinuous (short) Fiber-reinforced Laminates Sandwich panels Structural Composites

Adapted from Fig. 16.2, Callister 7e.

(3)

Composite Structural Organization: the design variations • Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah penyebutannya;

– Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), – Fiber (Penahan beban utama),

– Interphase (pelekat antar dua penyusun),

– interface (permukaan phase yang berbatasan dengan phase

lain).

• Secara strukturmikro material komposit tidak merubah material pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler. • Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara

matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi.

• Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama:

– Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel.

– Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion).

– Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel.

• Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel antara lain:

o Ukuran partikel

o Rapat jenis bahan yang digunakan o Fraksi volume material

o Komposisi material o Bentuk partikel

o Kecepatan dan waktu pencampuran o Penekanan (kompaksi)

(4)

Properties Komposit

Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh: • Material yang menjadi penyusun komposit.

Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional. • Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun.

Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit. • Interaksi antar penyusun

Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.

Perbedaan Komposit dan Alloy

Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem proses pemaduannya:

o Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanya komponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadi perpaduan yang homogen antara matrik dan filler

o Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan material yang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifat material yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.

1. Particulate composites

Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement

berbentuk partikel:

a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah

b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasan material

c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangi pergerakan dislokasi.

Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel: a) Metalurgi Serbuk b) Stir Casting c) Infiltration Process d) Spray Deposition e) In-Situ Process

Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu

1)Large particle

2)Dispersion strengthened particle

a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%. b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.

Partikel sebagai penguat

(Particulate composites)

Large particle

Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular

Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata

Contoh dari large particle composit: cement dengan sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand sebagai partikel

(5)

• Other examples:

Adapted from Fig. 10.19, Callister 7e. (Fig. 10.19 is copyright United States Steel Corporation, 1971.) - Spheroidite steel matrix: ferrite (α) (ductile) particles: cementite (Fe3C) (brittle) 60 µm

Adapted from Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.) - WC/Co cemented carbide Matrix : cobalt (ductile) particles: WC (brittle, hard) Vm: 5-12 vol%! 600 µm

Adapted from Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.) - Automobile tires matrix: rubber (compliant) particles: C (stiffer) 0.75 µm (CERMET)

Concrete– gravel + sand + cement

- Why sand and gravel? Sand packs into gravel voids

Reinforced concrete -Reinforce with steel rebar or remesh - increases strength - even if cement matrix is cracked

Prestressed concrete -remesh under tension during setting of concrete. Tension release puts concrete under compressive force

- Concrete much stronger under compression. - Applied tension must exceed compressive force

threaded rod nut

Post tensioning– tighten nuts to put under rod under tension but concrete under compression

Large Particle Composites

Desired Characteristics

• Partikelnya kurang lebih harus sama

sumbu.

• Particles should be small and evenly

distributed

• Volume fraction dependent on desired

properties

Volume Fraction

in Large Particle Composites

• Elastic modulus is dependent on the volume fraction

• “Rule of mixtures” equation

– E- elastic modulus, V- volume fraction, m- matrix, p-particulate – upper bound (iso-strain) – lower bound (iso-stress)

E

_c

= E

_m

V

_m

+ E

_p

V

_p

E

c

=

E

_m

E

_p

E

p

V

m

+ E

m

V

p

(6)

Rule of Mixtures

conc. of particulates E -m a tr ix E -p a rt icu la te * * * * * * * Upper bound Lower bound Actual Values

Large-Particle Composite

Materials

• All three material types

– metals, ceramics, and polymers

• CERMET (ceramic-metal composite)

– cemented carbide (WC, TiC embedded in Cu or Ni)

– cutting tools (ceramic hard particles to cut, but a ductile metal matrix to withstand stresses) – large volume fractions are used (up to 90%!)

Dispersion Strengthened

Composites

• Metals and metal alloys

– hardened by uniform dispersion of fine particles of a very hard material (usually ceramic)

• Strengthening occurs through the

interactions of dislocations and the

particulates

• Examples

• Thoria in Ni

• Al/Al2O3sintered aluminum powder SAP

• GP zones in Al

2. Fiber composites

Fungsi utama dari serat adalah sebagai

penopang kekuatan dari komposit,

sehingga tinggi rendahnya kekuatan

komposit sangat tergantung dari serat

yang digunakan, karena tegangan yang

dikenakan pada komposit mulanya

diterima oleh matrik akan diteruskan

kepada serat, sehingga serat akan

menahan beban sampai beban

maksimum.

(7)

Matriks yang dipadukan dengan fiber berfungsi sebagai :

• Penjepit fiber

• Melindungi fiber dari kerusakan permukaan • Pemisah antara fiber dan juga mencegah

timbulnya perambatan crack dari suatu fiber ke fiber lain

• Berfungsi sebagai medium dimana eksternal stress yang diaplikasikan ke komposit, ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.

Matrix Phase

Requirements

• Ductile

• Lower E than for fiber

• Bonding forces between fiber and

matrix must be high

– otherwise fiber will just “pull-out” of matrix

• Generally, only polymers and metals

are used as matrix material (they are

ductile)

Fiber yang digunakan sebagai reinforced harus memiliki syarat sebagai berikut :

a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.

b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi

Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut :

a) Distribusi b) Konsentrasi c) Orientasi d) Bentuk

(8)

• Proses produksi pada fiber-carbon yaitu

sebagai berikut :

1. Open Mold Process

a. Hand Lay-Up

b. Spray Lay-Up

c. Vacuum Bag Moulding

d. Filament Winding

2. Closed Mold Process

a. Resin Film Infusion

b. Pultrusion

a. Short(discontinuous) fiber reinforced composites

Aligned Random

b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites

Aligned Fibers

• When fibers are aligned

– properties of material are highly anisotropic – modulus in direction of alignment is a function

of the volume fraction of the E of the fiber and matrix

– modulus perpendicular to direction of alignment is considerably less (the fibers do not contribute)

Randomly Oriented Fibers

• Properties are isotropic

– not dependent on direction

• Ultimate tensile strength is less than for

aligned fibers

• May be desirable to sacrifice strength for

the isotropic nature of the composite

(9)

Fiber Alignment

aligned continuous

aligned random discontinuous

Adapted from Fig. 16.8, Callister 7e.

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu:

a) Continuous Fiber Composite

Continuous atau uni-directional, mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan. Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.

b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)

Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan tidak sebaik tipe continuous fiber.

c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite) Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi : 1) Aligned discontinuous fiber

2) Off-axis aligned discontinuous fiber 3) Randomly oriented discontinuous fiber

Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama.

(10)

d) Hybrid fiber composite

Hybrid fiber composite merupakan

komposit gabungan antara tipe serat lurus

dengan serat acak. Pertimbangannya

supaya dapat mengeliminir kekurangan

sifat dari kedua tipe dan dapat

menggabungkan kelebihannya.

Fiber yang biasa digunakan

antara lain :

Fibers – Glass

– Sangat umun digunakan, fiber yang murah adalah glass fiber yang sering digunakan untuk reinforcement dalam matrik polimer – Komposisi umum adalah 50 – 60 % SiO2 dan

paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll.

– Moisture dapat mengurangi kekuatan dari glass fiber

– Glass fiber sangat rentan mengalami static fatik – Biasanya digunakan untuk: piping, tanks, boats,

alat-alat olah raga

Sifat-Sifatnya

• Densitynya cukup rendah ( sekitar 2.55 g/cc) • Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1.8

GPa)

• Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa) • Stabilitas dimensinya baik

• Resisten terhadap panas • Resisten terhadap dingin • Tahan korosi

Keuntungan :

• Biaya murah • Tahan korosi

• Biayanya relative lebih rendah dari komposit lainnya

Kerugian

• Kekuatannya relative rendah • Elongasi tinggi

• Keuatan dan beratnya sedang (moderate)

Jenis-jenisnya antara lain:

– E-Glass - electrical, cheaper – S-Glass - high strength

(11)

Fiberglass Reinforced

Composites

Glass is a common reinforcement

• it is easily drawn into fibers

• it is cheap and readily available

• it is easy to process into composites

• it can produce very strong, very light

composites (high specific strength)

• it is usually chemically inert (does not

degrade in harsh environments)

Nylon Fibers - Aramid (kevlar, Twaron)

Biasanya digunakan untuk : Armor,

protective clothing, industrial, sporting

goods

Keuntungan :kekutannya cukup tinggi, dan

lebih ductile dari carbon

Carbon Fibers

• Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/cc

• Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan.

• Karakteristik komposit dengan serat karbon :

– ringan;

– kekuatan yang sangat tinggi; – kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.

• Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap proses :

• Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;

• Karbonisasi= pemanasan untuk mengurangi O, H, N;

(12)

Flat flakes sebagai penguat (Flake composites)

Fillers sebagai penguat (Filler composites)

Composite Survey: Fiber

• Fiber Materials

– Whiskers- Thin single crystals - large length to diameter ratio • graphite, SiN, SiC

• high crystal perfection – extremely strong, strongest known • very expensive

Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural

– Fibers

• polycrystalline or amorphous • generally polymers or ceramics

• Ex: Al2O3, Aramid, E-glass, Boron, UHMWPE – Wires

• Metal – steel, Mo, W

Composite Strength: Longitudinal Loading

Continuous fibers-Estimate fiber-reinforced

composite strength for long continuous fibers in a matrix • Longitudinal deformation σ σ σ σc= σσσσmVm+ σσσσfVf but εεεεc= εεεεm= εεεεf volume fraction isostrain

∴ Ece= EmVm+ EfVf longitudinal (extensional) modulus m m f f m f V E V E F F = f = fiber m = matrix Remembering: E = σ/ε and note, this model corresponds to the “upper bound” for particulate composites

(13)

Elastic Behavior Derivation

(Longitudinal Loading)

Consider longitudinal loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostrain condition).

εm= εf= εc

The total load on the composite, Fc, is then equal to loads carried by the matrix and

the fibers

Fc= Fm+ Ff

Substituting for the stresses

σcAc= σmAm+ σfAf

Rearranging

σc= σmAm/Ac+ σfAf/Ac

were Am/Ac and Af/Acare the area fractions of matrix and fibers, respectively. If the

fiber length are all equal than then these terms are equivalent to the volume fractions

Vf= Af/Ac & Vm= Am /Ac

σc= σmVm+ σfV

Using the isostrain constraint and Hookes Law, σ = εE

E

c

= E

m

V

m

+E

f

V

f

Can also show ratio of load carried by fiber and matrix: Ff/Fm= EfVf/EmVm Fc= Ff+ Fm

Composite Strength: Transverse Loading

• In transverse loading the fibers carry less of the load and are in a state of ‘isostress’

σ σ σ σc= σσσσm= σσσσf= σσσσ εεεεc= εεεεmVm+ εεεεfVf f f m m ct E V E V E = + 1 transverse modulus ∴ Remembering: E = σ/ε and note, this model corresponds to the “lower bound” for particulate composites

Elastic Behavior Derivation

(Transverse Loading)

Consider transverse loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostress condition).

σm= σf= σc = σ

The total strain of the composite is given by εc= εmVm= εfVf

Using Hookes Law ε = σ/E and the isostress constraint σ/Ec= (σ/Em) Vm+ (σ/Ef) Vf

Dividing by σ, Algebraically this becomes

E

c

=

E

m

E

f

E

f

V

m

+ E

m

V

f

An Example:

Note: (for ease of conversion)

6870 N/m2_{per psi!} UTS, SI Modulus, SI 57.9 MPa 3.8 GPa 2.4 GPa 399.9 GPa (241.5 GPa) (9.34 GPa)

(14)

• Estimate of Ecand TS for discontinuous fibers: -- valid when

-- Elastic modulus in fiber direction:

-- TS in fiber direction: efficiency factor: -- aligned 1D: K = 1 (aligned ) -- aligned 1D: K = 0 (aligned ) -- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy) -- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy) (aligned 1D)

Values from Table 16.3, Callister 7e. (Source for Table 16.3 is H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhagen: Akademisk Forlag, 1964.)

Composite Strength

c fd τ σ > 15 length fiber

(TS)c= (TS)mVm+ (TS)fVf Ec= EmVm+ KEfVf

• Aligned Continuousfibers • Examples:

From W. Funk and E. Blank, “Creep deformation of Ni3Al-Mo in-situ composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp. 987-998, 1988. Used with permission.

--Metal: γ'(Ni3Al)-α(Mo)

by eutectic solidification.

Composite Survey: Fiber

matrix: α (Mo) (ductile)

fibers: γ’ (Ni3Al) (brittle)

2 µm

--Ceramic: Glass w/SiC fibers

formed by glass slurry Eglass= 76 GPa; ESiC= 400 GPa.

(a)

(b)

fracture surface

From F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite Materials; Engineering and Science, Reprint ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D. Rawlings). Used with permission of CRC Press, Boca Raton, FL.

• Discontinuous, random 2Dfibers • Example:Carbon-Carbon

-- process: fiber/pitch, then burn out at up to 2500ºC. -- uses: disk brakes, gas

turbine exhaust flaps, nose cones.

• Other variations:

--Discontinuous, random 3D

--Discontinuous, 1D

Composite Survey: Fiber

(b)

fibers lie in plane

view onto plane

C fibers: very stiff very strong C matrix: less stiff less strong (a) efficiency factor: -- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy) -- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy) E_c= E_mV_m+ KE_fV_f

Influence of Fiber Length

• Mechanical properties depend on:

• mechanical properties of the fiber

• how much load the matrix can transmit to the fiber

– depends on the interfacial bond between the fiber and the matrix

• Critical fiber length - depends on

• fiber diameter, fiber tensile strength • fiber/matrix bond strength

(15)

Influence of Fiber Length

• Critical fiber length

-l

c

– “Continuous” fibers l >> 15 lc

– “Short” fibers are anything shorter 15 lc lc= σfd/2τc where d = fiber diameter τc= fiber-matrix bond strength

σf= fiber yield strength

No Reinforcement

Influence of Fiber Orientation

• Fiber parameters

– arrangement with respect to each other – distribution

– concentration

• Fiber orientation

– parallel to each other – totally random – some combination

Influence of Fiber Orientation

• Stage I - elastic deformation with intermediate • Stage II - matrix yields

• Failure - Non-catastrophic. When fibers fracture, you now have new fiber length and matrix is still present

Example

• Calculate the composite modulus for

polyester reinforced with 60 vol% E-glass

under iso-strain conditions.

• Epolyester= 6.9 x 103MPa

• EE-glass= 72.4 x 10 3MPa

Ec= (0.4)(6.9x103MPa) + (0.6)(72.4x103MPa)

(16)

In Class Example

A continuous and aligned glass reinforced composite consists of 40 vol% glass fiber having E = 69 GPa and a polyester resin matrix, that when hardened, has E = 3.4 GPa.

a) Compute modulus of elasticity under longitudinal and transverse loading.

b) If the cross-sectional area is 250 mm2_{and a stress of 50 MPa is applied}

longitudinally, compute magnitude of load carried by each the fiber and matrix phases.

c) Determine strain on each phase in c

Other Composite Properties

• In general, the rule of mixtures (for

upper and lower bounds) can be used

for any property X

c

- thermal

conductivity, density, electrical

conductivityWetc.

X

c

= X

m

V

m

+ X

f

V

f

X

c

= X

m

X

f

/(V

m

X

f

+ V

f

V

m

)

Tensile Strength

• In longitudinal direction, the tensile strength is given by the equation below if we assume the fibers will fail before the matrix:

σ∗ c= σ’mVm + σ’fVf

Discontinuous Fibers

• Aligned σ∗ c= σ∗fVf(1-lc/2l) + σ’mVm for l > lc σ∗ c= (lτc/d)Vf + σ’mVm for l < lc • Random E_c= KE_fV_f+ E_mV_m where K ~ 0.1 to 0.6 3/8 1/5

(17)

3. Structural Composites

• Definition

– composed of both homogeneous and composite materials

– properties depend on constituent materials and on geometrical design of the elements

• Types

– laminar composites – sandwich panels

Laminar Composites

• Two dimensional sheets or

panels with a preferred high-strength direction

• Q. What is a natural example of this?

• A. Wood

• Q. What is a man made example • A. Plywood - Layers are stacked and subsequently bonded together so that the high strength direction varies