Tuesday, June 30, 2009

Pengaruh Ruthenium Pada Struktur Mikro Aging Superalloy Berbasis Nikel

Jurnal Sain Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science
Edisi Khusus Desember 2008


Efendi Mabruri
Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI
Kawasan Puspiptek Gd. 470 Serpong, Tangerang 15314
Email: efendi_lipi@yahoo.com


Abstrak.Pengaruh Ruthenium Pada Struktur Mikro Aging Superalloy Berbasis Nikel.Telah dilakukan penelitian pengaruh Ruthenium (Ru) terhadap struktur mikro superalloy berbasis nikel pada suhu aging 1324 K. Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan menggunakan SEM.Hasil percobaan menunjukkan bahwa fasa ’ memiliki bentuk kuboid yang lebih tajam dengan ukuran yang lebih kecil pada superalloy yang ditambahkan unsur Ru. Penambahan 6% mol Ru pada superalloy menyebabkan adanya presipitasi fasa ketiga yang teridentifikasi sebagai intermetalik berbasis RuAl berdasarkan analisa komposisi kimia dengan EDX. Selain itu ditunjukkan bahwa baik pada superalloy yang mengandung Ru dan maupun yang tidak mengandung Ru, kinetika pembesaran fasa ’ dikontrol oleh proses difusi dan Ru tidak mempunyai pengaruh terhadap konstanta kecepatan pembesaran fasa ’. Hasil ini dijelaskan dengan mempertimbangkan bahwa Ru meningkatkan energi antarmuka tetapi menurunkan difusi Re sebagai unsur pengontrol kecepatan pembesaran fasa ’.

Kata Kunci: struktur mikro, fasa ’, fasa ketiga, rutenium, nikel, superalloy, rutenium aluminida.

Abstract. Ruthenium Effect on Aging microstructure of Nickel based Superalloys. The effect of Ruthenium on the microstructure of nickel based superalloys has been investigated at aging temperature of 1324 K. The microstructural observation by using SEM showed that the aged microstructures revealed the cuboidal ’ precipitates for all alloys. As Ru content increased in the alloys, the ’ was more cuboid and its sizes appeared to slightly decreased. The third phase precipitated in the alloy containing Ru content of 6 mol% and it was considered to be the RuAl based intermetallic compound according to EDX measurement. In addition, it was clear that the coarsening kinetics of the ’ phase in both Ru-free and Ru-containing superalloys were controlled by diffusion and Ru was found to have no effect on the rate constant of the ’ phase coarsening.The result was explained by considering the balancing effect of Ru to increase slightly the interfacial energy between  and ’ phases and to decrease slightly the diffusivity of the rate controlling element Re.

Keywords: microstructure, ’ phase, third phase, ruthenium, nickel, superalloys, ruthenium aluminide.


1. Pendahuluan
Superalloy berbasis nikel banyak digunakan di dalam mesin pesawat terbang dan turbin gas pembangkit listrik sebagai material turbin blade karena memiliki kemampuan untuk mempertahankan kekuatan struktur (creep, fatigue) dan kestabilan permukaan (oksidasi, korosi) pada suhu tinggi. Paduan logam ini diperkuat oleh larutan padat fasa matrik dan oleh presipitasi fasa ’ berbasis Ni3Al. Perkembangan yang sangat berarti dalam peningkatan kemampuan paduan ini pada suhu tinggi adalah sejak dimasukannya unsur-unsur refraktori terutama Tungsten (W) dan Rhenium (Re) sebagai unsur paduan [1-4]. Akan tetapi, kandungan unsur-unsur refraktori yang tinggi di dalam paduan akan meningkatkan ketidakhomogenan kimia karena segregasi mikro unsur-unsur ini di dalam inti dendrit selama proses pengecoran dan meningkatkan kecenderungan terjadinya fasa TCP (Topologically Closed Pack) yang merugikan pada suhu operasi [4-7]. Perkembangan terakhir melaporkan bahwa Ruthenium (Ru) merupakan unsur potensial yang dapat menekan terbentuknya fasa TCP pada suhu tinggi dan meningkatkan kekuatan creep [8-10]. Ada beberapa kemungkinan yang menyebabkan Ru mempunyai pengaruh yang positif pada paduan ini misalnya Ru menurunkan tingkat segregasi unsur-unsur refraktori [6], meningkatkan kelarutan Re dalam Ni[11], dan merubah rasio partisi unsur-unsur refraktori terutama Re diantara fasa  dan ’[10]. Akan tetapi, kemungkinan terakhir masih merupakan masalah yang diperdebatkan akhir-akhir ini karena adanya perbedaan hasil yang ditunjukkan oleh para peneliti [10,12-13].
Sehubungan dengan pentingnya Ru pada pengembangan superalloy berbasis nikel, beberapa penelitian yang intensif bermunculan berkaitan dengan karakteristik pemaduan unsur Ru [8-10,12-19].Tulisan ini melaporkan pengaruh Ru terhadap struktur mikro dan evolusinya pada suhu tinggi pada superalloy berbasis nikel berdasarkan hasil eksperimen.


(Makalah lengkap ada di Jurnal Sain Materi Edisi Khusus Desember 2008)

Thursday, June 25, 2009

Diffusion of Re and Ru in the γ′ Phase of Ni Based Alloys

Materials Transactions, Vol. 49, No. 6 (2008) pp. 1441 to 1445
(c)2008 The Japan Institute of Metals

Efendi Mabruri1;*1,*2, Shingo Sakurai1;*1, Yoshinori
Toshiyuki Koyama2 and Masahiko Morinaga1
1Department of Materials, Physics and Energy Engineering, Graduate
Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan
2National Institute for Materials Science, Tsukuba 305-0047, Japan
Materials Transactions, Vol. 49, No. 6 (2008) pp. 1441 to 1445
#2008 The Japan Institute of Metals


The diffusion of Re and Ru in the γ`-Ni3Al phase has been investigated at a range of temperatures 1423-1523 K by using the pseudo-binary diffusion couples. It was found that the concentration gradient of Re appeared to promote the uphill diffusion of Al, whereas that of Ru did not promote the Al uphill diffusion. The cross interdiffusion coefficients were independent of the matrix ordering since they were comparable qualitatively between those in the γ’-Ni3Al and in the γ-Ni phases. The tracer diffusion coefficients for Re and Ru in Ni3Al were estimated by extrapolation and the obtained activation energies were consistent with the site preferences of the elements reported in the literature. Further, the results of this work suggest that the diffusion of Ru in Ni3Al is mostly governed by the diffusion in Ni sublattice and the diffusion of Re is mainly controlled by the formation of anti-site defects in the Ni sublattice with negligible contribution of the anti-site bridge mechanism [doi:10.2320/matertrans.MRA2007632]

Monday, June 15, 2009

Pelapisan Nano-Komposit Hydroxyapatite/Chitosan Pada SS 316 L dan Ti-6Al-4V Sebagai Material untuk Prostetik yang Biokompatibel, Murah dan Kuat

Oleh: efendi Mabruri

Prostetik ortopedik yang menahan beban (load bearing implant) biasanya menggunakan material logam karena mempunyai kekuatan yang memadai. Baja tahan karat austenitik SS 316 L dan Ti-6Al-4V merupakan logam yang umum digunakan karena harganya yang relatif murah dan tahan korosi. Akan tetapi dalam lingkungan fisiologi logam ini terdegradasi dan mengeluarkan ion-ion ke dalam aliran darah yang berpotensi racun. Oleh karena itu permukaan SS316L dan Ti-6Al-4V perlu dilapis oleh material lain untuk menghalangi pelarutan ion-ion nya dan untuk meningkatkan biokompatibilitasnya. Hydroxyapatite (HA) merupakan biokeramik yang mempunyai komposisi kimia yang sama dengan mineral utama tulang dan memiliki biokompatibilitas, bioaktifitas dan osteokonduktivitas yang ekselen. HA dapat dilapiskan pada permukaan prostetik logam untuk meningkatkan biokompatibilitasnya. Metoda yang saat ini digunakan untuk mendeposisikan hydoxyapatite adalah dengan plasma spraying. Akan tetapi karena suhu yang sangat tinggi yang terjadi selama proses plasma spraying, lapisan yang dihasilkan tidak memiliki komposisi kimia yang tepat. Selain itu, lapisan yang dihasilkan dengan proses ini cukup tebal sehingga kekuatan adhesinya kurang bagus. Deposisi elektroforesis merupakan metoda yang murah dan dapat menghasilkan lapisan dengan komposisi yang tepat, kekuatan adhesi yang bagus dan ketebalan yang bervariasi dari 1-500 mikro meter. Metoda ini menggunakan arus listrik untuk mendeposisikan partikel bermuatan dari suspensi didalam cairan ke permukaan substrat yang bertindak sebagai elektroda. Permasalahan pada deposisi elektroforesis ini terletak pada proses sintering setelah pelapisan yang dapat menyebabkan penyusutan, rekasi kimia pada antarmuka HA-logam dan dekomposisi HA serta degradasi substrat logam. Beberapa cara untuk menurunkan suhu sintering ini adalah dengan memperluas permukaan partikel HA yaitu dengan memperhalus partikel sampai ukuran submikron/nano dan dengan penambhan chitosan ke dalam hydroxyapatite membentuk nano-komposit. Penggunaan chitosan dapat membentuk lapisan komposit yang memiliki adhesi yang kuat pada suhu kamar. Chitosan merupakan polimer alam yang biodegradabel, non-toksik, anti-bakteri dan biokompatibel. Pada kegiatan ini akan dikembangkan pelapisan nano-komposit hydroxyapatite/chitosan pada suhu kamar pada baja SS 316L dan Ti-6Al-4V dengan metoda deposisi elektroforesis untuk mendapatkan lapisan yang memiliki komposisi kimia yang stoikiometrik, homogen dan kekuatan adhesi yang tinggi.

PENGEMBANGAN TITANIUM STRUKTUR NANO DENGAN DEFORMASI SANGAT PLASTIS

Oleh: Efendi Mabruri

Titanium merupakan logam yang banyak digunakan di berbagai aplikasi struktur. Dalam aplikasi medis Titanium merupakan logam yang paling cocok dibandingkan logam lainnya karena memiliki bio-kompatibilitas yang tingi, tahan korosi dan tahan terhadap jaringan dan cairan tubuh. Untuk meningkatkan kekuatan mekanik logam Ti murni agar memiliki rasio kekuatan/berat yang tinggi (ringan tapi kuat) teknik yang paling memadai adalah dengan cara penghalusan butir. Teknologi material saat ini memungkinkan untuk penghalusan butir sampai ke tingkat ukuran nano meter untuk memaksimalkan efek penguatan pada meterial. Metoda yang paling banyak mendapat perhatian adalah teknik deformasi sangat plastis menggunakan Equal Channel Angular Pressing (ECAP) karena menghasilkan material struktur nano yang bebas porositas dan 100% padat dengan ukuran benda kerja yang relatif cukup besar untuk aplikasi struktur komersial.
Tujuan khusus dari kegiatan ini adalah untuk meningkatkan sifat mekanik Titanium murni dengan penghalusan butiran sampai tingkat ukuran nano dengan Equal Channel Angular Pressing (ECAP). Sedangkan tujuan umumnya adalah dengan kegiatan penelitian ini diharapkan dapat dikuasainya teknologi pemrosesan material struktur nano dengan teknik deformasi sangat plastis (severe plastic deformation). Pengaruh beberapa parameter seperti sudut cetakan ECAP, kecepatan regang, siklus deformasi dan temperatur terhadap pembentukan struktur/butiran nano akan dipelajari dan dilakukan optimasinya. Target atau sasaran dari optimasi parameter percobaan adalah diperolehnya butiran Titanium dengan rata-rata ukuran < 100 nm. Karakterisasi struktur hasil ECAP dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik/SEM/TEM dan XRD. Kegiatan penelitian ini akan menghasilkan keluaran berupa publikasi ilmiah, prototipe logam Titanium struktur nano, laporan teknis dan potensi untuk penulisan paten

Thursday, June 4, 2009

Teknologi Perbaikan (Repairing) untuk Komponen Turbin Gas dan Turbin Uap

Di Indonesia sebagian besar pembangkit tenaga listrik menggunakan turbin gas atau turbin uap, baik untuk skala pembangkit yang besar atau yang kecil. Sistem turbin beroperasi pada kondisi tegangan yang besar, suhu yang tinggi dan lingkungan yang korosif. Oleh karena itu, komponen untuk sistem turbin harus menggunakan material suhu tinggi yang tahan oksidasi, tahan korosi, tahan mulur (creep) dan tahan lelah (fatigue) seperti baja tahan karat, paduan super berbasis nikel atau cobalt. Untuk lebih meningkatkan ketahanan oksidasi dan korosi, komponen juga dilapis dengan difusi aluminide (NiAl), overlay (NiCrAlY) atau keramik penghalang panas (thermal barrier coating) seperti Zirkonia yg distabilkan Yittria. Meskipun demikian kegagalan komponen seringkali terjadi pada sistem turbin ini yang disebabkan oleh berbagai hal seperti kesalahan design (pemilihan material, geometri dll), cacat pembuatan, dan kondisi dan lingkungan operasi. Kegagalan komponen yang prematur (unpredictable failure) bisa menyebabkan pemadaman sistem (shutdown), ledakan api, kebocoran gas dan kerugian produksi. Untuk pemulihan sistem dengan pertimbangan waktu dan ekonomi, perbaikan komponen (repair) lebih cocok dibanding penggantian komponen baru. Pilihan ini tentunya dengan mempertimbangkan pula tingkat kerusakan komponen sehingga layak dilakukan perbaikan. Selain itu sebelum melakukan operasi perbaikan ini, perlu dilakukan pula analisa kegagalan komponen untuk menentukan penyebab utama kegagalan tersebut sehingga operasi perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah terjadinya kembali kegagalan serupa. Operasi perbaikan komponen biasanya dilakukan dengan proses pengelasan (welding) dan dan faktor-faktor yang mempengaruhinya adalah mampu las material, tipe kerusakan material, ketersediaan metoda dan bahan pengelasan, perlakuan panas sebelum atau sesudah pengelasan, inspeksi setelah perbaikan dengan uji tak merusak (Non-destructive test), proses pelapisan (coating) dan sebagainya.

Friday, May 15, 2009

ANALISA STRUKTUR MIKRO PADA PENGELASAN 17-4 PH DENGAN TIG

Oleh : Efendi Mabruri

Heat input pada waktu pengelasan menyebabkan daerah base metal di sekitar logam las (fusion zone) menerima panas yang tinggi dan menyebabkan perubahan struktur mikro pada daerah ini yang disebut HAZ (Heat Affected Zone). Sehingga setelah pengelasan (as-weld) akan terbentuk tiga daerah yang berbeda berdasarkan struktur mikro yaitu fusion zone, HAZ dan base metal. Struktur mikro base metal 17-4 PH adalah sepenuhnya martensit pada kondisi anil dan pada kondisi aging terdiri dari martensit + fasa presipitat kaya kandungan Cu (Cu-rich presipitates). Setelah pengelasan, struktur mikro fusion zone (menggunakan filler AWS ER 630) berupa martensit dan beberapa persen (sekitar 3-8%) ferit. HAZ memiliki struktur mikro seperti base metal dan dapat dicirikan oleh adanya:

  • Pertumbuhan butir (grain growth)

  • Meningkatnya jumlah ferit pada daerah yang sangat dekat dengan batas lelehan (fusion line).

Struktur mikro seperti itu akan menyebabkan penurunan sifat mekanik. Untuk mengatasinya maka perlu dilakukan perlakuan panas setelah pengelasan (PWHT-Post Weld Heat Treatment). PWHT juga diperlukan untuk menghilangkan tegangan sisa (stress relieving) yang terbentuk akibat pengelasan. Dengan mempertimbangkan ketebalan benda kerja yang 4 mm dan multipass welding, PWHT yang dilakukan adalah:

  • Solution treatment (ST) pada 1035 oC selama 1 jam dan pendinginan udara. Ini akan menurunkan jumlah ferit dan memperkecil ukuran butir pada fusion zone dan HAZ.

  • Aging pada 510 oC selama 2 jam dan pendinginan udara. Ini akan menemper martensit dan juga terjadi precipitation hardening pada fusion zone, HAZ dan base metal.

Thursday, May 14, 2009

Synthesis of Barium Hexaferrite Magnet from the Oxides of Cold Rolling Mill Wastes

Efendi Mabruri


SUMMARY

Barium hexaferrite or BaFe12O19 is the most widely used ceramic magnet for many application and still place the top of global permanent magnet market in term of monetary value and product weight because of inexpensive raw material availability and the simplicity of the process. Research on the synthesis of barium hexaferrite magnet was conducted for getting useful of the oxides of cold rolling mill wastes. The oxides of cold rolling mill wastes were ground in ball mill to decrease the particles size down to -400 meshes. XRD analysis of the oxide powders showed all intensity peaks corresponded with those of Fe2O3. Then the oxides were mixed with BaCO3 at certain composition in ball mill and subsequent calcined to get barium hexaferrite compounds and XRD analysis on powders resulted from mixing and calcining at 1200oC for 3 hours showed all intensity peaks corresponded with those of BaFe12O19. After reground in ball mill to decrease the particles size down to the average of 1,5mm, the barium hexaferrite powders were then pressed and sintered at a range of temperature of 1000, 1100, 1200, 1225, 1250 and 1300oC in air and the influence of sintering temperature and time on magnetic properties and microstructures were studied. The magnetic properties measurement by permagraph showed that Br, Hc and (BH)max of barium hexaferrite increased as sintering temperature raised from 1000oC to 1200oC and decreased at higher temperature of sintering. The increasing of these magnetic properties is related to the increasing of magnet densities as sintering temperature raised up to 1200oC. The grain growth developed after sintering at the temperature over 1200oC to 1300oC characterized by SEM caused the magnetic properties slightly decreased. In the range of experimental parameter used, the higher magnetic properties achieved by magnet sintered at temperature of 1200oC and time of 2 hours.

(Makalah lengkap diterbitkan di Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi No.2, Vol.III, Agustus-September 2003)

ANALISA KEGAGALAN SUDU TURBIN TURBOCHARGER


Oleh :

Efendi Mabruri, I.Nyoman G.P.A, Toni B.R., Budi Priyono

Pusat Penelitian Metalurgi - LIPI

Kawasan Puspiptek Gd.470 Serpong, Tangerang 15314

Email: efendi_lipi@yahoo.com



Abstrak

Telah dilakukan investigasi kegagalan sudu turbin pada turbocharger yang beroperasi pada 40.000 rpm. Sudu turbin terbuat dari paduan-super nikel dan pengujian menunjukkan material memiliki komposisi, struktur mikro dan kekerasan yang sesuai. Kerontokan terjadi pada seluruh ujung sudu turbin akibat benturan sedangkan patah terjadi pada salah satu sudu turbin. Terlihat juga adanya retak pada seluruh sudu pada lokasi yang sama dengan lokasi patahnya sudu yang patah. Pengamatan fraktografi pada sudu turbin yang patah menunjukkan kegagalan sudu turbin diakibatkan oleh fatigue akibat tegangan torsi yang dialami sudu selama operasi.


Abstract

The investigation had been carried out on the failure of Ni-base superalloy turbine blades operated at 40.000 rpm. The turbine blade material was found satisfactorily with respect to composition, microstructure and hardness. Fracture occurred on one of the blades. The cracks originated from the edge of the blades observed on several unfractured blades at the same location with the fractured blade. Fractographical examination on fractured blade showed that the failure of the blades was attributed to fatigue, which developed due to concentration of torsional stress experienced to the blades during service.

I. PENDAHULUAN

Pada sistem turbocharger , turbin berfungsi untuk menggerakkan kompresor sehingga dapat menghisap udara atmosfir yang lebih banyak. Turbin ini digerakkan oleh gas buang hasil pembakaran mesin atau motor bakar. Sistem turbocharger ini digunakan untuk meningkatkan jumlah udara atau campuran bahan bakar-udara segar sehingga dapat meningkatkan daya motor sekitar 30-80%. Sebuah sistem mesin yang menggunakan turbocharger secara skematis diperlihatkan oleh gambar 1.Turbin yang digerakkan oleh gas buang ini mengalami putaran yang cukup tinggi yang dapat mencapai puluhan ribu rpm pada suhu yang tinggi pula, sehingga sangat rentan sekali terhadap kelelahan (fatigue) dan oksidasi komponennya terutama sudu turbin. Untuk mengakomodasi masalah ini biasanya sudu turbin terbuat dari material khusus yang dapat bertahan ter hadap oksidasi suhu tinggi dan putaran tinggi seperti baja taha karat austenitik dan paduan super (superalloys).

Suatu kegagalan telah terjadi pada turbin sistem turbocharger jauh di bawah umur normalnya. Turbin tersebut beroperasi padakecepatan putar 40.000 rpm dan seharusnya dapat bertahan sampai umur 10.000 jam. Akan tetapi setelah beroperasi selama 560 jam turbin mengalami kegagalan dan tidak dapat beroperasi kembali. Kegagalan terjadi setelah sebelumnya dilakukan overhaul (in-take manifold dibersihkan). Terdengar suara bising selama lima menit sebelum terjadi kegagalan turbin. Pada tulisan ini akan dipaparkan analisa kegagalan untuk mengetahui jenis kegagalan yang terjadi pada turbin.


Gambar 1. Skematis sistem mesin yang menggunakan turbocharger

(makalah lengkap ada di Prosiding Seminar Metalurgi Nasional ,Jakarta 2003)

Monday, May 11, 2009

MENGENAL JENIS-JENIS MATERIAL (4)

Kali ini saya akan menjelaskan secara singkat tentang apa itu semikonduktor.

SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor merupakan material yang memiliki harga resistivitas di antara konduktor dan isolator. Konduktivitas semikonduktor dapat bervariasi di dalam medan listrik tertentu. Di dalam konduktor logam, arus dibawa oleh aliran elektron. Sedangkan di dalam semikonduktor arus bisa dibawa oleh aliran elektron atau oleh aliran lubang bermuatan positif di dalam struktur elektron material. Peralatan semikonduktor meliputi transistor, diaoda termasuk LED (light emitting diode), dan IC analog dan digital. Material semikonduktor yang utama adalah unsur-unsur Silikon dan Germanium yang terikat secara kovalenn dan juga beberapa senyawa kovalen lainnya seperti GaAs, CdTe dan InP. Sebenarnya semikonduktor dapat pula dikatakan sebagai subgroup dari keramik, karena karakteristik ikatan dan sifat-sifat mekaniknya samapa dengan keramik. Dengan pertimbangan kepentingan komersialisasi dari semikonduktor, material ini dikategorikan terpisah dari keramik. Semikonduktor harus diproses dengan teknik tertentu yang menjamin kontrol yang akurat terhadap komposisi dan struktur, karena material ini harus menunjukkan tingkat duplikasi sifat yang tinggi yang dibutuhkan oleh industri mikroelektronik. Kenyataannya, teknik pemrosesan semikonduktor merupakan yang paling canggih diantara teknik pemrosesan material (sebagai contoh, konsentrasi pengotornya cuma beberapa atom untuk setiap miliar atom tuan rumah).
Pada diskusi yang lalu tentang komposit, difokuskan pada penggunaan untuk aplikasi struktur. Sekarang kita perlu juga memahami bahwa peralatan mikroelektronik pada dasarnya juga merupakan komposit dimana dua atau lebih material dengan sifat yang berbeda (konduktor logam, unsur semikondukting aktif, dan isolator keramik) harus digunakan secara sangat berdekatan. Peluang utana dalam bidang mikroelektronik terletak pada miniaturisasi dan fabrikasi peralataan-peralatan di mana komponen-komponennya merupakan struktur komposit dalam skala submikron.

Thursday, April 16, 2009

Mengenal Jenis-Jenis Material (3)

Setelah beberapa waktu absen menulis, kali ini saya akan meneruskan topik ini. Dalam postingan yang lalu saya sudah menjelaskan logam, keramik dan polimer, dan kali ini akan dijelaskan tentang komposit.

KOMPOSIT
Komposit adalah kelompok dari material yang terbentuk dengan menggabungkan dua (atau lebih) material dasar. Material yang satu bertindak sebagai matrik sedangkan material yang lainnya bertindak sebagai penguatnya, misalnya polimer sebagai matriknya, serat sebagai penguatnya sehingga dikenal dengan fiber-reinforced polymer matrix composites. Sifat-sifat dari material komposit ini merupakan gabungan dari sifat-sifat material penyusunnya, di mana sifat gabungan ini tidak bisa dicapai dengan memproses material tunggal. Contoh lain dari komposit misalnya kayu lapis, beton, ban karet yang diperkuat dengan baja, aluminium yang diperkuat oleh alumina (alumina-reinforced aluminum matrix composites) dan lain-lain. Penggunaan yang paling umum dari komposit yang diperkuat oleh serat oleh fiber adalah sebagai material struktur yang memerlukan rigiditas, kekuatan dan densitas yang rendah (ringan). Sekarang ini raket tenis dan sepeda balap terbuat dari komposit epoksi-fiber yang kuat, ringan dan harganya tidak terlalu mahal. Dalam komposit ini, fiber/serat karbon tertanam di dalam matrik epoksi. Serat karbon memiliki kekuatan yang tinggi dan rigid tetapi keuletannya terbatas atau getas. Karena kegetasan ini maka tidak akan praktis jika raket tenis hanya terbuat dari karbon saja. Sedangkan epoksi yang tidak terlalu kuat, dalam komposit ini memiliki dua peran penting. Dia bertindak sebagai media untuk mentransfer beban ke serat, dan antarmuka serat-matrik membelokkan dan menghentikan retak kecil, sehingga membuat komposit dapat menahan retak lebih baik dari pada komponen/material tunggal pembentuknya.
Kekuatan dan rigiditas komposit serat karbon-epoksi dapat dikontrol dengan memvariasikan jumlah serat karbon yang dimasukkan ke dalam matrik epoksi. Kemampuan untuk mengatur sifat-sifat ini dan dikombinasikan dengan densitas yang rendah dan kemudahan fabrikasinya menjadikan material ini alternatif yang sangat menarik untuk berbagai aplikasi. Disamping untuk peralatan olah raga seperti dijelaskan tadi, komposit tersebut digunakan dalam pesawat udara seperti sudu-sudu kipas (fan blades) dalam mesin jet dan untuk permukaan kontrol dalam struktur pesawat.
Komposit dapat juga dibuat dengan memasukkan serat keramik yang kuat ke dalam matrik logam untuk menghasilkan material yang kuat dan rigid. Sebagai contoh, serat SiC dimasukkan ke dalam matrik aluminium. Komposit ini yang dikenal dengan komposit bermatrik logam (metal matrix composites) digunakan sebagai material struktur pesawat untuk komponen yang terkena beban menengah seperti skin badan pesawat.
Sedangkan komposit serat logam dalam matrik keramik dibuat untuk mendapatkan keuntungan dari kekuatan keramik dan mendapatkan keuletan dari serat logam yang dapat mendeformasi dan membelokkan retak. Pada waktu retak terbelokkan, dibutuhkan beban yang lebih agar retak tetap menjalar, dan karenanya material menjadi lebih tangguh.
Berikut ini beberapa kemungkinan pengembangan baru bagi komposit:
  • Potensi yang besar untuk mengurangi berat pesawat terbang. Penggunaan awal adalah untuk komponen dengan pembebanan ringan seperti penstabil vertikal dan permukaan kontrol yang terbuat dari komposit serat karbon-epoksi. Dengan komposit bermatrik logam, akan dimungkinkan penggunaan yang lebih luas termasuk untuk komponen dengan pembebanan yang berat.
  • Komposit bermatrik keramik yang tahan suhu tinggi akan meningkatkan suhu operasi dari mesin.
  • Peluang yang signifikan dalam peningkatan penggunaan komposit adalah untuk belajar mendisain dengan material yang mempunyai modus kegagalan yang sangat berbeda dengan material konvensional.
Bersambung...
Reff: Schaffer et all.

Thursday, April 2, 2009

MENGENAL JENIS-JENIS MATERIAL (2)
Pada kesempatan yang lalu saya telah memperkenalkan sekilas tentang logam dan keramik. Kali ini saya akan meneruskan membahas tentang jenis-jenis material yang lain yaitu polimer.

POLIMER
Polimer terdiri dari molekul-molekul yang membentuk rantai yang panjang dalam bentuk grup-grup yang berulang. Unsur-unsur yang umum dalam rantai utama meliputi C, O, N dan Si. Sebagai contoh, polimer yang umum dengan struktur yang sederhana adalah polietilen. Strukturnya adalah sebagai berikut:



Ada dua macam ikata dalam polimer yaitu ikatan primer dan sekunder. Ikatan dalam rantai utama adalah ikatan primer yang kovalen, karenanya rantai-rantai molekulnya sangat kuat. Sedangkan antar rantai utama ikatannya adalah ikatan sekunder yang relatif lemah. Ini berarti pada umumnya rantai-rantai mudah mengalamai "sliding"dengan rantai lainnya jika dikenakan beban gaya, dan karenaya kekuatannya relatif rendah. Selain itu, banyak polimer cenderung melunak pada pemanasan ke suhu sedang, sehingga umumnya polimner tidak digunakan untuk aplikasi suhu tinggi.
Walaupun demikian, polimer memiliki sifat-sifat yang yang membuatnya menarik di berbagai aplikasi.Karena polimer mengandung unsur-unsur yang umum dan relatif murah proses sintesanya, atau bahkan terdapat di alam, menjadikan polimer dapat diperoleh dengan murah. Polimer juga memiliki densitas yang rendah dan mudah dibentuk menjadi bentuk yang komplek. Karenanya polimer dapat menggantikan logam untuk komponen-komponen otomotif dan pesawat terbang, terutama komponen yang tidak mendapat beban yang tinggi. Karena sifat-sifatnya, dan juga tidak bereaksi dengan senyawa kimia (tapi yang ini masih diperdebatkan), polimer digunakan sebagai wadah minuman dan sebagai pipa saluran air.
Seperti juga logam dan keramik, sifat-sifat polimer dapat dimodifikasi dengan perubahan komposisi dan dengan pemrosesan. Sebagai contoh, penggantian salah satu dari empat atom H dengan cincin benzena dapat merubah polietilen menjadi polistiren. Jika grup benzena di dalam polistiren digantikan dengan satu atom Cl, akan terbentuk polivinilklorida (PVC). Atom Cl akan membatasi mobilitas rantai lebih kuat dari atom H tetapi lebih lemah dari cincin benzena. Tiga jenis polimer ini mengilustrasikan prinsip dasar yang berlaku bagi semua material, yaitu hubungan antara struktur material dan sifat-sifatnya.
Beberapa aplikasi polimer yang potensial saat ini adala;
  • Pengembangan polimer bio-degradable menawarkan potensi untuk meminimalkan pengaruh negatif pada lingkungan.
  • Teknologi polimer kristal-cair memungkinkan pengembangan material struktur yang ringan.
  • Polimer konduktor listrik dapat menggantikan kawat logam konvensional untuk apllikasi kabel listrik yang ringan pada pesawat ruang angkasa.
  • Pengembangan komposit matrik polimer dengan penguat serat alam untuk aplikasi bodi otomotif.
Sekian dulu ya...bersambung....
Referensi; J.P. Schsffer et all.

Wednesday, April 1, 2009

MENGENAL JENIS-JENIS MATERIAL
Pada postingan kali ini saya akan membahas sekilas mengenal apa itu logam, keramik, polimer, komposit dan semikonduktor.

LOGAM
Logam merupakan padatan yang memiliki atom-atom yang tersusun secara teratur, letak atau posisi atom-aton tersebut di dalam struktur berulang menurut pola tertentu. Struktur teratur yang berulang ini dikenal sebagai kristal dan memberikan sifat-sifat yang spesifik. Logam adalah konduktor listrik yang bagus, material yang relatif kuat, padat, dapat dideformasi menjadi bentuk yang komplek, dan tahan patah getas terhadap beban impak yang tinggi. Karena sifat-sifat fisik dan mekaniknya ini, membuat logam merupakan salah satu grup material yang sangat penting untuk aplikasi struktur dan listrik. Logam secara ekstensif digunakan pada automobil, pesawat terbang, bangunan, jembatan, perkakas mesin, dan aplikasi lainnya di mana dibutuhkan kombinasi kekuatan tinggi dan ketahanan terhadap patah getas. Pada kenyataannya kombinasi sifat yang bagus antara kekuatan dan keliatan ( tahan terhadap patah) inilah yang membuat logam sangat umum digunakan sebagai material struktur.Walaupun pengembangan paduan logam sudah hampir pada klimaksnya, usaha meningkatkan kemampuan masih terus dilakukan, misalnya dengan penambahan partikel keramik sebagai penguat pada matrik logam, yang dikenal dengan komposit matrik logam (MMCs-Metal Matrix Composites). selain itu perkembangan terakhir memberikan harapan yang menjanjikan dengan adanya perkembangan teknologi nano. Dengan teknologi ini, dimungkinkan membuat logam yang mempunyai struktur dalam skala ukuran nano meter yang berefek terhadap peningkatan kekuatan logam yang berlipat dari kekuatan logam dengan struktur yang sekarang ( skala mikron).

KERAMIK
Pada umumnya keramik merupakan senyawa dari unsur logam dan non-logam. Unsur non-logam biasanya oksigen seperti pada Al2O3, MgO, CaO yang merupakan contoh tipikal dari keramik. Perbedaan keramik dan logam ialah pada ikatan antar atomnya, pada keramik ikatannya adalah ionik dan atau kovalen, sedangkan pada logam ikatannya adalah ikatan logam. Karenanya tidak ada elektron bebas di dalam keramik, sehingga ia merupakan konduktor listrik yang buruk dan digunakan sebagai penyekat (isolator) pada aplikasi listrik. Misalnya pada busi, digunakan isolator keramik untuk memisahkan komponen logam.
Detil mengenai ikatan antar atom akan di posting di lain waktu. Tetapi kali ini cukuplah saya katakan bahwa ikatan ionik dan ikatan kovalen itu sangat kuat. Karenaya, keramik secara intrinsik lebih kuat dari pada logam. Akan tetapi karena strukturnya yang lebih komplek, ion-ion atau atom-atom dalam keramik tidak mudah dipindah tempatkan oleh beban atau gaya tertentu dan ia akan cenderung patah getas dari pada melengkung seperti logam. Kegetasan inilah umumnya yang membatasi penggunaan keramik sebagai material struktur, meskipun perkembangan terakhir ada perbaikan dengan memasukkan serat keramik ke dalam matrik keramik dan dengan inovasi teknologi lainnya. Akan tetapi pula struktur ikatan yang rigid ini bagi keramik memberikan keuntungan yang lain, yaitu kestabilan pada suhu tinggi, tahan terhadap serangan kimia, dan tahan terhadap absorpsi senyawa asing. Karena itu keramik cocok untuk aplikasi pada suhu tinggi seperti untuk komponen di dalam ruang pembakaran mesin jet, untuk wadah senyawa kimia yang reaktif, dan lain-lain.
Kebanyakan keramik adalah kristalin, tetapi beberapa ada yang non-kristalin. Contoh yang paling umum adalah kaca jendela, yang terdiri dari SiO2 dengan penambahan beberapa oksida logam. Sifat-sifat optik merupakan sifat yang penting pada gelas, dan dapat dikontrol melalui komposisi dan proses.Selain itu sifat-sifat mekanik dan termal gelasdapat juga dikontrol. Gelas/kaca pengaman, merupakan gelas yang telah dilakukan siklus termal yang memberikan permukaan gelas dalam keadaan kompresi, sehingga tahan terhadap retak. Bahkan, gelas/kaca yang diproses seperti ini dapat menahan retak ketika dipukul oleh palu.
Aplikasi keramik yang potensial saat ini dan memberikan pengeruh ekonomi yang besar adalah:
- Diindustri otomotif, sifat kekuatan dan termal keramik sangat dibutuhkan untuk komponben mesin. Sebagai contoh, lebih dari 60.000 mobil di Jepang menggunakan turbocarjer keramik, yang meningkatkan efisiensi automobil. Material ini adalah Si3N4 atau SiC yang diproses untuk tahan terhadap patah.
- Keramik berdasarkan senyawa seperti YB2Cu3O7 danBa2Sr2CaCu2Ox telah meningkatkan suhu kritis superkonduktor ke 95 K. Ini berarti bahwa film superkonduktor dapat digunakan sebagai pelapis peralatan gelombang mikro dan sebagai kawat untuk berbagai macam aplikasi.
- Komputer generasi mendatang akan menggunakan komponen olektro-optik dari keramik yang akan meningkatkan kecepatan dan efisiensi.
...Bersambung...
Referensi:J.P.Schaffer et all.

APA SAJA JENIS-JENIS MATERIAL
Secara garis besar material dapat digolongkan menjadi lima grup besar yaitu LOGAM, KERAMIK, POLIMER, KOMPOSIT dan SEMIKONDUKTOR. Yang termasuk logam barangkali yang familiar adalah besi, tembaga, aluminium, emas dan lain-lain; yang termasuk keramik yang umum adalah pasir, batu bata, semen, gelas (jendela), grafit dan lain-lain; contoh polimer yang umum adalah selulosa, nilon, polietilen, Teflon, Kevlar, polystiren dan lain-lain; sedangkan contoh komposit misalnya fiber karbon di dalam matrik epoxy yang digunakan dalam raket tenis; dan contoh semikonduktor yang sederhana adalah silikon dan germanium.
Apa dasar pengolongan material menjadi grup-grup di atas? Banyak material-material yang mempunyai struktur atom atau sifat-sifat teknik yang sama atau keduanya sama, maka akan mudah mengelompokkan mereka berdasarkan kesamaan ini menjadi grup-grup besar ini. Tentunya pengelompokan ini dapat berubah dengan penemuan baru dan kemajuan teknologi. Komposit, yang juga kadang-kadang disebut material-rekayasa, merupakan contoh yang tepat dari klasifikasi grup yang baru. Material ini dibuat dengan menggabungkan dua material atau lebih menggunakan teknologi canggih untuk mendapatkan sifat-sifat yang tidak dapat dicapai oleh material yang sudah ada.
Karena sifat-sifat material berkaitan dengan strukturnya, penting untuk dipahami bahwa cara material itu diproses akan mempengaruhi strukturnya dan kemudian sifat-sifatnya. Sebagai contoh dari konsep yang penting ini,yaitu misalnya bagaimana proses termal mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat baja. Jika baja didinginkan perlahan-lahan dari suhu tinggi, baja akan relatif lunak dan memiliki kekuatan yang rendah. Jika baja yang sama didinginkan cepat (quenching) dari suhu tinggi yang sama, ia akan sangat keras dan getas. Akhirnya, jika baja diquench dan kemudian dipanaskan kembali ke suhu sedang (menengah), ia akan mempunyai kombinasi yang bagus antara kekuatan (strength) dan keliatan (toughness).
Pembahasan setiap grup material diatas, bersamaan dengan beberapa hubungan struktur-sifat akan dibahas pada postingan berikutnya.
Sumber: J.P.Saxena et all

Tuesday, March 24, 2009

SEKILAS ILMU DAN TEKNIK MATERIAL
Kehidupan manusia tidak terlepas dari material. Semua benda di sekeliling kita bisa dikategorikan sebagai material dalam pengertian umum. Lihat saja mulai dari rumah kita terdiri dari batu bata yang terbuat dari material lempung (clay-kumpulan dari berbagai senyawa oksida), semen yang juga merupakan campuran mineral oksida, kaca (oksida amorf), kayu (bio-material) dan lain-lain. Kemudian kendaraan yang kita pakai, mobil, motor, kereta atau pesawat terbang, yang terbuat dari sebagian besar material logam dan sebagian lain polimer, karet, kaca, dll. Belum lagi kalau kita melirik barang-barang elektronik di rumah kita, selain terbuat logam dan polimer juga material semikonduktor, superkonduktor, magnet dan lain-lain.
Material telah memainkan peran yang penting dalam menunjang kehidupan manusia, melibatkan sejarah politik dan kebudayaannya. Bahkan perkembangan peradaban manusia telah dinamai dengan nama material yang penting di jamannya, mulai dari jaman batu, jaman perunggu, jaman besi, jaman beton/baja, jaman polimer, jaman silikon, sampai ke jaman material cerdas dan material nano saat ini.
Material dapat dikatakan berada pada inti dari semua kemajuan teknologi. Pengembangan, sintesa dan pemrosesan material membuka peluang-peluang yang diimpikan beberapa dekade terakhir. Sebagai contoh kemajuan spektakuler telah dicapai di berbagai bidang seperti energi, telekomunikasi, multimedia, komputer, konstruksi dan transportasi. Perjalanan dengan pesawat terbang akan tidak mungkin tanpa material yang dikembangkan spesifik untuk mesin jet, dan akan tidak ada komputer tanpa sirkuit mikroelektronik padat. Dan telah diakui bahwa transistor mempunyai pengaruh yang besar pada penemuan ilmu dan teknologi sampai sekarang.
Sepanjang sejarah, sebagian besar dari terobosan teknologi telah dikaitkan dengan pengembangan material baru dan proses. Sebagai contoh, pada inovasi proses material yang menghasilkan pengembangan pedang Damaskus. Ada dua metoda yang digunakan untuk membuat pedang ini. Pada salah satu metoda, lapisan-lapisan besi lunak dan baja ditumbuk-tumbuk pada suhu tinggi untuk menghasilkan bilah pedang yang mempunyai mata pedang dari baja yang keras untuk mempertahankan permukaan potong yang tajam, dan badan pedang dari besi yang dapat menahan patah. Di Jepang, hasil yang sama diperoleh dengan menumbuk baja sampai lembaran tipis dan kemudian dilipat berkali-kali. Proses ini menghasilkan struktur logam keras dan lunak yang berlapis-lapis. Senjata yang terbuat dari logam dengan struktur ini memberikan keuntungan yang besar pada para pemiliknya dalam peperangan.
Contoh ini mengilustrasikan salah satu dari prinsip-prinsip kunci ilmu dan teknik material-yaitu hubungan yang erat antara struktur, sifat-sifat dan proses. Struktur logam yang dihasilkan dari metoda proses yang inovatif menghasilkan kombinasi baru sifat-sifat yang memberikan keuntungan yang berarti terhadap siapa saja yang mengembangkan teknologi. Jadi, pedang-pedang ini menggambarkan salah satu material teknik yang pertama.
Dalam satu dekade terakhir, pengembangan proses untuk menghasilkan kontrol struktur dan komposisi yang presisi telah membuat teknologi transistor mini menjadi kenyataan. Hasilnya merupakan revolusi elektronik yang menghasilkan produk seperti komputer, telepon seluler, dan CD player. Akhir-akhir ini juga dunia teknologi didongkrak dengan adanya pengembangan material struktur nano yang memiliki sifat-sifat yang berlipat ganda dari material struktur mikron. Material nano ini memungkinkan penggantian mikrochip dengan nanochip. Dalam dunia kedokteran, obat-partikel nano memungkinkan penyerapan yang cepat ke dalam aliran darah sehingga mempercepat proses penyembuhan. Jadi material telah memainkan peranan yang sangat penting dalam mempengaruhi semua aspek fisik dari kehidupan modern.