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.

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.

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