Muthiah Putri Humaira: Teknologi Material Komposit

A. Pengertian Material Komposit (komposit)
Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit). Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent

B. Tujuan pembuatan material komposit
• 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

C. Penyusun Komposit
Komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa:

C.1 Matriks

Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :

a) Mentransfer tegangan ke serat.
b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.
c) Melindungi serat.
d) Memisahkan serat.
e) Melepas ikatan.
f) Tetap stabil setelah proses manufaktur.

C.2 Reinforcement atau Filler atau Fiber
Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit.

Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah penyebutannya; Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Penguat (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:

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

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

o 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)

o Pemanasan (sintering)

D. 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.

E. 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.

F. Klasifikasi komposit

Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar yaitu:

a. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik

b. Komposit matrik logam (KML), logam sebagai matrik

c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik

a. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC)

Komposit ini bersifat :
1) Biaya pembuatan lebih rendah
2) Dapat dibuat dengan produksi massal
3) Ketangguhan baik
4) Tahan simpan
5) Siklus pabrikasi dapat dipersingkat
6) Kemampuan mengikuti bentuk
7) Lebih ringan.

Keuntungan dari PMC :
1) Ringan
2) Specific stiffness tinggi
3) Specific strength tinggi
4) Anisotropy

Aplikasi PMC, yaitu sebagai berikut :
-Matrik berbasis poliester dengan serat gelas
a) Alat-alat rumah tangga
b) Panel pintu kendaraan
c) Lemari perkantoran
d) Peralatan elektronika.

-Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas = Kotak air radiator

3) Matrik berbasis termoset dengan serat carbon
a) Rotor helikopter
b) Komponen ruang angkasa
c) Rantai pesawat terbang

b. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)
Metal Matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matrik logam. Material MMC mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah Continous Filamen MMC yang digunakan dalam aplikasi aerospace.

Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC :
1) Transfer tegangan dan regangan yang baik.
2) Ketahanan terhadap temperature tinggi
3) Tidak menyerap kelembapan.
4) Tidak mudah terbakar.
5) Kekuatan tekan dan geser yang baik.
6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik

Kekurangan MMC :
1) Biayanya mahal
2) Standarisasi material dan proses yang sedikit

Matrik pada MMC :
1) Mempunyai keuletan yang tinggi
2) Mempunyai titik lebur yang rendah
3) Mempunyai densitas yang rendah
Contoh : Almunium beserta paduannya, Titanium beserta paduannya, Magnesium beserta paduannya.

Aplikasi MMC:
1) Komponen automotive (blok-silinder-mesin,pully,poros gardan,dll)
2) Peralatan militer (sudu turbin,cakram kompresor,dll)
3) Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang)
4) Peralatan Elektronik

c. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)

CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. Salah satuproses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik disekeliling daerah filler (penguat).

Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah :

1) Gelas anorganic.

2) Keramik gelas

3) Alumina

4) Silikon Nitrida

Keuntungan dari CMC :

1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam

2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron

3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus

4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi

5) Tahan pada temperatur tinggi (creep)

6) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi.

Kerugian dari CMC:

1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar

2) Relative mahal dan non-cot effective

3) Hanya untuk aplikasi tertentu

Aplikasi CMC, yaitu sebagai berikut :

1) Chemical processing = Filters, membranes, seals, liners, piping, hangers

2) Power generation = Combustorrs, Vanrs, Nozzles, Recuperators, heat exchange tubes, liner

3) Wate inineration = Furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors.

4) Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakas potong.

5) Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser.

6) Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem.

7) SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas.

Kelebihan Bahan Komposit

Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal, keupayaan (reliability), kebolehprosesan dan biaya. Seperti yang diuraikan dibawah ini :

a. Sifat-sifat mekanikal dan fisikal

1. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam.

2. Dalam industri angkasa lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikan komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti komposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik terutamanya komposit yang menggunakan serat karbon.

3. Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah rintangan terhadap kakisa yang lemah terutama produk yang kebutuhan sehari-hari. Kecendrungan komponen logam untuk mengalami kakisan menyebabkan biaya pembuatan yang tinggi. Bahan komposit sebaiknya mempunyai rintangan terhadap kakisan yang baik.

4. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya guna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan.

5. Massa jenis rendah (ringan)

6. Lebih kuat dan lebih ringan

7. Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan

8. Lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas.

9. Koefisien pemuaian yang rendah

10. Tahan terhadap cuaca

11. Tahan terhadap korosi

12. Mudah diproses (dibentuk)

13. Lebih mudah disbanding metal

b. Biaya

Faktor biaya juga memainkan peranan yang sangat penting dalam membantu perkembangan industri komposit. Biaya yang berkaitan erat dengan penghasilan suatu produk yang seharusnya memperhitungkan beberapa aspek seperti biaya bahan mentah, pemrosesan, tenaga manusia, dan sebagainya.

Kekurangan Bahan Komposit

a. Tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkan dengan metal.

b. Kurang elastis

c. Lebih sulit dibentuk secara plastis

Kegunaan Bahan Komposit

Penggunaan bahan komposit sangat luas, yaitu untuk :

a. Angkasa luar = Komponen kapal terbang, Komponen Helikopter, Komponen satelit.