Bagian-bagian utama dari komposit

 

Bagian-bagian utama dari komposit

4.1 Reinforcement

Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit.

Gambar 1. Ilustrasi reinforcement pada komposit

 

 

 

Berdasarkan bentuk dari  reinforcement-nya, komposit dapat dibedakan menjadi :

Gambar 2. Pembagian komposit berdasarkan bentuk dari  reinforcement-nya

 

Adapun ilustrasi dari komposit berdasarkan reinforcement-nya dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3  Ilustrasi komposit berdasarkan reinforcement-nya

 

a.     Partikel sebagai penguat (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

Metalurgi serbuk adalah metode yang terus dikembangkan dari proses manufaktur yang dapat mencapai bentuk komponen akhir dengan mencampurkan serbuk secara bersamaan dan dikompaksi dalam cetakan, dan selanjutnya disinter didalam dapur. Tahapan metalurgi serbuk meliputi pencampuran, penekanan dan sintering. Pencampuran adalah menggabungkan 2 bahan serbuk atau lebih agar lebih homogen. Penekanan adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk tertentu yang sesuai dengan cetakannya. Sintering merupakan teknik untuk memproduksi material dengan densitas yang terkontrol dan komponen logam dan atau serbuk keramik dengan aplikasi termal.

b)    Stir Casting

c)     Infiltration Process

d)    Spray Deposition

e)    In-Situ Process

 

Panjang partikel dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut :

1)    Large particle

Komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel, dimana interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular. Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi  merata. Contoh dari large particle composite adalah cemet dengan sand atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai  atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai partikel, Sphereodite steel (cementite sebagai partikulat), Tire (carbon sebagai partikulat), Oxide-Base Cermet (oksi

da logam sebagai partikulat).

(a)

(b)

Gambar 4. a. Flat flakes sebagai penguat (Flake composites) b. Fillers  sebagai penguat (Filler composites)

 

2)    Dispersion strengthened particle

a)    Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.

b)    Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.

 

b.    Fiber sebagai penguat (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. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit.

 

Fiber yang digunakan 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 :

Gambar 5. Parameter fiber dalam pembuatan komposit

 

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

 

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu :

:

Gambar 6. Tipe serat pada komposit

 

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.

 

Gambar 7. Tipe discontinuous fiber

 

 

 

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.

 

Jenis fiber yang  biasa digunakan untuk pembuatan komposit antara lain sebagai berikut :

a)    Fiber-glass

Sifat-sifat fiber-glass, yaitu sebagai berikut :

1.     Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc)

2.     Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa)

3.     Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa)

4.     Stabilitas dimensinya baik

5.     Resisten terhadap panas dan dengin

6.     Tahan korosi

7.     Komposisi umum adalah 50-60% SiO₂ dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dan lain-lain.

 

Keuntungan dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :

1.     Biaya murah

2.     Tahan korosi

3.     Biayanya relatif lebih rendah dari komposit lainnya

4.     Biasanya digunakan untuk piing, tanks, boats, alat-alat olahraga

 

Kerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :

1.     Kekuatannya relatif rendah

2.     Elongasi tinggi

3.     Kekuatan dan beratnya sedang (moderate)

 

Jenis-jenisnya antara lain :

1.     E-glass

2.     C-glass

3.     S-glass

Tabel 1. Sifat-sifat dari jenis-jenis fiber-glass

 

Tabel 2. Komposisi senyawa kimia fiber-glass

 

b)    Fiber-nylon

Sifat-sifat fiber-nylon, yaitu sebagai berikut :

1.     Dibuat dari polyamide

2.     Lebih kuat, lebih ringan, tidak getas dan tidak lebih kaku dari karbon

3.     Contoh merek nylon yaitu Kevlar (DuPont) dan Kwaron (Akzo)

 

c)     Fiber-carbon

Sifat-sifat fiber-carbon, yaitu sebagai berikut :

1.     Densitas karbon cukup ringan yaitu sekitar 2,3 g/cc.

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

3.     Mempunyai karakteristik yang ringan, kekuatan yang sangat tinggi, kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.

4.     Memisahkan bagian yang bukan karbon melalui proses

5.     Terdiri dari + 90% karbon

6.     Dapat dibuat bahan turunan : grafit yang kekuatannya dibawah serat karbon

7.     Diproduksi dari Polyacrylnitril (PAN), melalui tiga tahap proses, yaitu sebagai berikut :

a.     Stabilisasi = Peregangan dan oksidasi.

b.     Karbonisasi = Pemanasan untuk mengurangi O, H, N

c.     Grafitisasi = Meningkatkan modulus elastisitas.

 

Tabel 3. Kelebihan Versus Kekurangan

Fiber	Kelebihan	Kekurangan
Fiber-glass	1.       Kekuatan tinggi 2.       Relatif murah	Kurang elastis
Fiber-carbon	1.       Kuat hingga sangat kuat 2.       Stiffness(kuat+keras) besar 3.       Koefisien pemuaian kecil 4.       Menahan getaran	1.   Agak getas 2.   Nilai peregangan kurang 3.   Agak mahal
Fiber-graphite	1.       Lebih stiffness dari Carbon 2.       Lebih ulet	Kurang kuat disbanding Carbon
Fiber-nylon(aramid)	1.       Agak stiff (kuat+keras) & sangat ulet 2.       Tahan terhadap benturan 3.       Kekuatanya besar (lebih kuat dari baja) 4.       Lebih murah dari carbon	1.   Kekutan tekan lebih rendah dari carbon 2.   Ketahanan panas lebih rendah dari carbon (hingga 180*C)

 

Hybride Fiber (kombinasi dari berbagai jenis serat)

1)    Glass Versus Carbon

a)    Meningkatkan shock resistence (tahan benturan)

b)    Meningkatkan fracture resistence (tahan patahan/ulet)

c)     Mengurangi biaya

2)    Glass Versus Nylon

a)    Menigkatkan kekuatan tekan

b)    Memperbaiki pemrosesan (manufaktur)

c)     Mengurangi biaya

3)    Carbon Versus Nylon

a)    Meningkatkan kekuatan tarik

b)    Meningkatkan kekuatan tekan

c)     Meningkatkan kekuatan pada pembengkokan

 

 

c.     Fiber sebagai sturktural (Structute composites)

Komposit struktural dibentuk oleh reinforce- reinforce yang memiliki bentuk lembaran-lembaran. Berdasarkan struktur, komposit dapat dibagi menjadi dua yaitu struktur laminate dan struktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur komposit tersebut dapat dilihat pada Gambar 8.

 

a	b

Gambar 8.  Ilustrasi komposit berdasarkan Strukturnya :  a. Struktur laminate b. Sandwich panel

 

 

1)    Laminate

Laminate adalah gabungan dari dua atau lebih lamina (satu lembar komposit dengan arah serat tertentu) yang membentuk elemen struktur secara integral pada komposit. Proses pembentukan  lamina  ini menjadi  laminate dinamakan proses  laminai. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat penguatnya searah saja  (unidirectional lamina) pada umumnya tidak menguntungkan karena memiliki sifat yang buruk. Untuk itulah struktur

komposit dibuat dalam bentuk  laminate yang terdiri dari beberapa macam lamina atau lapisan yang diorientasikan dalam arah yang diinginkan dan digabungkan bersama sebagai sebuah unit struktur. Mikrostruktur  lamina dan jenis-jenis dari arah serat dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 9. Mikrostruktur lamina

 

Gambar 10. Jenis-jenis dari fiber reinforced composites

 

Terdapat beberapa  lamina, yaitu:

a)    Continous fiber laminate,  lamina jenis ini mempunyai lamina penyusun dengan serat yang tidak terputus hingga mencapai ujung-ujung lamina. Continous fiber laminate terdiri dari :

1.     Unidirectional laminate (satu arah), yaitu bentuk  laminate  dengan tiap lamina mempunyai arah serat yang sama. Kekuatan terbesar dari komposit lamina ini adalah searah seratnya.

2.     Crossplien quasi-isotropoic (silang), lamina ini mempunyai susunan serat yang saling silang tegak lurus satu sama lain antara lamina.

3.     Random/woven fiber composite,  lamina ini mempunyai susunan serat.

b)    Discontinous fiber composite, berbeda dengan jenis sebelumnya maka laminate ini pada masing-masing lamina terdiri dari potongan serat pendek yang terputus dan mempunyai dua jenis yaitu :

1.     Short Alighned Fiber, potongan serat tersusun dalam arah tertentu, sesuai dengan keperluan setiap lamina.

2.     In-Plane Random Fiber,  potongan serat disebarkan secara acak atau arahnya tidak teratur.

 

2)    Sandwich panels

Komposit sandwich merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangat potensial untuk dikembangkan. Komposit sandwich merupakan komposit yang tersusun dari 3 lapisan yang terdiri dari  flat composite (metal sheet) sebagai  kulit permukaan (skin) serta meterial inti (core) di bagian tengahnya (berada di antaranya). Core yang biasa dipakai adalah core import, seperti polyuretan (PU), polyvynil Clorida (PVC), dan honeycomb.Komposit  sandwich dibuat dengan tujuan untuk efisiensi berat yang optimal, namun mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Sehinggga untuk mendapatkan karakteristik tersebut,  pada bagian tengah diantara kedua  skin dipasang core.

Komposit  sandwich merupakan jenis komposit yang sangat cocok untuk menahan beban lentur, impak, meredam getaran dan suara. Komposit  sandwich dibuat untuk mendapatkan struktur yang ringan tetapi mempunyai kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Biasanya pemilihan bahan untuk komposit  sandwich, syaratnya adalah ringan, tahan panas dan korosi, serta harga juga dipertimbangkan. Dengan menggunakan material inti yang sangat ringan, maka akan dihasilkan komposit yang mempunyai sifat kuat, ringan, dan kaku. Komposit  sandwich dapat diaplikasikan sebagai struktural maupun  non-struktural bagian internal dan eksternal pada kereta, bus, truk, dan jenis kendaraan yang lainnya.

Gambar 11. Structural composites sandwich panels

 

4.2 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.

 

Gambar 12. Ilustrasi matriks pada komposit

 

Berdasarkan bentuk dari  matriks-nya, komposit dapat dibedakan menjadi :

Gambar 13. Klasifikasi komposit Berdasarkan bentuk dari  matriks-nya

 

Gambar 14. Matriks dari beberapa tipe komposit

 

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 dari PMC :

1)    Bathroom furniture

2)    Aerospace

3)    Construction material

 

Jenis polimer yang banyak digunakan :

1)    Thermoplastic

Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel) kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh ari thermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES, dan Polieter eterketon (PEEK).

 

2)    Thermoset

Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis termoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yang bersifat termoplastik. Contoh dari thermoset yaitu Epoksida, Bismaleimida (BMI), dan Poli-imida (PI).

 

Aplikasi PMC, yaitu sebagai berikut :

1)    Matrik berbasis poliester dengan serat gelas

a)       Alat-alat rumah tangga

b)       Panel pintu kendaraan

c)       Lemari perkantoran

d)       Peralatan elektronika.

2)    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

4)    Contoh : Almunium beserta paduannya, Titanium beserta paduannya, Magnesium beserta paduannya.

 

Proses pembuatan MMC :

1)    Powder metallurgy

2)    Casting/liquid ilfiltration

3)    Compocasting

4)    Squeeze casting

 

Aplikasi MMC, yaitu sebagai berikut :

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 stanil bahkan lebih stabil daripada logam

2)    Sangat tanggung , 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

 

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.