APLIKASI KOMPOSIT ALUMINIUM BERPENGUAT Al2O3 PADA TEMPERATUR TINGGIhttp://gogetitnararia.wordpress.com/2012/03/13/aplikasi-komposit-aluminium-berpenguat-al2o3-

pada-temperatur-tinggi/

Pendahuluan

Keramik alumina (Al2O3) merupakan keramik refraktori yang sangat keras, biasa diaplikasikan

pada struktur temperatur tinggi dan aplikasi substrat karena memiliki kekerasan yang bagus dan

koefisien ekspansi thermal yang tinggi. Sayangnya, seperti keramik kebanyakan,  alumina

memiliki keuletan yang rendah dan fracture toughnessyang rendah, sehingga keramik alumina

biasanya ditambahkan ke logam (seperti aluminium, kobalt atau niobium) yang kekerasannya

rendah namun memiliki keuletan yang tinggi.

Metal Matrix Composite dengan matriks aluminium biasanya diperkuat dengan keramik silikon

karbida atau keramik alumina. Matriks harus terikat secara kuat dengan penguatnya, namun

tidak boleh memiliki interaksi kimia sehingga cara yang baik untuk memperkuat ikatan matriks

dengan penguat adalah dengan meningkatkan pembasahanpartikel penguat dengan matriksnya.

Apabila pembasahan tidak baik dapat terjadi aglomerasi dari penguat yang dapat

mengakibatkan distribusi tegangan yang buruk, banyaknya porositas yang terbentuk dan sifat

mekanis yang kurang baik [1].

Untuk meningkatkan pembasahan, diperlukan penambahan aditif pada MMC. Berdasarkan studi

yang dilakukan, aditif yang memiliki efisiensi paling tinggi dalam meningkatkan pembasahan

untuk partikel keramik silikon karbida atau alumina adalah silikon atau magnesium. [idem].

Persebaran partikulat keramik pada matriks aluminium juga sangat penting dalam produksi

material komposit. Distribusi persebaran partikel alumina pada matriks MgO dapat ditingkatkan

melalui penambahan MgO [1].

Metode Fabrikasi

Beberapa metode untuk fabrikasi komposit aluminium berpenguat partikel alumina ini

adalah mechanical alloying dengan high energy milling, proses vortex, deposisi lelehan,

metalurgi serbuk, pengecoran ultrasonic, metode liquid. Metode fabrikasi dari komposit

aluminium yang digunakan dan dikembangkan akhir-akhir ini adalah metode casting dan

metalurgi serbuk.

Kumar et al. melakukan penelitian komposit aluminium dengan penguat partikel keramik alumina

menggunakan fabrikasi dengan teknik liquid metallurgy. Partikel alumina dipreheating sebelum

diaduk pada lelehan aluminium dan diaduk selama 10 menit dengan kecepatan 400 rpm [2].

Su et al. berpendapat bahwa fabrikasi yang baik untuk komposit Al/Alumina ini adalah

metode liquid state dengan stir casting. Metode tersebut tidak membutuhkan biaya yang besar

dan menghasilkan produk yang bentuknya mendekati cetakannya. Namun metode ini cukup sulit

karena partikel alumina yang terdispersi kedalam lelehan matriks sulit mencapai distribusi yang

seragam akibat rasio surface to volume yang besar dan kurangnya wettability [3]. Penelitian

tersebut menggunakan raw materials serbuk Al dengan ukuran partikel 80 – 100 µm dan serbuk

nano Alumina dengan bentuk partikelspherical dan berukuran 65 nm. Ingot aluminium yang

digunakan adalah paduan aluminium 2024. Pertama-tama serbuk nano alumina dan serbuk

aluminium dicampur menggunakan ball-milling untuk mengurangi kecenderungan partikel nano

alumina yang meng-cluster. Setelah mixing selesai, lalu campuran kedua serbuk tersebut

dituang ke lelehan matriks ingot aluminium. Perlakuan ultrasonik ditambahkan pada saat

pengecoran untuk proses degassing pada lelehan komposit. Hasil proses menunjukkan

bahwa solid-liquid casting dengan perlakuan ultrasonik sangat cocok digunakan untuk

memproduksi komposit aluminium dengan nanopartikel alumina.

Gambar 1. Proses fabrikasi komposit aluminium dengan penguat partikel alumina menggunakan

metode liquid state casting dengan ultrasonic solidification [4]

Rahimian et al. mengembangkan komposit aluminium berpenguat partikel alumina dengan

metalurgi serbuk yang diikuti dengan proses sintering [5]. Solid state diffusionmemiliki peran

penting dalam pembentukan dan pertumbuhan ikatan interpartikel, jadi ikatan yang dimiliki oleh

komposit pada penelitian ini adalah diffusion bonding. Ikatan ini diperkirakan terjadi akibat

disolusi atau reaksi antara matriks dan partikulat penguat. Sayangnya, reaksi diffusion

bonding ini menurunkan sifat mekanis. Kekurangan tersebut dapat diperbaiki dengan ekstrusi.

Berdasarkan penelitian, kekerasan maksimum yang dimiliki oleh komposit adalah 76 HB dengan

ukuran partikel alumina 3 µm yang disinter pada temperatur 600 °C selama 45 menit.

Borgonovo menjelaskan pada thesisnya, metode metalurgi serbuk cenderung membutuhkan

biaya yang lebih besar karena prosesnya yang cukup rumit (blending, pressing, sintering).

Keuntungan metode ini adalah kecenderungan partikel alumina untuk meng-cluster dan

teraglomerisasi sangat rendah, selain itu juga produk akhir yang dihasilkan mendekati bentuk

cetakan aslinya. Selain itu rentang ukuran partikel alumina atau aluminium yang ingin digunakan

sangat luas dan sangat banyak pilihannya di pasaran, tergantung pada kebutuhan dan aplikasi

[4].

<strong>Gambar 2. Proses fabrikasi komposit aluminium dengan penguat partikel alumina pada

metode metalurgi serbuk [4]

Corrochano et al. melakukan penelitian dengan menggunakan whiskers alumina sebagai

pengganti partikel alumina pada komposit aluminium. Metode fabrikasi yang digunakan adalah

metalurgi serbuk. Serbuk aluminium diatomisasi dengan gas dan diaduk dengan 10 wt. %

whiskers alumina dan dilakukan ekstrusi pada temperature 723 K. [6]

Berdasarkan studi diatas, dapat disimpulkan bahwa fabrikasi dari komposit aluminium

berpenguat partikel keramik alumina dengan metode metalurgi serbuk lebih efektif daripada

metode casting, dilihat dari sisi bagusnya ikatan antara matriks dengan partikel penguat.

Metode casting lebih digemari karena cost saving namun partikel alumina yang tersebar pada

matriks kurang terdispersi secara merata pada matriks diakibatkan kurangnya wettability dan

kecenderungan partikel alumina untuk teraglomerisasi dan ter-cluster pada matriks aluminium.

Sehingga apabila ingin menggunakan metode castinglelehan aluminium harus ditambahkan

unsur paduan yang dapat meningkatkanwettability matriks dengan penguatnya.

Perilaku Komposit Aluminium dengan Penguat Partikel Alumina pada Temperatur Tinggi

Komposit aluminium berpenguat partikel keramik alumina menghasilkan kombinasi kekuatan

yang baik yang disokong oleh partikel keramik alumina dan ketangguhan yang didukung oleh

matriksnya. Gudlur et al. melakukan penelitian untuk mengetahui sifat thermal dan mekanis dari

komposit aluminium berpenguat partikel alumina. Komposit dengan ukuran partikel

aluminium powder yang lebih kecil memiliki sifat mekanis yang lebih baik. Persentase

kandungan alumina harus optimum, apabila terlalu banyak maka dapat menyebabkan kontak

antarpartikel alumina dalam matriks yang menyebabkan aluminium sulit untuk mengisi jarak

antara partikel alumina dan menurunkan sifat mekanisnya. Tekanan sebesar 502 MPa

digunakan untuk meminimalisir porositas yang terjadi sehingga meningkatkan modulus

elastisnya [7].

Modulus elastis komposit akan menurun seiring dengan meningkatnya temperatur apabila

kandungan keramik alumina tinggi karena adanya tegangan thermal pada komposit. Selain itu

tegangan tinggi pada komposit pada kadar aluminium yang tinggi dapat mengakibatkan

komposit mengalami deformasi plastis. Sedangkan apabila kadar alumina yang tinggi, tegangan

yang besar dapat menyebabkan retak. Peningkatan temperatur dapat menghasilkan

diskontinuitas tegangan yang besar pada antarmuka aluminium dengan alumina yang dapat

menyebabkan debonding [7].

Koefisien ekspansi thermal pada komposit ini dipengaruhi oleh kandungan alumina. Apabila

persentase volum alumina pada komposit aluminium meningkat, maka koefisien ekspansi

thermal menurun. Penggunaan serbuk aluminium dengan ukuran yang kecil, yaitu 4.5 µm,

memiliki koefisien ekspansi thermal yang lebih rendah daripada serbuk aluminium dengan

ukuran yang lebih besar (10 µm).

El-Kady et al. meneliti karakteristik tarik dari komposit aluminium A356 berpenguat nanopartikel

alumina [8]. Penelitian tersebut menggunakan dua variabel ukuran nanopartikel alumina, yaitu

200 dan 60 nm dengan kadar 5 persen volum pada matriks aluminium. Hasil penelitian tersebut

adalah nanopartikel alumina dengan ukuran 200 nm meningkatkan sifat tarik dari nanokomposit

pada temperatur tinggi (sampai sekitar 300 °C). Kenaikan kekuatan tarik ini disebabkan oleh dua

hal, yaitu 1) perbedaan koefisien ekspansi thermal dari aluminium dan alumina yang

menyebabkan mismatch sehingga  menghasilkan dislokasi dan 2) mekanisme penguatan

dispersi akibat keberadaan nanopartikel alumina yang tersebar pada matriks sehingga

memberikan tegangan tambahan untuk dislokasi slip yang ingin melewati nanopartikel alumina.

Gariboldi et al. meneliti mekanisme kerusakan komposit aluminium dengan penguat partikel

alumina pada temperatur tinggi. Penelitian menghasilkan apabila komposit diberi beban

multiaksial pada temperatur tinggi (diatas 300 °C) antarmuka antara matriks dan partikel

terjadi debonding. Hasil patahan sampel, yang diuji creep, menghasilkan patahan ulet dengan

ukuran dimple yang cukup luas. Pada partikel alumina terjadi pembelahan akibat pembentukan

dan pertumbuhan void yang mengakibatkan interface debonding [9].

Aplikasi Komposit Aluminium dengan Penguat Partikel Alumina pada Temperatur Tinggi

Aplikasi komposit aluminium ini paling sering melibatkan temperatur tinggi, sepertithermal barrier

coatings, mesin turbin, dan piston rod karena ketahanannya yang sangat baik pada temperatur

tinggi (biasanya sampai 450 – 500 °C) [7]. Komposit aluminium dengan penguat partikel alumina

sukses dikembangkan sebagai komponen automotif,aerospace, dan thermal management.

Komposit ini diaplikasikan sebagai fan exit guide vane (FEGV) pada mesin gas turbin [10].

Pada bidang aerospace, komposit aluminium dengan penguat alumina dapat diaplikasikan

sebagai vertical tails, wing slat tracks, bulkheads, dan terutama pada mesin jet. Hal tersebut

diakibatkan karena komposit ini memiliki ketahanan temperatur tinggi, kekakuan dan

kemampuan yang baik [11].

Gambar 3. Komponen fan exit guide vanes (FEGV) yang digunakan pada mesin gas turbin [11]

Selain itu, komposit aluminium berpenguat alumina juga digunakan sebagai break padsand rotor

pada mobil F1. Komponen rotor dan pads mengalami perubahan temperatur dan tekanan yang

tidak seragam di sepanjang permukaannya, sehingga material yang digunakan harus memiliki

ketahanan temperatur dan thermal shock yang baik dan material juga harus cukup keras untuk

meminimalisir efek regangan. Penggunaan komposit ini dapat mengurangi bobot rotor sebesar

60 % (dibandingkan dengan rotor yang dibuat dari besi tuang). Selain itu penggunaan komposit

ini juga meningkatkan efisiensi dan menurunkan emisi bahan bakar sehingga dapat

menguntungkan dari segi bisnis dan ekonomi [12].

Pada bidang elektronik dan komunikasi, komposit aluminium berpenguat alumina memiliki peran

yang signifikan karena mampu menahan disipasi panas yang dapat

mengakibatkan mismatch dari koefisien ekspansi thermal. Tingginya konduktivitas thermal dan

tingginya modulus elastis komposit ini semakin menambah keuntungan dalam aplikasinya

sebagai hermetic package materials, yang berguna untuk melindungi sirkuit elektronik dari

kelembapan udara dan lingkungan yang berbahaya [11].

Kesimpulan

Komposit aluminium dengan penguat partikel keramik banyak dikembangkan untuk aplikasi pada

temperatur tinggi karena memiliki koefisien ekspansi thermal yang tinggi sehingga ketahanannya

pada kondisi temperatur tinggi lebih baik. Salah satu jenis penguat yang cukup banyak

digunakan dan dikembangkan pada komposit aluminium ini adalah partikel keramik alumina.

Terdapat dua metode yang sering dipakai untuk fabrikasi komposit aluminium dengam penguat

partikel alumina ini, yaitu liquid state casting dan metalurgi serbuk. Liquid statecasting lebih

digemari karena prosesnya lebih mudah dan murah sehingga menguntungkan dari segi

ekonomis. Namun proses ini lebih sulit menghasilkan partikel alumina yang tersebar merata

pada matriks, karena partikel alumina cenderung teraglomerisasi dan meng-cluster akibat

kurangnya wettability dengan matriks, sehingga perlu ditambahkan unsur lain untuk

meningkatkan wettability dari matriks-penguat sehingga tidak terjadi debonding saat komposit

diberi beban. Sedangkan metode metalurgi serbuk bekerja dengan baik apabila ukuran alumina

yang digunakan dalam skala nanopartikel. Metode ini cenderung lebih membutuhkan biaya lebih

karena prosesnya cukup sulit (blending, pressing, sintering). Keuntungan dari metode ini adalah

kecenderungan partikel alumina untuk meng-cluster dan teraglomerisasi sangat kecil dan produk

akhirnya mendekati bentuk cetakannya [4].

Aplikasi komposit aluminium dengan penguat partikel alumina ini meliputi bidang

automotif, aerospace dan elektronik. Pada bidang automotif, komposit ini digunakan

sebagai breaker pads dan rotor pada mobil F1. Untuk bidang aerospace, komposit ini digunakan

sebagai fan exit guide vane (FEGV) pada mesin gas turbin, vertical tails, wing slat tracks,

bulkheads, dan terutama pada mesin jet. Dan pada bidang elektronik, komposit ini berguna

untuk menahan disipasi panas dan diaplikasikan sebagai hermetic package materials.

REFERENSI

1)      A.R.I. Kheder,G.S. Marahleh, D.M.K. Al-Jamea. 2011. Strengthening of Aluminum by SiC,

Al2O3, and MgO. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering

2)      G.B. Veeresh Kumar, C. S. P Rao, N. Selvaraj, M. S. Bhagyashekar. 2010. Studies on

Al6061 – SiC and Al7075 – Al2O3Metal Matrix Composites. Journal of Minerals & Materials

Characterization & Engineering

3)      Hai Su, Wenli Gao, Zhaohui Feng, Zheng Lu. 2012. Processing, mictrostructure and tensile

properties of nano-sized Al2O3particle reinforced aluminum matrix composites. Material and

Design

4)      Cecilia Borgonovo. 2010. Thesis : Aluminum Nano-composites for Elevated Temperature

Applications. Worcester Polytechnic Institue

5)      Mehdi Rahimian, Naser Ehsani, Nader Parvin, Hamid reza Baharvandi. 2009. The effect of

particle size, sintering temperature and sintering time on the properties of Al–Al 2O3composites,

made by powder metallurgy. Journal of Materials Processing Technology

6)      J. Corrochano, C. Cerecedo, V. Valcárcel, M. Lieblich, F. Guitián. 2008. Whiskers

of Al2O3as reinforcement of a powder metallurgical 6061 aluminium matrix composite. Materials

Letters

7)      Pradeep Gudlur, Adam Forness, Jonathan Lentz, Miladin Radovic, Anastasia Muliana.

2012. Thermal and mechanical properties of Al/Al2O3composites at elevated temperatures.

Materials Science and Engineering

8)      El-Sayed Youssef El-Kady, Tamer Samir Mahmoud, Mohamed Abdel-Aziz Sayed.

2011. Elevated Temperatures Tensile Characteristics of Cast A356/Al2O3Nanocomposites

Fabricated Using a Combination of Rheocasting and Squeeze Casting Techniques. Materials

Science and Applications

9)      Elisabetta Gariboldi, Antonietta Lo Conte. 2008. Damage mechanisms at room and high

temperature innotched specimens of Al6061/Al2O3particulate composites. Composites Science

and Technology

10)  M. K. Surappa. 2003. Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities. Sadhana

Vol.28

11)  http://www.scribd.com/doc/21293976/TALAT-Lecture-1402-Aluminium-Matrix-Composite-

Materials

Diakses pada tanggal 5 Maret 2012

12)  http://ceramics.org/ceramictechtoday/2012/01/24/new-ceramic%E2%80%93aluminum-

composite-brake-rotor-developed-for-mass-market/

Diakses pada tanggal 5 Maret 2012