Please refer as:

Bondan T. Sofyan, 2004, Pembentukan Endapan Nano pada Paduan Al-Cu Berkekuatan Tinggi,Proceeding Eminex 2004, ISBN 979-96609-1-2, Bandung, 15 – 16 September 2004, p. 78 – 86.

Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

1

Komposit Serat Gelas/Polyester: Kekuatan Tarik dan Model Perpatahan

Bondan T. Sofyan*), Achmad Yunianto dan Agung Dewanto

Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Kampus UI Depok 16424 Telp: 021 – 786 3510, Fax: 021 – 787 2350

*) Email: bondan@metal.ui.ac.id

ABSTRAK Komposit serat gelas merupakan salah satu jenis komposit bermatriks polimer yang mempunyai banyak aplikasi, baik di bidang perkapalan, otomotif maupun untuk kebutuhan sehari-hari. Sesuai dengan hukum pencampuran, kekuatan tarik komposit serat gelas sangat ditentukan oleh fraksi volume serat. Makalah ini membahas pengaruh jenis serat dan fraksi volume serat terhadap kekuatan tarik dan model perpatahan komposit serat gelas / poliester yang dilaminasi dengan teknik laminasi basah. Jenis serat yang dipakai adalah chopped strand mat (CSM) dan woven roving (WR), sementara resinnya adalah general-purpose poliester. Kekuatan tarik dianalisis secara teoritik dan dibandingkan dengan hasil pengujian, sementara model perpatahan diamati dengan menggunakan mikroskop optik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa walaupun serat gelas CSM memiliki kekuatan tarik spesifik lebih rendah daripada serat gelas WR, namun komposit yang mengandung serat CSM memiliki kekuatan tarik eksperimental lebih tinggi dari pada komposit dengan serat gelas WR dengan fraksi volume yang sama. Pengamatan struktur makro menunjukkan bahwa model perpatahan komposit dengan fraksi volume serat rendah didominasi oleh retak matriks (matrix cracking) dan perpatahan serat (fiber fracture). Sementara model perpatahan komposit dengan fraksi volume serat tinggi didominasi oleh patah serat, fiber pull-out dan delaminasi. Transfer beban dari matriks ke serat berlangsung lebih baik pada komposit berserat CSM dibandingkan dengan komposit berserat WR, sehingga diperkirakan bahwa faktor inilah yang menyebabkan komposit berserat CSM memiliki kekuatan tarik eksperimental lebih tinggi dari pada komposit berserat WR. 1. PENDAHULUAN

Material komposit bermatriks polimer berpenguat serat merupakan salah satu material yang penggunaannya dalam aplikasi teknik dan rekayasa sangat banyak dan beragam. Material ini dipakai di industri otomotif sebagai komponen interior dan struktural, di industri maritim sebagai lambung kapal maupun sudu baling-baling, di industri dirgantara sebagai struktur utama pesawat terbang seperti vertical stabilizer atau sebagai kerucut hidung (nose cone) pada roket. Beragamnya aplikasi material ini disebabkan oleh karakteristik material yang dapat didesain sesuai dengan kebutuhan, serta proses produksi yang memiliki nilai ekonomis yang relatif tinggi [1]. Karakteristik mekanik material komposit bermatriks polimer ditentukan terutama oleh besarnya fraksi volume serat. Semakin besar fraksi volume serat, semakin tinggi kekuatan tarik longitudinal material komposit. Arah serat dapat diorientasikan sesuai dengan arah pembebanan yang diterima komponen komposit tersebut, sehingga komponen dapat bekerja maksimal pada aplikasi spesifik. Kekuatan tarik komposit dapat dihitung secara teoritik dengan menggunakan hukum pencampuran (law of mixture). Dengan konsep isostrain, maka kekuatan tarik komposit dapat dihitung sesuai rumus:

2

σc = σf . vf + σm . vm dimana σ adalah kekuatan tarik, dan simbol c, f dan m adalah singkatan untuk komposit, serat dan matriks [2]. Rumus ini telah diverifikasi dengan sangat baik untuk komposit bermatriks polimer yang difabrikasi dengan teknik laminasi kering. Namun demikian, formula ini belum terverifikasi secara sempurna pada komposit bermatriks polimer yang difabrikasi dengan teknik laminasi basah. Makalah ini mempelajari kekuatan tarik komposit serat gelas / poliester dengan teknik laminasi basah, dengan membandingkan antara nilai teoritik dengan eksperimental. Verifikasi hukum pencampuran dilakukan terhadap dua jenis morfologi serat gelas, yaitu chopped strand mats (CSM) dan woven roving (WR). Model perpatahan akibat pembebanan tarik juga diamati untuk menjelaskan mekanisme perpatahan yang terjadi. 2. METODE PENELITIAN Panel komposit dibuat dari serat gelas dengan dua jenis morfologi, yaitu chopped strand mat (CSM) dan woven roving (WR), dengan resin polyester general purpose. Proses laminasi dilakukan dengan teknik laminasi basah sesuai prosedur standar. Fraksi volume serat divariasikan sebesar 10 %, 20 %, 30 % 40 % dan 50 %. Sampel pengujian tarik dibuat sesuai dengan standar ASTM D-638M dengan panjang daerah ukur 50 mm. Pengujian tarik dilakukan dengan pembebanan uniaksial pada mesin uji Shimadzu berkapasitas 2 ton. Struktur mikro sampel diamati dengan mikroskop optik setelah sampel mengalami pemolesan, sementara model perpatahan diamati pada permukaan patahan tanpa persiapan permukaan spesifik.

Gambar 1. Struktur mikro dari komposit serat gelas CSM dan WR sebelum pengujian tarik. 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 3.1. Struktur Mikro Komposit Gambar 1 merupakan struktur mikro dari panel komposit berpenguat serat CSM dan WR sebelum diuji tarik. Pada gambar tersebut dapat dilihat jelas bahwa serat CSM berorientasi

CSM

WR

10 % serat 40 % serat 50 % serat

200 μm

3

ke segala arah, sementara serat WR berorientasi pada arah longitudinal dan transversal terhadap bidang gambar. Juga terobservasi dua jenis void pada struktur komposit ini, yaitu: (i) void yang terdapat di sepanjang serat dengan arah paralel atau terelongasi dalam bentuk lubang berbentuk elips (ellipsoidal cavities) dengan arah paralel dengan serat dan berdiamater tergantung pada ruang / jarak antar serat yang umumnya berkisar antara 5 – 20 μm, dan (ii) void yang berada di antara lamina dan pada daerah yang kaya resin, biasanya berbentuk bulat (spherical) dan berukuran besar [3]. Void di sepanjang serat ditimbulkan oleh proses pembasahan serat yang kurang sempurna. Pada Gambar 1, void jenis ini tampak sebagai daerah hitam di sekitar serat. Sementara void di daerah kaya resin umumnya ditimbulkan oleh menguapnya unsur-unsur volatile dari resin selama proses curing. Void ini tampak sebagai gelembung udara di daerah resin (Gambar 1). Secara umum tampak bahwa void di sepanjang serat lebih dominan terjadi pada komposit dengan serat WR, dibandingkan pada komposit serat CSM, sementara void pada resin dominan pada komposit dengan fraksi volume serat rendah. Konsekuensinya, komposit dengan serat WR dengan fraksi volume 50 % memiliki void yang paling banyak dibandingkan dengan sampel lainnya. 3.2. Perhitungan Teoritik dan Pengujian Tarik Uniaksial Perbandingan antara kekuatan tarik eksperimental komposit berserat CSM dengan kekuatan tarik teoritiknya dapat dilihat pada Gambar 2 (a). Tampak bahwa secara teoritik, kekuatan tarik komposit serat CSM / poliester berbanding lurus dengan fraksi volume serat, dimana semakin tinggi fraksi volume serat, maka semakin tinggi kekuatan tarik komposit tersebut. Namun, hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tarik eksperimental komposit serat CSM / poliester meningkat dengan bertambahnya fraksi volume serat hingga 40 %, namun kemudian menurun dengan bertambahnya fraksi volume serat. Pada fraksi volume serat 10 %, perbedaan nilai kekuatan tarik eksperimental dengan nilai teoritik hanya sekitar 10 %. Namun, dengan bertambahnya fraksi volume serat, nilai kekuatan tarik eksperimental jauh lebih besar dari pada kekuatan tarik teoritik.

(a) (b) Gambar 2. Pengaruh fraksi volume serat (a) CSM dan (b) WR terhadap kekuatan tarik uniaksial komposit serat gelas / poliester Gambar 2 (b) menunjukkan hasil pengujian tarik uniaksial terhadap komposit serat WR / poliester dibandingkan dengan kekuatan tarik teoritiknya. Sama seperti komposit serat CSM, kekuatan tarik teoritik meningkat dengan bertambahnya fraksi volume serat. Secara eksperimental, peningkatan kekuatan tarik terjadi secara signifikan hingga 30 % fraksi volume serat. Di atas 30 %, penambahan serat tidak memberi peningkatan kekuatan yang besar.

4

Sangat menarik untuk membandingkan kekuatan tarik komposit serat gelas CSM dengan komposit serat gelas WR. Walaupun kedua komposit terbuat dari jenis material yang sama, namun morfologi serat memberikan kekuatan yang berbeda. Kekuatan tarik serat gelas CSM adalah 16,5 kg/mm2, sementara serat gelas WR adalah 35 kg/mm2 [4]. Walaupun serat gelas CSM memiliki kekuatan tarik lebih rendah dari pada WR, namun kekuatan eksperimental komposit dengan serat jenis CSM lebih besar dari pada komposit dengan serat WR, untuk fraksi volume serat yang sama. Diperkirakan bahwa adanya void yang lebih banyak pada komposit berserat WR (lihat Gambar 1) merupakan penyebab dari rendahnya kekuatan tarik eksperimental komposit serat WR. Keberadaan void menyebabkan transfer beban dari matriks ke serat berjalan tidak efektif, sehingga serat dan matriks tidak dapat bersinergi secara maksimal dalam menerima beban. Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai hal ini, permukaan patahan dari sampel komposit diamati secara detail dan dibahas pada sub bagian berikut ini. 3.3. Model Perpatahan Pengamatan terhadap struktur makro dari daerah perpatahan dilakukan untuk mengetahui mekanisme perpatahan dari komposit serat gelas / poliester. Pada Gambar 3 dapat dilihat model perpatahan dari komposit serat CSM dengan fraksi volume serat 10 % hingga 50 %. Secara umum tampak bahwa pada fraksi volume serat yang rendah, patah dominan terjadi pada resin dimana permukaan patah membentuk 90º yang merupakan karakteristik patah getas (pada komposit dengan 10 % serat). Dengan bertambahnya fraksi volume serat, beban yang diterima oleh komposit sebagian besar diterima oleh serat sehingga perpatahan dominan terjadi pada serat, sehingga tidak banyak terdapat retak matriks (lihat sampel dengan 40 % - 50 % serat).

Gambar 3. Model perpatahan komposit serat gelas CSM / poliester dengan fraksi volume serat bervariasi. Permukaan patah dari sampel komposit serat CSM diamati lebih detil untuk mengamati model perpatahannya. Foto makro dari model perpatahan komposit serat CSM dengan fraksi volume 10 % ditampilkan pada Gambar 4. Pada gambar tersebut tampak jelas bahwa model perpatahan didominasi oleh retak matriks (matrix cracking) yang berkarakteristik patah getas dan menjalar dari satu lamina ke lamina lain melalui permukaan antar lamina. Selain itu, juga tampak adanya patah serat (fiber failure) seperti yang ditunjukkan oleh tanda panah. Kombinasi patah serat dan retak matriks ini menunjukkan bahwa beban tarik uniaksial yang diterima oleh komposit sudah cukup besar untuk mematahkan serat dan sekaligus matriksnya ketika beban ditransfer dari satu lamina ke lamina berikutnya. Sebagai akibat adalah rendahnya kekuatan tarik komposit berfraksi volume serat 10 % ini.

10 % serat

20 % serat

30 % serat

40 % serat

50 % serat

5

Gambar 4. Permukaan patahan komposit serat CSM dengan 10 % fraksi volume serat. Kekuatan tarik tertinggi pada komposit serat CSM / poliester dicapai oleh sampel dengan 40 % fraksi volume serat. Foto makro perpatahan dari sampel ini ditampilkan pada Gambar 5. Terlihat jelas perbedaan bentuk patahan pada sampel ini bila dibandingkan dengan sampel dengan 10 % fraksi volume serat di atas (Gambar 4). Retak matriks merupakan bentuk patahan yang paling tidak dominan pada sampel ini. Sebaliknya patah serat merupakan patahan yang paling dominan. Di samping itu, terlihat juga adanya fiber pull out dan delaminasi. Sedikitnya retak matriks disebabkan oleh tingginya fraksi volume serat, sehingga beban tarik uniaksial sebagian besar diterima oleh serat. Akibatnya, matriks yang berfungsi untuk mentransfer beban dari serat ke serat lainnya tidak mengalami kerusakan berarti. Yang terjadi hanyalah delaminasi antar lapisan. Indikasi besarnya beban yang diterima oleh serat juga terlihat dari terjadinya fiber pull out.

Gambar 5. Permukaan patahan komposit serat CSM / poliester dengan fraksi volume serat 40 % yang memiliki kekuatan tarik tertinggi. Foto perpatahan dari sampel komposit dengan serat WR dapat dilihat pada Gambar 6. Model perpatahan pada komposit berserat WR ini mirip dengan perpatahan pada komposit berserat CSM. Pada fraksi volume serat 10 %, tampak jelas adanya permukaan patahan bersudut 90º terhadap arah pembebanan yang mengindikasikan terjadinya patah getas. Dengan

fiber pull out delaminasi

6

bertambahnya fraksi volume serat, patah getas menjadi tidak dominan, sementara permukaan patah didominasi oleh kegagalan serat.

Gambar 6. Model perpatahan komposit serat gelas WR / poliester dengan fraksi volume serat bervariasi. Observasi lebih detil dari permukaan patah sampel dengan 10 % fraksi volume serat dapat dilihat pada Gambar 7. Seperti halnya pada sampel dengan serat CSM, permukaan patahan komposit berserat WR ini didominasi oleh retak matriks. Hanya, retak matriks cenderung terjadi pada permukaan patahan dan tidak jelas terlihat terjadinya transfer beban dari satu lamina serat ke lamina yang lain. Hal ini diperkirakan disebabkan oleh karakteristik serat WR yang terorientasi searah dan tegak lurus terhadap arah beban. Akibatnya, beban tarik yang diberikan, diterima secara efektif langsung oleh serat dari masing-masing titik pembebanan. Peran matriks sebagai pentransfer beban menjadi berkurang, dan matriks langsung gagal pada permukaan patahan. Fenomena ini sesuai dengan kenyataan bahwa komposit serat WR / poliester ini memiliki void yang relatif banyak di sekitar serat (Gambar 1). Void ini menyebabkan transfer beban dari serat ke matriks berjalan tidak efektif. Selain itu, juga tampak adanya fiber pull out pada bagian terluar sampel, yang merupakan daerah yang pertama menerima beban tarik [5].

Gambar 7. Permukaan patahan komposit serat WR / poliester dengan fraksi volume serat 10 %. Gambar 8 menunjukkan model perpatahan dari komposit serat WR dengan fraksi volume serat tertinggi, yaitu 50 %. Pada fraksi volume ini, kekuatan tarik menunjukkan

10 % serat

20 % serat

30 % serat

40 % serat

50 % serat

Patah serat

Retak matriks

7

kencenderungan menurun. Perpatahan didominasi oleh patah serat. Sedikitnya matriks yang dimiliki oleh sampel menyebabkan tidak terbasahinya serat oleh matriks / resin. Terdapat banyak void di daerah sepanjang serat (Gambar 1). Akibatnya, transfer beban di dalam komposit berlangsung tidak efektif dan serat tampak bekerja sendiri tanpa bantuan dari matriks. Hal inilah yang diperkirakan sebagai penyebab turunnya kekuatan tarik pada komposit dengan fraksi volume 50 %. Faktor rendahnya pembasahan serat oleh matriks tidak diperhitungkan dalam formulasi hukum pencampuran, sehingga tendensi kekuatan tarik eksperimental dengan variasi fraksi volume serat tidak sesuai dengan perhitungan teoritik.

Gambar 8. Permukaan patahan komposit serat WR / poliester dengan fraksi volume serat tertinggi, yaitu 50 %. Dari pengamatan stuktur makro di atas, terlihat adanya perbedaan model perpatahan antara komposit berserat CSM dengan komposit berserat WR. Pada fraksi volume serat yang rendah, model perpatahan komposit dengan serat CSM didominasi oleh retak matriks dan perpatahan serat, sementara pada komposit dengan serat WR, retak matriks tidak terlalu dominan. Sementara itu, pada fraksi volume serat yang tinggi, perpatahan serat adalah model perpatahan yang dominan pada komposit serat CSM, sementara fiber pull out dominan pada komposit serat WR. Kenyataan ini mengindikasikan bahwa transfer beban pada komposit serat CSM berlangsung lebih baik dari pada transfer beban pada komposit berserat WR. Hal ini didukung oleh kenyataan rendahnya void pada komposit serat CSM. Transfer beban yang lebih baik ini pula yang menjelaskan mengapa komposit serat CSM memiliki kekuatan tarik eksperimental lebih tinggi dari pada komposit serat WR. 4. KESIMPULAN

1. Kekuatan tarik eksperimental dari komposit serat gelas / poliester meningkat dengan bertambahnya fraksi volume serat hingga nilai tertentu, sebelum kemudian menurun dengan pertambahan fraksi volume serat.

2. Komposit serat gelas bermorfologi CSM maupun WR memiliki tendensi perubahan kekuatan tarik eksperimental yang sama terhadap variasi fraksi volume serat.

3. Nilai kekuatan tarik eksperimental berbeda dengan kekuatan tarik teoritik, yang diperkirakan disebabkan oleh tidak dimasukkannya faktor teknis fabrikasi komposit, seperti faktor pembasahan serat oleh matriks, ke dalam perhitungan teoritik.

4. Model perpatahan pada komposit berfraksi volume serat rendah didominasi oleh retak matriks dan patah serat.

5. Model perpatahan pada komposit berfraksi volume serat tinggi didominasi oleh patah serat, fiber pull out dan delaminasi.

6. Transfer beban tarik pada komposit serat CSM / poliester berlangsung lebih baik bila dibandingkan dengan transfer beban tarik pada komposit serat WR / poliester. Hal ini

Fiber pull out

8

menyebabkan komposit serat CSM / poliester memiliki kekuatan tarik eksperimental lebih tinggi dari pada komposit serat WR / poliester pada fraksi volume serat yang sama.

5. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. Jaya Fibrindo Karsa Pratama, Jakarta yang telah menyediakan material dan tempat pembuatan spesimen. 6. REFERENSI [1] Matthew, F.L dan Rawlings, R.D, Composite Materials: Engineering and Science,

Chapman and Hall, London, 1984. [2] Bor, Z.J, Advanced Polymer Composites; Principles and Application, ASM International,

USA, 1994. [3] Hull, D, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, Cambridge,

1981. [4] Charles, T.L, Practical Handbook of Material Science. [5] Wilkins, D.J, Effects of Defects in Composite Materials, ASTM Special Technical

Publication 836, Philadelphia, 1984.