MATERIAL KOMPOSITE

DR. SYIFAUL HUZNI, ST. MsCDR. IR. SULAIMAN THALIB, MT

PROGRAM PASCA SARJANAJURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SYIAH KUALA

Bahan KompositIde bahan komposit Merupakan Ide lama, dari pohon kayuMatrik : - lignin (amorfus)Penguat : serat selulosa (campuran amorfus dan kristalin)Untuk contoh daun kelapa dan kayuKayu Komposit serat (serat selulosa + matriks lignin)Serat selulosa – kekuatan tarik tinggi - sangat fleksibel (kekakuan rendah)Disatukan oleh matrik lignin sehingga meningkatkan

kekakuanContoh lain adalah tulang terdiri dari serat collagen lunak dan

pendek yang tertanam dalam matrik mineral yang disebut apatite

Bahan komposit yang sudah digunakan untuk waktu lama adalah:- Karbon black dalam rubber (karet) ban kendraan- cement portland campur pasir Bahan bangunan- Aspal campur pasir bahan untuk jalan- Resin dengan serat gelas Tanki air, tong sampah dll

Perkembangan bahan komposit, karena adanya permintaan bahan yang memiliki sifat- Lebih kaku- Lebih kuat- Lebih ringanuntuk memenuhi permintaan ini dikembangkan bahan komposit.

Sifat komposit di atas tanpa memperhatikan harga dan hasil buangan bekas pakai yang dapat mencemarkan lingkungan,

- Dalam perkembangan selanjutnya faktor lingkungan dan harga menjadi dasar penggunaan bahan komposit.

- Jadi bahan komposit harus ramah lingkungan baik dalam pembuatan, pemakaian dan hasil buangannya

- Untuk memenuhi ini dikembangkan komposit termoplastik atau termoset yang diperkuat dengan serat alam

Sejarah penggunaan bahan komposit

- Pada zaman kuno: penggunaan tanah liat dicampur dengan serat alam (jerami) untuk bahan konstruksi

- Pada zaman modern : bahan komposit mulai 1937

Ketikan perusahaan Owens Corning Fiberglass mulai menjual serat gelas sebagai penguat termoplastik ataupun termoset (epoxy) ( strong 2008)

Bahan komposit untuk bahan teknik mulai berkembang dalam 1960 yang memperkenalkan bahan komposit dengan bahan dasar polimer

Sejak itu bahan komposit dirancang untuk berbagai kegunaan termasuk penggunaan untuk komponen automotif, alat olah raga, komponen aeroangkasa, perkapalan dan industri petroleum.

Bahan komposit dapat didefinisikan sebagai:

suatu bahan yang merupakan gabungan lebih dari satu bahan dan masing-masing bahan tersebut masih memiliki sifatnya sendiri (Chawla 1987) atau

bahan komposit terdiri dari dua atau lebih bahan yang dikombinasikan membentuk suatu bahan kejuruteraan dan akan menghasilkan sifat tertentu yang berbeza dengan sifat bahan asal dan bahan-bahan tersebut tidak saling melarutkan (Vinson 2004)

KLASIFIKASI BAHAN KOMPOSIT

• KOMPOSIT MATRIK POLIMER (PMC)• KOMPOSIT MATRIK LOGAM (MMC)• KOMPOSIT MATRIK KERAMIK (CMC)• KARBON-KARBON KOMPOSIT (CC COMPOSIT)• KOMPOSIT HIBRID (HC)

kombinasi matriks ataupun kombinasi gentian

PMC Bahan polimer merupakan senyawa organik paling banyak

berdasarkan karbon, hidrogen dan unsur bukan logam lainnya. Bahan komposit matriks polimer merupakan bahan komposit yang paling banyak dikembangkan dan paling banyak ditemukan dalam penggunaan.

Komposit matriks polimer - dapat diproses dengan mudah dalam bentuk kompleks. - Matriks dapat dari polimer termoset ataupun polimer

termoplastik.- memiliki performan tinggi kerana gabungan serat dan matriks.

Dalam bahan komposit, serat memberikan kekuatan dan modulus tinggi sedangkan matriks polimer mendistribusikan beban dan menghalangi cuaca dan abrasi.

MMC

Komposit matriks logam ialah bahan komposit yang dibuat dari dua jenis bahan atau lebih, salah satu bahan adalah logam yang berfungsi sebagai matriks. Bahan penguat dapat digunakan dari bahan logam berbeda atau dari jenis bahan lainnya, seperti seramik atau senyawa organik

Contoh

Matriks Aluminium dengan penguat dari serat boron, silikon karbida, alumina dan grafit Serat pendek: alumina, alumina-silika, wishker (silikon karbida) dan penguat partikel (silikon karbida dan boron karbida)

CMC Komposit matriks keramik adalah bahan komposit

yang terdiri dari dua jenis bahan atau lebih, keramik berfungsi sebagai matriks. Bahan penguat dalam bentuk terputus-putus seperti partikel, whisker dan serat pendek. Bahan komposit matriks seramik yang terkenal adalah SiC/Si3N4 yang digunakan untuk perkakas pemotongan.

Contoh bahan keramik SiO2, Al2O3, CaO, MgO, SiC, Si3N4, TiC, ZrC, TiN dan ZrN

• a) keramik kaca (seperti litium aluminosilikat),• b) oksida [seperti alumina dan (Al6Si2O13)],• c) nitrida (seperti silikon nitrida, Si3N4), dan• d) karbida (silikon karbida, SiC).

• Komposit Karbon-Karbon

Komposit Karbon-karbon (KK) adalah bahan komposit yang terbuat dari bahan matriks karbon dalam bentuk grafit, manakala bahan penguat yang digunakan adalah gentian karbon.

- ketahanan suhu tinggi melebihi 2200 ºC - Kekuatan pada suhu tinggi adalah tinggi- Rasio kekuatan atas berat tinggi dan nilai kekakuan ke atas

berat tinggi - memiliki kestabilan dimensi tinggi dan rintangan kelesuan tinggi.

Contoh pemakaian pada muncung enjin roket

PENGUAT• Banyak bahan penguat atau pengisi sudah digunakan

untuk pembuatan komposit. Penguat dapat diklasifikasi menurut bentuknya yaitu partikel, serat dan lembaran. Kumpulan bahan penguat berdasarkan sumber bahan dapat diklasifikasikan dalam dua kumpulan iaitu bahan penguat buatan dan bahan penguat alam. Contoh bahan penguat buatan adalah serat gelas, partikel gelas, serat karbon, partikel karbon dan serat aramid. Sedangkan bahan penguat dari alami adalah partikel tanah liat, partikel silika, serat dari hewan dan serat tunbuhan. Bahan penguat konvensional digunakan untuk pembuatan komposit adalah serat gelas, serat karbon dan serat aramid atau kevlar. Pada saat ini, banyak jenis bahan penguat atau bahan pengisi yang lain sudah digunakan iaitu penggunaan tanah liat, partikel silika, aerat alam seperti serat kayu, jerami, rami, nenas, bagas yang berasal dari tumbuh-tumbuhan dan gentian sutera yang berasal dari hewan.

Klasifikasi penguat menurut bentuk

• Penguat partikel Partikel bentuk bahan dalam bentuk unit padatan.

Partikel dapat terdiri dari satu jenis bahan atau jenis bahan lebih satu fasa. Partikel dapat terikat bersama-sama membentuk gumpalan. Gumpalan ialah kumpulan partikel yang lebih besar atau pseudo-partikel yang terikat secara lemah memiliki sifat mudah pecah. Jika partikel terikat bersama dengan sangat kuat dan membentuk partikel yang lebih besar yang tidak mudah terserak disebut dengan agregat ataupun gumpalan keras (Reed 1987). Ukuran partikel kebanyakan dalam reng 50 nm sampai 1.0 cm.

Lembaran penguat lembaran untuk penguatan komposit

dapat digunakan dari tenunan serat ataupun bahan lembaran seperti kayu lapis. Contoh penggunaan bahan lembaran tenunan serat untuk penguatan komposit adalah pembuatan kontainer, penutup bak sampah, menara air dan penggunaan untuk kelautan. Fabrik adalah benang tenun, sambungan benang atau kesatuan seperti tali (tow) dalam bentuk anyaman lapisan tunggal. Rajah 2.5 menunjukkan corak-corak tenunan gentian yang digunakan pada proses pembuatan bahan komposit. Untuk mengawal arah gentian dilakukan dengan menenun (Mazumdar 2002).

Serat Serat atau benang dalam proses pembuatan komposit

dapat disusun secara acak, paralel, susunan meleding (warp), atau arah benang pakan (weft). Bentuk susunan gulungan serat yang tak berarah digunakan dalam komposit bila penggunaan gentian dalam satu arah saja, penggunaan gentian untuk memperbaiki ketahanan terhadap lenturan sebagai contoh seperti penggunaan pada ski air yang mana fabrik berada sepanjang dari panjang ski. Pada fabrik dengan susunan benang meleding (warp), penguatan berada pada 0o, dalam arah meleding atau peguat meleding satu seperti dalam Rajah 2.3, manakala susunan fabrik arah benang pakan (weft), penguatan berada pada 90o, dalam arah benang pakan atau penguat benang pakan satu arah seperti dalam Gambar 2.4 (Mazumdar 2002)

Jenis Serat• Serat sintetik - serat gelas - serat karbon - serat aramid (kevlar)

• Serat alam - Serat tumbuh-tumbuhan, biji (kapas, kapok), daun (sisal, nenas),

kulit (jute, kenaf,ramie, batang pisang, rami, pinus), buah (serabut buah kelapa) dan batang (jerami gandum, jerami padi, barli, bambu, bagas dan rumput)

- Serat hewan, Rambut haiwan (wool atau bulu biri-biri, rambut kambing (Alpaka, Cashmere) dan rambut kuda), Serat sutera (air liur atau saliva kering binatang kecil atau serangga selama penyediaan kokon (ulat sutera) dan Serat bulu burung

- Serat mineral, Asbestos, (serpentin merupakan lembaran silikat, chrysotile dan kelompok amfibol terdiri dari lima jenis serat mineral yaitu amosit, krokidolit, tremolit, aktinolit, dan antofilit (Middendorf et al. 2007), Serat keramik, termasuk serat oksida iaitu aluminium oksida atau alumina (Al2O3), silikon karbida, serat ini mampu tahan suhu tinggi (Wilson & Vesser 2000), serat gelas dan kwarsa, dan Boron

karbida., Serat logam, seperti serat aluminium, keluli dan gentian tembaga

Kesesuaian (Compatibilty) antara matriks dengan penguat

Untuk menyesuaikan matriks dengan penguat dilakukan -Penambahan interface- modifikasi pada penguat - kimia ataupun fisik Khusus untuk serat alam

Serat alam secara umum ikatan dengan matriks tidak bagus, hal ini disebabkan kelembaban tinggi, kondisi permukaan tidak sesuai dengan matriks, kemampuan basahan tidak bagus, untuk memperbaiki keadaan ini dapat dilakukan modifikasi pada serat (modifikasi fisik dan kimia)

Sifat Bahan komposit, - Sifat termal, (Tg, Tm) TGA, DSC - Sifat kimia (struktur kimia), polimer dan keramik FTIR,

IR spektroskopi- Sifat kristalin XRD- Sifat reologi (aliran) Kapileri reometer- Morfologi Mikroskop (optik, SEM, TEM

dan confocal laser)

dan sifat –sifat lainnya, karakterisasi yang diperlukan sangat tergantung pada jenis komposit (matriks dan penguat serat, partikel atau laminat)

PEMPROSESAN KOMPOSIT

PMC

• Penguat serat panjang, hand lay-up, Filamen winding, pultrusion, prepreg

• Penguat serat pendek

• Partikel pencampuran dalam keadaan kering dan dalam keadaan cair

menggunakan mixer atau ekstrusi (skraw tunggal atau skraw kembar)

MMC- Fabrikasi dalam keadaan padat- Fabrikasi dalam keadaan cair- Fabrikasi insitu

CMC - Fabrikasi dengan slurry infiltration process, serat ditarik

melewati dalam tanki slurry yang mengandung serbuk matriks, cairan pembawa dan pengikat organik kemudian digulung pada drum dan dikeringkan

- Hot press (tekan panas)

• Gambar proses hand lay-up

• Penggulungan filamen (filament winding)

• Pultrusion

1 - Continuous roll of reinforced fibers/woven fiber mat2 - Tension roller3 - Resin bath4 - Resin soaked fiber5 - Die and heat source6 - Pull mechanism7 - Finished hardened fiber reinforced polymer

• PrepregsPre-preg adalah istilah untuk "pre-impregnated" serat komposit. Biasa mengambil bentuk anyaman atau uni-directional. komposit ini mengandung matrik untuk mengikat serat secara bersama. Dan ke komposit lainnya selama pembuatan..Pre-preg

• Pencampuran partikel dengan mesin pencampur (mixer)

Pencampuran dengan ekstrusi

Mesin ekstrusi

• Skraw tunggal

• Extruder scraw kembar