makalah komposit matrik keramik

MAKALAH KOMPOSIT MATRIK KERAMIK UNTUK INDUSTRI GAS TURBIN

Oleh :Ella Nurkumala (1110 100 011)Anggriz Bani Rizka (1110 100 014)

DOSEN :

Dr. Mahuri, S.Si., M.Si.

NIP. 19691219 199402.1.001

Jurusan FisikaFakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya

2013

MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang material

menunjukkan inovasi yang luar biasa terutama untui material maju (advanced

materials) seperti komposit keramik. 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 atau yang lebih dikenal dengan nama bahan komposit.

Memiliki banyak keunggulan diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yang

lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena

berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari

komposit serat karbon lebih tinggi daripada semua paduan logam. Salah satu jenis

komposit yang banyak menarik perhatian adalah komposit matriks keramik

(Composit Matrik Ceramics /CMC ) karena sifatnya yang tahan pada temperature

tinggi. Komposit matrik keramik merupakan komposit yang menggunakan

keramik sebagai matrik atau resinnya. Inovasi komposit keramik meng Uat

disebabkan oleh munculnya tantangan-tantangan dalam penggunaan material

keramik, seperti diketahui bahwa keramik mempunyai keunggulan tahan aus,

tahan suhu tinggi serta berat jenis yang lebih rendah disbanding dengan material

lain seperti logam dan polimer. Sedangkan kelemahannya adalah antara lain

rendahnya tahan kejut termal dan rapuh Komposit matrik keramik ini dapat

diaplikasikan pada berbagai komponen mesin salah satunya seperti gas turbin.

Pengembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yaitu

sampai bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang dan

untuk instalasi darat yang dapat dipakai untuk membangkitkan tenaga listrik, sudah

menghabiskan waktu yang cukup lama. Sejak abad yang lalu sudah dimulai usaha

untuk mengembangkan turbin gas, tetapi kurang berhasil dan perkembangan

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 2

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Serat_karbon&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kekuatan_tarik&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Korosi

http://id.wikipedia.org/wiki/Fisika

http://id.wikipedia.org/wiki/Kimia

http://id.wikipedia.org/wiki/Rekayasa




selanjutnya pun dapat dikatakan agak lambat bila dibandingkan dengan tenaga uap

yang mencapai kemajuan pesat dengan makin tingginya tekanan dan temperatur uap.

Konstruksi dan cara kerja turbin gas sangat mudah bila hanya dilihat dari kertas

gambar desain, tetapi kenyataannya bila diwujudkan menjadi sangat sukar karena

pemakaian bahan bakar turbin harus dibuat hemat.

Temperatur gas untuk turbin yang dipakai diindustri adalah 950oC, dan di

pesawat terbang bisa mencapa 12000 oC. Karena itu turbin gas sudah mempunyai arti

yang sangat besar, karena untuk penggerak pesawat terbang dengan daya yang besar

harus memakai turbin gas dan sudah tidak ada alternatif pembangkit daya yang lain,

sebab ukuran luar dan berat turbin gas tidak bisa disaingi oleh mesin-mesin yang lain.

Karena turbin gas ini sangat efisien dalam menghasilkan daya, dengan berat dan

ukuran turbin gas yang tidak terlalu besar, maka turbin gas ini menjadi salah satu

sumber energi yang efisien yang biasanya dipakai di pesawat terbang atau

pembangkit tenaga listrik. Tetapi masalahnya adalah, gas yang berada di dalam turbin

gas mempunyai suhu yang sangat tinggi dan tekanan yang sangat tinggi pula,

sehingga tidak sembarang material bisa digunakan untuk membuat turbin ini. Salah

satu material yang berpotensi adalah komposit matriks keramik, keramik dipilih

sebagai matriks karena ketahanan terhadap tekanan tinggi dan titik leleh yang juga

cukup tinggi, dan jika dibuat menjadi komposit maka akan bisa dikombinasikan sifat

keras tersebut dengan bahan lain sebagai filler, sehingga bisa dibuat material yang

kuat, keras, tahan panas dan tekanan, serta tidak mudah patah. Oleh karena itu, akan

pada makalah ini akan dibahas tentang komposit matrik keramik untuk industri

gas turbin.





BAB IITINJAUAN PUSTAKA

KOMPOSIT

2.1 Definisi Komposit

Komposit adalah perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan

kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan

material baru dengan sifat yang unik dibandingkan dengan sifat material dasar

sebelum dicampur dan terjadi ikatan antar permukaan antara masing-masing

material penyusun. Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka

komposit antar material harus berikatan dengan kuat sehingga perlu adanya

penambahan wetting agent.

Beberapa definisi komposit ini dari beberapa tahap seperti yang telah

digariskan oleh Schwartz :

Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang

disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa, pad-

uan, polymer dan keramik).

Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun

dari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduan

Fe dan C)

Makrostruktur : material yang disusun dari campuran dua atau lebih

penyusun makro yang berbeda dalam bentuk atau komposisi dan tidak

larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara

makro ini yang biasa dipakai. Secara umum material komposit didefin-

isikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matriks. Serat

berfungsi memperkuat matriks. Matriks berfungsi melindungi serat dari

efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact)





Kroschwitz dan rekan telah menyatakan bahwa komposit adalah bahan

yang terbentuk apabila dua atau lebih komponen yang berlainan digabungkan.

Rosato dan Di Matitia pula menyatakan bahwa plastik dan bahan-bahan penguat

yang biasanya dalam bentuk serat, dimana ada serat pendek, panjang, anyaman

pabrik atau lainnya. Selain itu ada juga yang menyatakan bahwa bahan komposit

adalah kombinasi bahan tambah yang berbentuk serat, butiran atau cuhisker

seperti pengisi serbuk logam, serat kaca,karbon, aramid (kevlar), keramik, dan

serat logam dalam julat panjang yang berbedabeda didalam matriks.

Definisi yang lebih bermakna yaitu menurut Agarwal dan Broutman, yaitu

menyartakan bahwa bahan komposit mempunyai ciri-ciri yang berbeda untuk dan

komposisi untuk menghasilkan suatu bahan yang mempunyai sifat dan ciri ter-

tentu yang berbeda dari sifat dan ciri konstituen asalnya. Disamping itu kon-

stituen asal masih kekal dan dihubungkan melalui suatu antara muka. Konstituen-

konstituen ini dapat dikenal pasti secara fisikal. Dengan kata lain, bahan komposit

adalah bahan yang heterogen yang terdiri dari darifasa tersebar dan fasa yang

berterusan. Fasa tersebar selalunya terdiri dari serat atau bahan pengukuh, man-

akala yang berterusannya terdiri dari matriks.

2.2 Penyusun Komposit

Komposite tersusun oleh matriks dan filler. Filler adalah bahan pengisi

yang digunakan dalam pembuatan komposit, biasanya berupa serat atau serbuk.

serat yang sering digunakan dalam pembuatan komposit antara lain serat E-Glass,

Boron, Carbon dan lain sebagainya. Bisa juga dari serat alam antara lain serat

kenaf, jute, rami, cantula dan lain sebagainya. Menurut Gibson R.F, (1994)

mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan

polimer, logam, maupun keramik. Matrik secara umum berfungsi untuk mengikat

serat menjadi satu struktur komposit. Matrik memiliki fungsi sebagi berikut :

a. Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur.

b. Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan.

c. Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat.





d. Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan

tahanan listrik.

Ada dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah

penyebutannya. Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Penguat (pena-

han beban utama), Intherphase (pelekat antar dua penyusun), Interface (per-

mukaan phase yang berbatasan dengan phase lain).

Gambar 1. Penyusun Komposit

2.3 Karakteristik Komposit

Sifat maupun karakteristik 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

Bentuk dan cara penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik

komposit

Interaksi antar penyusun

Bila terjadi interaksi antar penyusun maka akan meningkatkan sifat

dari komposit





Sifat bahan komposit tidak hanya ditentukan oleh komposisi bahan pembangun-

nya, melainkan juga geometri (ukuran partikel, distribusi dan orientasi) dan kon-

sentrasi bahan pembangunnya.

2.4 Klasifikasi Komposit

Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga

kelompok besar yaitu:

a. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik

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

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

Bahan komposit dapat dikelompokkan kedalam empat bagian utama yaitu:

1. Matriks merupakan penyusun dasar komposit yang memiliki jumlah besar.

Matriks dapat berupa logam, keramik atau polimer.

2. Bahan penguat (Reinforcement) merupakan penyusun komposit yang

memperkuat dan meningkatkan sifat-sifat mekanik matriks.

3. Bahan pengisi (filter) merupakan bahan untuk meningkatkan sifat dan jum-

lah bahan komposit sehingga mengurangi biaya produksi.

4. Bahan penambah (Additive) merupakan bahan untuk meningkatkan rekatan

antar matriks dan penguat.

2.5 Keunggulan Komposit

Bahan komposit memiliki banyak keunggulan. Diantaranya berat yang

lebih ringan, kekuatan dan kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki

biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan

baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari komposit serat karbon lebih tinggi

daripada semua paduan logam (William, 2003).


http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Serat_karbon&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kekuatan_tarik&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Korosi




KERAMIK

2.6 Pengertian Keramik

Pengetahuan dan seni menggunakan dan membuat benda padat dari bahan

anorganik non metalik dikenal sebagai keramik. Kata keramik berasal dari kata

Yunani keramos yang artinya seni dan pengetahuan membuat dan menggunakan

bahan padat yang dibentuk dengan aksi panas dari bahan baku tanah (earthy raw

materials). Dari pengertian keramik diatas, yang termasuk didalamnya tidak hanya

bahan-bahan seperti gerabah, porselen, semen dan gelas, akan tetapi termasuk

juga magnet non metal, feroelektrik, bahan kristal tunggal, superkonduktor dan

bahan lain yang akan ditemukan pada saat mendatang. Karena variasi jenis bahan

keramik banyak, maka dapat dibuat produk-produk keramik yang banyak pula

variasinya. Dari ukuran mikroskopik whisker, magnet yang tipis, substrat chips

hingga ukuran dalam orde ton seperti blok-blok bahan tahan panas (refractory)

tungku, demikian juga bahan transparan yang tidak berporositas seperti kristal

gelas.

Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk

berbagai aplikasi termasuk :

kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.

Tahan korosi. Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor,

konduktor bahkan superkonduktor.

Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik.

Tahan kejut termal, keras dan kuat, namun rapuh.

Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik , yakni ikatan ionik dan

kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan.

Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan

amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturanjarak dekat

maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak





pendeknya ada, namun jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik

dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2.

Jenis ikatan yang dominan (ion dan kovalen) dan struktur internal

(kristalin atau amorf) mempengaruhi bahan-bahan keramik. Umumnya senyawa

keramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia dibandingkan elemennya.

Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball clay, kuarsa, kaolin,

dan air.Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia, dan

mineral. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung lingkunan geologi dimana

bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron

bebas. Kurangnya beberapa elektron bebas kermaik membuat sebagian besar

bahan keramik secara kelistrikanbukan merupakan konduktor dan juga mejadi

konduktor panas yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh,

keras, dan kaku. Keramik secara umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik

dibanding dengan kekuatan tariknya.

2.7 Klasifikasi Keramik

Dari pandangan sejarah perkembangannya, keramik dapat dikelompokkan

menjadi dua kelompok besar, yaitu keramik tradisional dan keramik baru.

Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan mengguanakan

bahan alam, seperti kuarsa, kaolin, dll. Keramik ini merupakan hasil

produk silikat, produk lempung (clay), semen, dan gelas silikat. Ynag

termasuk keramin ini adalah : barang pecah belah (dinnerware), keperluan

rumah tangga (tile, bricks), dan untuk industri (refactroy).

Keramik Baru

Fine Ceramics (keramik modern atau bisa disebut keramik teknik,

advanced ceramic, engineering ceramic) adalah keramik yang dibuat

dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti : oksida

logam (Al2O3, ZrO2, MgO, dll). Pengguananya : semikonduktor,elemen

pemanas, komponen turbin, dan pada bidang medis. Keramik modern

mempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadap





temperatur tinggi, sifat mekanis yang lebih baik, sifat listrik yang spesifik,

tahan terhadap bahan kimiawi, menjadikan keramik menjadi berkembang.

GAS TURBIN2.8 Turbin Gas

Ada beberapa jenis turbin gas, yang pertama adalah steam turbine.

Hampir kebanyakan pembangkit atau power plant menggunakan batubara, gas

alam, minyak atau reaktor nuklir untuk memproduksi uap / steam. Uap tersebut

akan dialirkan melalui turbin bertingkat dengan ukuran yang sangat besar dan

dengan desain yang rumit, untuk memutar poros output turbin dimana poros inilah

yang biasa digunakan untuk memutar generator pembangkit.

Kedua adalah turbin air, digunakan PLTA dengan menggunakan prinsip

yang hampir sama dengan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Turbin air

secara desain atau bentuk berbeda dengan apa yang terlihat pada turbin uap,

dikarenakan fluida kerja yang berupa air ini memiliki densitas yang lebih besar

( bergerak lebih lambat ) dibandingkan uap, namun secara prinsip kerja adalah

sama. Kemudian turbinangin, menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya.

Turbin angin ini sama sekali berbeda dengan kedua turbin di atas karena angin

yang digunakan angin alam yang bergerak sangat lambat, ringan , namun sekali

lagi turbin angin juga menggunakan prinsip yang sama.

Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesin

turbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanan

sendiri dengan membakar bahan seperti propana, natural gas, kerosene atau bahan

bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan

udara, sehingga udara panas dengan kecepatan sangat tinggi ini mampu

memutarkan turbin.

Turbin gas ini dipilih sebagai mesin tank ataupun mesin pesawat terbang.

Ada dua hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungan

daripada turbin gas. Mesin turbin gas memiliki rasio power-to-weight yang besar





dibandingkan dengan mesin diesel lainnya. Tentu ini sangat bermanfaat untuk

meminimaliskan bobot daripada tank namun tetap memiliki tenaga yang

besar. Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan

mesin lainnya dengan daya yang sama.

Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibanding

mesin lainnya, kelemahan tersebut yaitu masih mahalnya biaya rakit dan material

komponennya. Hal ini wajar mengingat bahwa turbin gas beroperasi pada

kecepatan dan pada temperatur yang sangat tinggi sehingga diperlukan

perencanaan yang rumit sekaligus proses produksinya yang tidak mudah. Selain

itu turbin gas juga cenderung lebih banyak menghabiskan bahan bakar saat

mesin diam/idle karena memang lebih banyak beroperasi pada beban konstan

daripada fluktuatif. Hal – hal yang telah dikemukakan tadi menjadi alasan kenapa

turbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang dan juga pada

pembangkit listrik.

2.9 Proses Singkat pada Turbin gas

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit. Terdapat 3 komponen atau bagian

utama yaitu :

1. Compressor

Menaikkan tekanan udara yang masuk

2. Combustion Area

Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangat

tinggi begitu pula dengan kecepatannya.

3. Turbin





Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasil

dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbi

Gambar 1. Komponen utama turbin gas

COMPRESSOR

Pada Mesin Turbin seperti dibawah, udara dengan tekanan normal masuk

dengan cara dihisap oleh compressor yang biasanya berbentuk silinder kerucut

dengan beberapa fan blade yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udara

tersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbin

kenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yang

digunakan yaitu axial flow dan radial flow.

Gambar 2. Radial flow compressor.





Gambar 3. Axial flow compressor

RADIAL FLOW AXIAL FLOW

KEUNTUNGAN · Efisien· Rasio kompresi tinggi

(20:1)

· Simple dan tidak mahal

· Relatif ringan bobotnya.

KELEMAHAN · Desain kompleks

· Mahal

· Kurang efisien

· Frontal Area yang besar

· Rasio Kompresi terbatas (4:1)





Gambar 4. Combustion Area

Udara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke

bagian Combustian Area dimana sebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan

bakar dengan aliran konstan. Bahan bakar yang biasa digunakan disini adalah

karosene, jet fuel, propana dan gas alam. Udara yang memasuki area ini adalah

udara bertekanan tinggi dan mempunyai kecepatan hampir pada 100 mil per jam,

sedangkan kita tetap ingin mempertahankan nyala api secara kontinyu di area

tersebut. Komponen yang menjadi solusi permasalahan tersebut adalah

sebuah flame holder atau can. Can ini berupa komponen pelindung api yang

terbuat dari baja berat yang bentuknya berlubang-lubang. Setengah bagian dari

can dapat dilihat pada gambar pandangan cross section di atas, dimana Injector di

sebelah kanan. Udara bertekanan tinggi masuk melalui lubang-lubang can. Gas

keluar di sebelah kiri dan memasuki turbin. Turbin ini merupakan satu set / satu

unit dengan kompresor dan poros.





Gambar 5. Turbin seporos dengan compresor tetapi tidak saling

berhubungan

Di bagian paling kiri sendiri pada gambar di atas adalah yang disebut final

turbine stage. Turbin ini memutarkan poros keluaran / output. Kedua bagian

terakhir ini tidak terkoneksi dengan apapun, jadi unit bebas, tidak terkait dengan

komponen turbin lainnya. Sedangkan pada kasus penggunaan turbin pada

kendaraan tempur tank atau sebuah pembangkit listrik, gas buang tidak berguna

sehingga akan dibuang melaui sebuah saluran pipa buang. Namun terkadang

energi panas gas buang bisa berguna untuk alat penukar kalor atau untuk

preheating sebelum udara masuk kompresor.

Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin

mengingat turbin gas beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang

sangat tinggi. Sehingga material yang digunakan untuk membuat turbin tidak

sembarangan. Salah satu solusinya adalah CMCs (Komposit matrik keramik) yang

akan dijelaskan pada subbab berikutnya.

KOMPOSIT MATRIK KERAMIK 2.10 Komposit Matrik Keramik





Ceramic Matrik Composite (menggunakan matriks keramik). CMC

merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1

fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement

yang mum digunakan pada CMC adalah: oksida, carbide, nitride. Salah satu

proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX yaitu proses

pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbhan

matriks keramik disekeliling daerah filler.

Istilah Metal Matrix Composite (MMC) mencakup berbagai macam sistem

dan juga struktur mikro yang berjangkauan luas, pada umumnya adalah matriks

yang bersifat logam dengan bahan penguatnya adalah keramik walaupun terdapat

juga berbagai jenis bahan penguat yang lain. MMC bisa juga meliputi bahan-

bahan yang diperkuat fasa lemah seperti serpihan grafit, serbuk partikel atau

bahkan gas. Dimungkinkan juga untuk menggunakan logam refraktori,

intermetalik atau semikonduktor. Tipe- tipe MMC biasanya dikelompokkan

berdasarkan penguatnya menjadi sebagai berikut:

a. Partikulasi

Partikulasi yaitu MMC yang mempunyai sudut hampir sama. Partikulasi

MMC digunakan secara luas dalam aplikasi industri. MMC jenis infokus

pada matrik Al dengan bahan penguat yang paling umum adalah SiC atau

Al2O3. Penguat lain seperti TiB2B4C, SiO2, TiC, Wc, BN, ZrO2, W

danlain- lain juga telah diteliti.

b. Serat pendek (dengan atau tanpa pensejajaran)

Pada pertengahan 1980-an, MMC serat pendek mendapat perhatian luas

dengan dikembangkannya piston- piston mesin diesel yang diperkuat

dengan serat-serat alumina pendek (Contohnya ICI “saffil”). Serat lain

yang mirip (alumino-silicate) juga sudah digunakan untuk aplikasi ini.

Serat- serat ini memiliki kristal majemuk berstruktur mikro dengan butiran

halus, panjang serat berukurann beberapa mikro. Komponen- komponen

tersebut biasanya diperoleh dengan infiltrasi leburan.

c. Serat Panjang Sejajar





Beberapa sistem MMC serat panjang telah diteliti dan beberapa

diantaranya telah digunakan dalam aplikasi tertentu. Namun demikian

pemanfaatannya terbatas sebagai konsekwensi dari kesulitan pemrosesan

serta keterbatasan kekenyalan dan kekerasan. MMC serat panjang tersedia

dalam bentuk mutifilamen, yaitu mengacu pada serat yang berdiameter

relatif kecil (~ 5- 30 mµ). Serat ini cukp fleksibel untuk ditangani dalam

bentuk “tows” (serat yang tidak bergulung atau membentuk ikatan

simpul), bisa dengan ditenun, dianyam atau berbentuk lembaran. Material

yang sesuai meliputi SiC dan berbaga oksida. MMC multifilamen

diproduksi dengan cara infiltrasi leburan. Kendat SiC telah berhasil

digunakan dalam partikulasi MMC tetapi multifilament. Serat SiC yang

cocok sebagai bahan pengikat logam tidak tersedia dipasaran. Produk yang

tersedia dipasaran dengan merek Nicalon cenderung mengandung silika

dan karbon bebas dengan kadar tinggi yang menyebabkan reaksi

berlebihan terhadap kebanyakan bahan pengikat selama pemrosesan.

MMC. monofilamen adalah serat berdiameter besar (~ 100- 150 mµ),

biasanya diperoleh dengan cara Chemical Vapor Deposition (CVD)

dengan inti SiC atau Boron (B) ke inti serat karbon atau kawat tungsten.

Monofilamen kurang lentur dibanding multifilamen sehingga ditangani

sebagai serat tunggal dan perlu adanya peringatan akan bahaya permukaan

yang tajam.

MMC merupakan kombinasi dari metal (sebagai matrik) dengan dua atau

lebih material non metal (sebagai reinforcement) yang digabungkan dalam skala

makroskopis untuk membentuk material baru yang berguna. Metal matrik

komposit ini mempunyai sifat-sifat yang terbaik dari unsure-unsur penyusunnya

bahkan seringkali memiliki beberapa sifat lain yang tidak ada pada unsure

penyusunnya itu. Sifat yang dapat dihasilkan dengan membentuk suatu metal

matrik komposit adalah kekuatan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus,

umur fatik, sifat konduktifitas listrik dan lain-lain.

2.11 Komposit Matrik Keramik untuk Gas Turbin





Fabrikasi komposit matriks keramik ini, bentuknya meniru dengan bentuk

turbin gas yang sudah ada, karena disini kita hanya bermaksud untuk mengganti

bahan materialnya, bukan untuk mendesign bentuk turbin yang lebih efisien.

Pengembangan bahan suhu tinggi selama empat puluh tahun terakhir telah

menjadi salah satu faktor kunci yang bertanggung jawab untuk perbaikan kinerja

gas turbin. Bahan yang digunakan saat ini adalah paduan nikel dan kobalt, yang

dalam banyak kasus bisa digunakan pada suhu sampai ~1100oC, lebih kecil 50oC

dari temperatur leleh. Akibatnya, ada kebutuhan yang serius untuk

mengembangkan bahan yang dapat digunakan pada suhu yang lebih tinggi dari ~

1100oC.

Keramik adalah bahan tahan api yang dengan demikian memungkinkan

untuk diaplikasikan pada turbin gas. Keramik monolitis, seperti SiC dan Si3N4,

telah ada selama lebih dari 40 tahun tapi belum bisa diaplikasikan dalam gas

turbin karena mereka tidak terlalu tahan terhadap tekanan dan bisa mengalami

retakan serempak. Komposit matriks keramik, terutama yang diperkuat dengan

serat, mengurangi toleransi kerusakan dan dengan demikian memungkinkan untuk

diaplikasikan untuk turbin gas.

Dua kelas CMC yang cukup cocok untuk aplikasi dalam suhu tinggi

adalah oksida serat komposit matriks, disebut oksida / oksida komposit, dan

komposit matrik silikon karbida diperkuat serat silikon, disebut SiC / SiC

komposit. Oksida / oksida komposit terbatas pada suhu ~ 1100oC karena

kurangnya ketersediaan serat oksida yang tahan suhu tinggi. Selain itu, karena

konduktivitas termal rendah dan koefisien ekspansi termal yang tinggi, oksida-

oksida komposit ketika terkena kejutan termal rentan untuk retak, yang jelas tidak

memenuhi persyaratan utama untuk aplikasi di bagian panas turbin gas.

Sebaliknya, SiC / SiC komposit lebih memungkinkan untuk aplikasi suhu tinggi

karena ketersediaan serat yang tahan suhu tinggi dan SiC lebih tahan kejutan

termal.

Selama lebih dari 10 tahun, telah dikembangkan melt infiltrated SiC / SiC

komposit. Komposit ini dibuat oleh infiltrasi lelehan silikon menjadi bentuk yang





baru yaitu serat silikon yang terlapisi BN yang tertanam dalam matriks SiC dan /

atau karbon. Pada saat infiltrasi (perembesan), silikon bereaksi dengan karbon

membentuk silikon karbida, dan pori-pori yang tersisa diisi dengan silikon

menghasilkan komposit dengan silikon-silikon karbida matriks dan serat silikon

karbida dilapisi BN. Serat yang terlapisi BN memberikan toleransi kerusakan

pada komposit.

Melt Infiltrated (MI) SiC / SiC komposit sangat menarik untuk aplikasi

turbin gas karena konduktivitas termal tinggi, termal resistensi shock yang baik,

tahan terhadap pemuluran, dan tahan oksidasi dibandingkan dengan CMC lainnya.

2.12 Pengujian Sampel Komposit Matrik Keramik

Pengujian dilakukan dengan alat yang diperlihatkan seperti gambar

dibawah :

Gambar 6. Bentuk SiC/SiC komposit yang sudah difabrikasi.





Gambar 7. Pengujian kekuatan dari komposit matrik keramik sampel

turbin.

Pengujian dilakukan dengan memberikan aliran panas dan tekanan tinggi

dari suatu arah, dan dilihat sampai mana bahan tersebut tahan dan berapa tekanan

maksimum dan suhu maksimum yang bisa diampu. Lebih dari 1000 jam pengujian

mesin sukses telah dilakukan. Detilnya tidak akan dibahas disini karena terlalu

panjang dan rumit. Meskipun kemajuan substansial telah dibuat, risiko yang signifikan

dan tantangan masih tetap ada sebelum komposit ini dapat dikomersialisasikan untuk

komponen turbin gas.





DAFTAR PUSTAKAOhio.1993. “Aluminum and Aluminum Alloy”, ASM Specially Handbook

A. W Urquhart, 1991, “Novel Reinforced Ceramic and Metals; a Review of

Lanxide’s Composit Technologies, Mat”. Science and Technology. Vol 7 75-

82

Callister, William. 2007. “Materials Science and Engineering”, New York: Wiley& sons

Gibson, Ronald F, 1994, “Principles of Composite Material Mechanics”, Mc

Graw-Hill. Inc, New York 27-29

Mel. M. Schwartz, 1997, “Composite Material Processing, Fabrication and

Aplication. Vol II”, Prencitice-Hal. Inc, New Jersey 143-201

http://www.scrib.com/doc/3158496/Sifat-sifat-Bahan-Keramik, tanggal akses 25

Februari 2013

http://www.matter.org.uk/matscicdrom/manual/pm.html/keramik, tanggal akses :

25 Februari 2013


http://www.matter.org.uk/matscicdrom/manual/pm.html/keramik

http://www.scrib.com/doc/3158496/Sifat-sifat-Bahan-Keramik

makalah komposit matrik keramik

Documents