struktur kristal logam dan keramik

[*] Email : [email protected] 1

Struktur Kristal Logam dan Keramik Muhammad Fauzi Mustamin[*]

Jurusan Fisika, Universitas Hasanuddin

Maret 2015

1. Selayang Pandang

Material padat dapat diklasifikasi berdasarkan karakteristik atom atau ion penyusunnya. Secara

umum struktrunya terbagi menjadi material kristal dan non-kristal. Material kristal

direpresentasikan dengan susunan periodik atom-atom penyusunnya yang memiliki sifat simetri.

Adapun material non-kristal, juga biasa disebut material amorphous, memiliki bentuk yang tidak

simetri sehingga strukturnya terbilang kompkels. Sementara ditinjau dari tingkat energi, material

kristal lebih tinggi dibandingkan dengan material non-kristal. Semua logam, keramik dan beberapa

polimer merupakan golongan material kristal.

2. Struktur Kristal Logam

Material logam memiliki struktur atom yang cukup rapat. Biasanya hanya terdiri dari satu elemen

penyusun sehingga jari-jari atomny seragam. Ikatan logam dari setiap partikel penyusunnya

bersifat nondirectional (bersifat sama disetiap arah). Hal ini berarti terdapat pembatasan minimum

dari setiap atom tetangganya, berimplikasi pada jumlah dan kerapatan paket atom tetangga yang

relatif besar.

Secara umum, struktur kristal dari logam yang sering dijumpai antara lain simple-cubic (SC),

body-centered cubic (BCC), face-centered cubic (FCC) dan hexagonal closed-packed (HCP).

2.1 Simple-Cubic

Simple-cubic terdiri dari delapan atom yang berada pada setiap sudut dari kubus. Struktur ini

mengakibatkan simple-cubic memiliki bilangan koordinasi enam. Dalam satuan sel, jari-jari

atomnya :

= 0.5

dengan adalah panjang rusuk kubus.

Gmbar 1 Simple Cubic


2.2 Body-Centered Cubic

Struktur kristal ini memiliki atom yang berada pada delapan sudut dari kubus serta satu kubus

dibagian tengahnya. Dari strukturnya, BCC memiliki delapan ilangan koordinasi dan jari-jari

atom memenuhi persamaan :

=3

4


2.3 Face-Centered Cubic

Sturktur kristal ini memiliki delapan atom disetiap sudut kubus dengan empat atom dimasing-

masing titik tengah permukaan kubus. Struktur ini mengakibatkan bilangan koordinasinya dua

belas. Sementara jari-jari atomnya memenuhi persamaan :

=2

4


2.4 Hexagonal Close-Packed

Tidak semua logam memiliki simetri berupa kubus. Salah

satu struktur krsital yang sering dijumpai berbentuk

heksagonal. Bagian atas dan bawah dari satuan selnya terdiri

dari enam atom dan dikelilingi oleh satu atom pada pusatnya.

Bidang lain pada heksagonal menyediakan tiga atom lain.

Sehingga total atom yang didapatkan adalah tujuh belas.

Dari struktur tersebut, bilangan koordinasinya 12 dengan

perbandingan tinggi dan sisi permukaan :

= 1.633

Gambar 2 : Body Centered Cubic

Gambar 3 Face Centered Cubic

Gambar 4 Hexagonal Close Packed


Dari struktur tersebut, dapat dicari faktor paket atom (banyaknya volume dalam struktur yang

ditempati partikel penyusun) :

=

serta rapat muatan dari suatu material, secara teoritis memenuhi persamaan :

=

=

=

=

= (6.022 1023 /)

3. Struktur Kristal Keramik

Sesuai definisi, material keramik paling tidak terbentuk dari dua elemen sehingga strukturnya lebih

kompleks daripada material logam. Elemennya berupa logam dan non-logam, sehingga ikatan

antar atomnya dapat berupa ikatan ionik total atau juga terdiri dari ikatan kovalen. Ion logam atau

kation bermuatan positif, sementara ion non-logam bermuatan negatif atau anion. Derajat ionik

ditentukan oleh golongan dari atom penyusun material keramik.

Gambar 5 Tabel Periodik dengan Contoh CaF2 dan SiC


Terdapat dua karakteristik dari ion penyusun struktur kristal keramik : ukuran relatif dari kation

dan anion dan besar muatan listrik setiap komponen.

3.1 Ukuran Kation dan Anion

Struktur kristal ditentukan oleh nilai maksimum dari anion yang dapat mengelilingi kation. Hal ini

dikarenakan ukuran kation yang lebih kecil daripada anion. Sehingga ukuran strukturnya akan

meningkat saat ukuran kation juga meningkat. Secara geometri dapat diekspresikan dengan

perbandingan jari-jari kation dengan jari-jari anion , /.

Gambar 6 (a) tidak stabil karena gaya tolak antar anion. Gambar 6 (b) berada pada titik kritis stabil,

sementara gambar 6 (c) merupakan struktur stabil akibat gaya tarik yang sama antara kation dan

anion.

Gambar 6 Stabilitas ion penyusun keramik

Gambar 7 menunjukkan struktur kristal berdasarkan perbandinan /.

Gambar 7 Bentuk Geometri berdasarkan Rasio Jari-jari Kation dan Anion


3.2 Besar Muatan

Setiap kristal haruslah netral atau dengan kata lain jumlah muatan postif dan muatan negatif

seimbang. Hal ini dapat dilihat dari rumus empiris dari material keramik tersebut. Misalnya pada

CaF2, setiap satu kation Ca2+ harus diseimbangkan dengan dua anion F-.

Dalam banyak material, koordinasi tetrahedral yang diselidiki meskipun dengan perbandingan

jari-jari dapat memprediksi bentuk strukturnya. Hal tersebut digunakan saat terdapat ikatan

kovalen pada material, yakni saat kation dengan pangkat polarisasi tinggi (Cu2+, Al3+) berikatan

dengan anion yang dapat dipolarisasi (I-, S2-), serta untuk atom dengan hibridisasi di kulit 3

seperti Si, C, dan Ge.

Pada material keramik, perhitungan kerapatannya memenuhi persamaan :

=( + )

= /

=

=

=

= (6.022 1023 /)

struktur kristal logam dan keramik

Documents