1

KompositKomposit

Prof. DrProf. Dr. Ir. Anne . Ir. Anne ZulfiaZulfia MScMSc

Pengenalan Komposit Pengenalan Komposit Secara UmumSecara Umum

2

Pengertian KompositPengertian Komposit

Komposit merupakan perpaduan dari dua Komposit merupakan perpaduan dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki propertis lebih baik dari keduanya. memiliki propertis lebih baik dari keduanya. Jika perpaduan ini terjadi dalam skala Jika perpaduan ini terjadi dalam skala makroskopis maka disebut sebagai komposit.makroskopis maka disebut sebagai komposit.Jika perpaduan ini terjadi secara mikoroskopis Jika perpaduan ini terjadi secara mikoroskopis (molekular level) maka disebut sebagai alloy (molekular level) maka disebut sebagai alloy atau paduan.atau paduan.

•Material Komposit - •Dibentuk dari dua atau lebih material yang berbeda menjadi satu material, untukmeningkatkan sifat mekanik dari setiapmaterial yang dimilikinya.

+

•“Reinforcement”

=

•“Composites”•Polymer “Matrix”

3

Figure 16.1 Some examples of composite materials: (a) plywood is a laminar composite of layers of wood veneer, (b) fiberglass is a fiber-reinforced composite containing stiff, strong glass fibers in a softer polymer matrix (× 175), and (c) concrete is a particulate composite containing coarse sand or gravel in a cement matrix (reduced 50%).

Figure 16.18 Photomicrographs of two fiber-reinforced composites: (a) In Borsic fiber-reinforced aluminum, the fibers are composed of a thick layer of boron deposited on a small-diameter tungsten filament (× 1000). (From Metals Handbook, American Society for Metals, Vol. 9, 9th Ed., 1985.) (b) In this microstructure of a ceramic-fiber–ceramic-matrix composite, silicon carbide fibers are used to reinforce a silicon nitride matrix. The SiC fiber is vapor-deposited on a small carbon precursor filament (× 125). (Courtesy of Dr. R.T. Bhatt, NASA Lewis Research Center.)

4

Specific Material Properties:Bila dibandingkan dengan engineering materials yang lain, FRPs sangat competitive ditinjau dari beratnya

TensileStrength

σ(Mpa)

StiffnessE

(Gpa)

Mild Steel

Aluminium

Nylon

Concrete

Random Fibre FRP

Alligned Fibre FRP

(Load // Fibres)

(Load Fibres)

SpecificStiffness

E/ρ

SpecificStrengthσ/ρ

Densityρ

(kg/m3)

7800

2700

1100

2400

1800

1600

1600

208

70

2.5

40

20

200

3

400

200

80

20

300

1500

50

1

0.97

0.09

0.63

0.42

4.69

0.07

1

1.44

1.42

0.16

3.25

18.3

0.61

KlasifikasiKlasifikasi KompositKomposit

Komposit

Partikel Fiber Struktural

Continuous Discontinuous

Laminates SandwichPanels

LargeParticle

DispersionStrengthened

Aligned Random

Berdasarkan Bentuk dari Reinforcementnya

5

Fiber Fiber sebagaisebagai reinforcedreinforced

Fiber yang Fiber yang digunakandigunakan harusharus: : MempunyaiMempunyai diameter yang diameter yang lebihlebih kecilkecil daridaridiameter diameter bulknyabulknya ((matriksnyamatriksnya) ) namunnamunharusharus lebihlebih kuatkuat daridari bulknyabulknyaHarusHarus mempunyaimempunyai tensile strength yang tensile strength yang tinggitinggi

6

MatriksMatriks yang yang dipadukandipadukan dengandengan fiber fiber berfungsiberfungsi sebagaisebagai ::PenjepitPenjepit fiberfiberMelindungiMelindungi fiber fiber daridari kerusakankerusakan permukaanpermukaanPemisahPemisah antaraantara fiber fiber dandan jugajuga mencegahmencegahtimbulnyatimbulnya perambatanperambatan crack crack daridari suatusuatu fiber fiber kekefiber lainfiber lainBerfungsiBerfungsi sebagaisebagai medium medium dimanadimana eksternaleksternalstress yang stress yang diaplikasikandiaplikasikan keke kompositkomposit, , ditransmisikanditransmisikan dandan didistribusikandidistribusikan keke fiber.fiber.

MatriksMatriks yang yang digunakandigunakan harusharus ::Ductility Ductility tinggitinggiMemilikiMemiliki modulus modulus elastisitanselastisitans lebihlebih rendahrendahdaripadadaripada fiberfiberMempunyaiMempunyai ikatanikatan yang yang bagusbagus antaraantaramatriksmatriks dandan fiberfiberBiasanyaBiasanya secarasecara umumumum yang yang digunakandigunakanadalahadalah polimerpolimer dandan logamlogam

7

a. a. Short(discontinuousShort(discontinuous) fiber reinforced composites ) fiber reinforced composites

Aligned Random

b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites

Fiber yang Fiber yang biasabiasa digunakandigunakanantaraantara lain :lain :

Fibers Fibers –– GlassGlassSangatSangat umunumun digunakandigunakan, fiber yang , fiber yang murahmurahadalahadalah glass fiber yang glass fiber yang seringsering digunakandigunakan untukuntukreinforcement reinforcement dalamdalam matrikmatrik polimerpolimerKomposisiKomposisi umumumum adalahadalah 50 50 –– 60 % SiO2 dan 60 % SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll.paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll.Moisture Moisture dapatdapat mengurangimengurangi kekuatankekuatan daridariglass fiberglass fiberGlass fiber Glass fiber sangatsangat rentanrentan mengalamimengalami static static fatikfatikBiasanya digunakan untuk: piping, tanks, Biasanya digunakan untuk: piping, tanks, boats, alatboats, alat--alat olah ragaalat olah raga

8

SifatSifat--SifatnyaSifatnyaDensitynyaDensitynya cukupcukup rendahrendah ( ( sekitarsekitar 2.55 g/cc)2.55 g/cc)Tensile Tensile strengthnyastrengthnya cukupcukup tinggitinggi ((sekitarsekitar 1.8 1.8 GPaGPa))BiasanyaBiasanya stiffnessnyastiffnessnya rendahrendah (70GPa)(70GPa)StabilitasStabilitas dimensinyadimensinya baikbaikResistenResisten terhadapterhadap panaspanasResistenResisten terhadapterhadap dingindinginTahanTahan korosikorosi

KeuntunganKeuntungan ::BiayaBiaya murahmurahTahanTahan korosikorosiBiayanya relative lebih rendah dari komposit Biayanya relative lebih rendah dari komposit lainnyalainnya

KerugianKerugian•• KekuatannyaKekuatannya relative relative rendahrendah•• ElongasiElongasi tinggitinggi•• Keuatan dan beratnya sedang (moderate)Keuatan dan beratnya sedang (moderate)

JenisJenis--jenisnyajenisnya antaraantara lainlain ::EE--Glass Glass -- electrical, cheaperelectrical, cheaperSS--Glass Glass -- high strengthhigh strength

9

Fibers Fibers -- AramidAramid ((kevlarkevlar, , TwaronTwaron))BiasanyaBiasanya digunakandigunakan untukuntuk : Armor, : Armor, protective clothing, industrial, sporting protective clothing, industrial, sporting goodsgoodsKeuntunganKeuntungan ::kekutannyakekutannya cukupcukup tinggitinggi, , dandan lebihlebih ductile ductile daridari carboncarbon

Carbon FibersCarbon FibersDensitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/ccg/ccStruktur grafit yang digunakan untuk membuat Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan.fiber berbentuk seperti kristal intan.Karakteristik komposit dengan serat karbon :Karakteristik komposit dengan serat karbon :

ringan;ringan;kekuatan yang sangat tinggi;kekuatan yang sangat tinggi;kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.

Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap proses :tahap proses :

Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;Karbonisasi=Karbonisasi= pemanasanpemanasan untukuntuk mengurangimengurangi O, H, O, H, N;N;GrafitisasiGrafitisasi = = meningkatkanmeningkatkan modulusmodulus elastisitaselastisitas..

10

Concentration

SizeShape

Distribution Orientation

ParametersParameters

PengaruhPengaruh OrientasiOrientasi FiberFiber

Parameter Fiber Parameter Fiber arrangement with respect to each otherarrangement with respect to each otherdistributiondistributionconcentrationconcentration

OrientasiOrientasi FiberFiberparallel to each otherparallel to each othertotally randomtotally randomsome combinationsome combination

11

PartikelPartikel sebagaisebagai penguatpenguat((ParticulateParticulate composites)composites)

Large particleLarge particleInteraksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekularskala atomik atau molekularPartikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi meratamerataContoh dari large particle composit: cemet dengan sand Contoh dari large particle composit: cemet dengan sand atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai partikelpartikel

Light Phase –Matrix (Cobalt)

Dark Phase-Particulate (WC

Flat flakes Flat flakes sebagaisebagai penguatpenguat (Flake composites)(Flake composites)

Fillers Fillers sebagaisebagai penguatpenguat (Filler composites) (Filler composites)

12

Figure 16.7 Microstructure of an aluminum casting alloy reinforced with silicon carbide particles. In this case, the reinforcing particles have segregated to interdendritic regions of the casting (× 125). (Courtesy of David Kennedy, Lester B. Knight Cost Metals Inc.)

StructurtalStructurtal CompositeComposite

13

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 16.12 (a) Tapes containing aligned fibers can be joined to produce a multi-layered different orientations to produce a quasi-isotropic composite. In this case, a 0°/+45°/90° composite is formed.

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Figure 16.13 A three-dimensional weave for fiber-reinforced composites.

14

BerdasarkanBerdasarkan matriksmatriks yang yang digunakandigunakan

TipeTipe KompositeKompositeMatrix phase/Reinforcement Phase

Metal Ceramic Polymer

Metal Powder metallurgy parts – combining immiscible metals

Cermets (ceramic-metal composite)

Brake pads

Ceramic Cermets, TiC, TiCNCemented carbides –used in toolsFiber-reinforced metals

SiC reinforced Al2O3 Tool materials

Fiberglass

Polymer Kevlar fibers in an epoxy matrix

Elemental (Carbon, Boron, etc.)

Fiber reinforced metalsAuto partsaerospace

Rubber with carbon (tires)Boron, Carbon reinforced plastics

MMC’s CMC’s PMC’sMetal Matrix Composites Ceramic Matrix Comp’s. Polymer Matrix Comp’s

15

Polymer Matrix Composite (Polymer Matrix Composite (PMC’sPMC’s))

JenisJenis fiber yang fiber yang biasabiasa digunakandigunakanGlass fiber Glass fiber –– fiberfiber glassglassCarbonCarbon fiberfiber –– graphiticgraphitic dan dan amorphousamorphous CCAramidAramid fiber fiber –– kevlarkevlar, highly linear , highly linear polimerpolimer chainchainJenisJenis matriksmatriks yang yang biasabiasa digunakandigunakan

Polyester Polyester dandan vinyl esters vinyl esters –– fiberglassfiberglassEpoxies Epoxies –– aerospace application, stronger, resistance to aerospace application, stronger, resistance to moisturemoisturePolimidesPolimides –– high temperaturehigh temperatureHigh temperature thermoplastic High temperature thermoplastic –– PEEK< PPS< PEI< PEEK< PPS< PEI< aerospaceaerospace

KeuntunganKeuntungan daridari PMCPMC

RinganRinganSpecific stiffness Specific stiffness tinggitinggiSpecific strength Specific strength tinggitinggiAnisotropyAnisotropyAplikasiAplikasi daridari PMCPMC

Bathroom furnitureBathroom furnitureAerospaceAerospaceConstruction material, etc.Construction material, etc.

16

Metal Matrix Composite (MMC)Metal Matrix Composite (MMC)

Metal Metal matrikmatrik kompositkomposit adalahadalah salahsalah satusatujenisjenis kompositkomposit yang yang memilikimemiliki matrikmatriklogamlogam. Material Metal Matrix Composite . Material Metal Matrix Composite (MMC) (MMC) mulaimulai dikembangkandikembangkan sejaksejak tahuntahun1996. 1996. PadaPada mulanyamulanya yang yang ditelitiditeliti adalahadalahContinousContinous FilamenFilamen MMC yang MMC yang digunakandigunakandalamdalam aplikasiaplikasi aerospace.aerospace.

Kelebihan MMc dibandingkan dengan PMCKelebihan MMc dibandingkan dengan PMCTransfer tegangan dan regangan yang bagusTransfer tegangan dan regangan yang bagusKetahanan terhadap temperatur tinggiKetahanan terhadap temperatur tinggiTidak menyerap kelembapanTidak menyerap kelembapanTidak mudah terbakarTidak mudah terbakarKekuatan tekan dan geser yang baikKekuatan tekan dan geser yang baik

Kekurangan MMCKekurangan MMCBiayanya mahalBiayanya mahalStandarisasi material dan proses yang sedikitStandarisasi material dan proses yang sedikit

17

Matriks pada MMCMatriks pada MMCMempunyai keuletan yang tinggiMempunyai keuletan yang tinggiMempunyai titik lebur yang rendahMempunyai titik lebur yang rendahMempuyai densitas yang rendahMempuyai densitas yang rendahContoh : aluminium, titaniumContoh : aluminium, titanium

Proses pembuatan MMCProses pembuatan MMCPowder metallurgyPowder metallurgyCasting/liquid ilfiltrationCasting/liquid ilfiltrationCompocastingCompocastingSqueeze CastingSqueeze Casting

Ceramic Matrix Composite (CMC)Ceramic Matrix Composite (CMC)

CMC CMC merupakanmerupakan material 2 material 2 fasafasa dengandengan 1 1 fasafasaberfungsiberfungsi sebagaisebagai reinforcement reinforcement dandan 1 1 fasafasasebagaisebagai matriksmatriks dimanadimana matriksnyamatriksnya terbuatterbuat daridarikeramikkeramik. Reinforcement yang . Reinforcement yang umumumum digunakandigunakanpadapada CMC CMC adalahadalah : : oksidaoksida, carbide, nitride., carbide, nitride.SalahSalah satusatu prosesproses pembuatanpembuatan daridari CMC CMC yaituyaitudengandengan prosesproses DIMOX DIMOX yaituyaitu prosesprosespembentukanpembentukan kompositkomposit dengandengan reaksireaksi oksidasioksidasileburanleburan logamlogam untukuntuk pertumbuhanpertumbuhan matriksmatrikskeramikkeramik disekelilinhdisekelilinh daerahdaerah filler (filler (penguatpenguat).).

18

KeuntunganKeuntungan daridari CMCCMCDimensinyaDimensinya stanilstanil bahkanbahkan lebihlebih stabilstabil daripadadaripada logamlogamSangatSangat tanggungtanggung, , bahkanbahkan hampirhampir samasama dengandenganketangguhanketangguhan daridari cast ironcast ironMempunyai karakteristik permukaan yang tahan ausMempunyai karakteristik permukaan yang tahan ausUnsur kimianya stabil pada temperature tinggiUnsur kimianya stabil pada temperature tinggi

KerugianKerugian daridari CMCCMCSulitSulit untukuntuk diproduksidiproduksi dalamdalam jumlahjumlah besarbesarRelative Relative mahalmahal dan dan nonnon--cotcot effectiveeffectiveHanyaHanya untukuntuk aplikasiaplikasi tertentutertentu

AplikasiAplikasi daridari CMCCMCChemical processing : filters, membranes, Chemical processing : filters, membranes, seals, liners, piping, hangersseals, liners, piping, hangersPower generation : Power generation : CombustorrsCombustorrs, , vanrsvanrs, , nozzles, nozzles, recuperatorsrecuperators, heat , heat exchageexchage tubes, tubes, linerlinerWaste incineration : furnace part, burners, Waste incineration : furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors, etcheat pipes, filters, sensors, etc

19

InterfaceInterface

Interface Interface merupakanmerupakan permukaanpermukaan antaraantarareinforcementreinforcement dan dan matrikmatrik yang yang menentukanmenentukanproses proses transfertransfer tegangantegangan dari dari matrikmatrik--reinforcementreinforcement--matrikmatrik, yang , yang berpengaruhberpengaruhkepadakepada ::

spesefikspesefik strengthstrengthspesifikspesifik stiffnesstiffnesfracture fracture toughnesstoughnessketahananketahanan creepcreep

MacamMacam--macammacam interfacialinterfacial bondingbonding ::

MoleculeMolecule entanglemententanglement adanyaadanya iakataniakatanantarantar molekulmolekul di di permukaanpermukaan fiberfiber dan dan matrikmatrik..

CationicCationic attraction attraction atat ionicionic surface surface perbedaanperbedaan secarasecara molekularmolekular yang yang terjaditerjadidi interface.di interface.

20

ElectrostaticElectrostatic adanyaadanya perbedaanperbedaan muatanmuatan listriklistrik secarasecaraatomikantaraatomikantara reinforcereinforce dan dan matrikmatrik di di permukaanpermukaaninterface yang interface yang mengakibatkanmengakibatkan tariktarik--menarikmenarik, bila ada , bila ada gasgas, , ikatanikatan melemahmelemah..

ReaksiReaksi kimiakimia padapada interface interface terdapatterdapat kumpulankumpulan group group kimiakimia yang yang salingsaling berikatanberikatan antaraantara fiberfiber dan dan matrikmatrik. . IkatanIkatan akan akan bertambahbertambah eraterat dengandengan adanyaadanya couplingcouplingagent. agent.

MechanicalMechanical bondingbonding adanyaadanya mekanismemekanismeinterlockinginterlocking padapada permukaanpermukaan sehinggasehingga semakinsemakinkasarkasar permukaanpermukaan ikatanikatan yang yang terjaditerjadi makinmakinkuatkuat..

ReactionReaction & & InterdiffusionInterdiffusion bondingbondingReactionReaction terjaditerjadi padapada materialmaterial polimerpolimerdimanadimana terjaditerjadi penjalinanpenjalinan rantairantai--rantairantaiInterdiffusionInterdiffusion bondingbonding terjaditerjadi di interface di interface logamlogam dan dan keramikkeramik dimanadimana akan akan membentukmembentuklapisanlapisan dipermukaandipermukaan yang yang berbedaberbeda

21

Sifat Sifat ––Sifat KompositSifat Komposit

Isotropy VS AnisotropyIsotropy VS AnisotropyKomposit yang dikuatkan oleh fiber biasanya Komposit yang dikuatkan oleh fiber biasanya merupakan tipe anisotropy. Sifatmerupakan tipe anisotropy. Sifat--sifat ini sangat sifat ini sangat tergantung pada geometri axisnya.tergantung pada geometri axisnya.Pada komposit untuk menjadi isotropic pada spesifik Pada komposit untuk menjadi isotropic pada spesifik properties seperti CTE dan modulus young maka properties seperti CTE dan modulus young maka seluruh elemen penguat baik fiber maupun partikel, seluruh elemen penguat baik fiber maupun partikel, mempunyai orientasi susunan secara acakmempunyai orientasi susunan secara acakContinuous fiber karena penyusunannya yang teratur Continuous fiber karena penyusunannya yang teratur

membuat mempunyai sifat anisotropymembuat mempunyai sifat anisotropy

Rule Of MixtureRule Of Mixture

DensityDensity

22

Modulus YoungModulus Young

LongitudinalLongitudinal

TransverseTransverse

Interface, Fracture Propagation, Interface, Fracture Propagation, toughnesstoughness

Pada Matriks yang DuctilePada Matriks yang DuctilePada matriks yang ductile seperti polimer dan Pada matriks yang ductile seperti polimer dan metal, interface yang kuat merupakan faktor metal, interface yang kuat merupakan faktor yang sangat penting sekali, sejak fiber yang sangat penting sekali, sejak fiber membawa sebagian besar beban dari membawa sebagian besar beban dari matriksnya. Fiber berkemungkinan gagal atau matriksnya. Fiber berkemungkinan gagal atau rusak terlebih dulu. Hal ini terjadi karena fiber rusak terlebih dulu. Hal ini terjadi karena fiber tidak dapat meregang seperti matriksnya yang tidak dapat meregang seperti matriksnya yang mempunyai ductility tinggi. Tapi disini crak yang mempunyai ductility tinggi. Tapi disini crak yang terjadi hanya sedikit dan merambat dengan terjadi hanya sedikit dan merambat dengan lambat. Ketika crack menyentuh interface maka lambat. Ketika crack menyentuh interface maka interface yang kuat dapat menghentikannya.interface yang kuat dapat menghentikannya.

23

Pada Matriks yang BrittlePada Matriks yang BrittlePada material yang brittle maka matriks Pada material yang brittle maka matriks membawa sebagian besar dari bebannya dan membawa sebagian besar dari bebannya dan fiber ditambahkan hanya untuk meningkatkan fiber ditambahkan hanya untuk meningkatkan tougness. Untuk meningkatkan waktu kegagalan tougness. Untuk meningkatkan waktu kegagalan catastropy dilakukan dengan menahan matriks catastropy dilakukan dengan menahan matriks setelah crack. Disini fiber lebih ductile dari setelah crack. Disini fiber lebih ductile dari matriks.dan yang akan pertama kali mengalami matriks.dan yang akan pertama kali mengalami kegagalan adalah matriksnya. Ketika crack kegagalan adalah matriksnya. Ketika crack merambat dan menemui lapisan interface yang merambat dan menemui lapisan interface yang lemah maka crack akan tetap merambatlemah maka crack akan tetap merambat

Stage I Stage I -- elastic deformation with intermediate elastic deformation with intermediate Stage II Stage II -- matrix yieldsmatrix yieldsFailure Failure -- NonNon--catastrophic. When fibers fracture, you now have new fiber catastrophic. When fibers fracture, you now have new fiber length and matrix is still presentlength and matrix is still present

PengaruhPengaruh OrientasiOrientasi FiberFiber

24

Aplikasi Komposit Secara Aplikasi Komposit Secara UmumUmum

Straw in clay construction by EgyptiansStraw in clay construction by EgyptiansAerospace industryAerospace industrySporting goodsSporting goodsAutomotiveAutomotiveConstructionConstructionNautical transportationNautical transportation

Air Air TransportationTransportation

Nautical Nautical TransportationTransportation

Contoh Produk PMC

25

Ground Ground TransportationTransportation

Space Space ProgramsPrograms

CivilCivil

Sporting Sporting GoodsGoods

26

Bathroom Bathroom FurnitureFurniture

Tanks and Pressure Tanks and Pressure VesselsVessels

Not the glamorous applications, but they consume the largest quantities of material.

Construction MaterialsConstruction Materials

Roofingshingles:

Worlds largestapplication offibreglass.