MATERIAL TEKNIK

MATERI PERKULIAHANPengantarIkatan & Koordinasi AtomikKristalKetidakteraturan dalam KristalDiagram FasaMaterial Logam & AplikasinyaPolimerKompositKeramikMaterial-material Konduksi

PENGANTAR MATERIAL TEKNIKSemua benda , perkakas, komponen dan sistim rekayasa lainnya membutuhkan material untuk memenuhi tujuannya. Untuk pembuatan suatu sistim rekayasa tidak lagi menggunakan hanya satu material yang dominan saja. Sudah banyak material material canggih seperti plastik, silikon, titanium, keramik teknologi tinggi, serat optik dan lain-lain. Mobil adalah suatu sistim yang tersusun atas berbagai jenis material masing-masing dengan karakteristik yang cocok untuk pemrosesan , bentuk yang sesuai untuk perakitan dan sifat yang spesifik untuk pemakaian, disamping itu juga disyaratkan ketersediaan material, kelayakan ekonomis, keamanan dan mutu estetika.

Era teknologi juga merupakan era hambatan bagi material, hal ini sangat menonjol di bidang konversi energi. Pada suhu uap yang lebih tinggi konversi energi dari batu bara ke watt akan lebih efisien. Jadi tidak mengherankan bahwa begitu material untuk pembangkit daya 400oC berhasil dibuat, sarjana disain menginginkan material yang tahan hingga 450oC. Material tersebut kini sudah tersedia dan seperti yang telah diperkirakan sebelumnya para ahli disain sekarang menuntut material yang tahan 540oC bahkan lebih tinggi lagi untuk menghasilkan uap.

SIFAT-SIFAT REKAYASA MATERIALBeberapa sifat rekayasa material antara lain :Konduktivitas Listrik : = 1/ ( = resistivitas listrik)Konduktivitas termal : fluks energi pada gradien termalResistivitas listrik : kebalikan dari konduktivitas listrik.Tegangan : = P/A (P = gaya, A = luas)Regangan : = (l/lo), l=perub panjang,lo=panj awalModulus Elastisitas : E = /Kekerasan : Ketahanan terhadap penetrasi = P/AKetangguhan : Energi yang diserap sebelum perpatahan.Ketahanan terhadap korosi

TIPE-TIPE MATERIALBerdasarkan ikatan atom dan strukturnya :LogamPolimerKeramikKompositBerdasarkan sifat kelistrikannya :Material konduktorMaterial semikonduktorMaterial isolator

LOGAM dikenal karena konduktivitas termal dan listriknya yang tinggi, tidak tembus cahaya dan umumnya dapat dipoles sampai mengkilat. Sifat-sifat tersebut disebabkan karena elektron valensinya tidak terikat dan dapat meninggalkan induknya sehingga dapat dengan mudah mentransfer muatan listrik dan energi termal sebaliknya pada POLIMER dan KERAMIK elektron valensinya tidak bebas bergerak. Sifat tidak tembus cahaya dan kemampuan pemantulan pada logam disebabkan oleh respons dari elektron bebas tersebut terhadap getaran elektromagnetik pada frekuensi cahaya.

POLIMER umumnya dikenal sebagai plastik, dikenal karena densitasnya yang rendah serta pemanfaatannya sebagai isolator termal dan listrik.Merupakan pemantul cahaya yang kurang baik dan cenderung bersifat transparan (translusen). Beberapa jenis plastik bersifat fleksibel dan dapat dibentuk, karakteristik ini dimanfaatkan pula pada fabrikasi untuk pembentukan komponen. Setiap elektron terkait dengan atom tertentu sehingga sifat konduktivitas listrik dan termalnya terbatas karena semua energi termal harus ditransfer dari daerah panas ke daerah dingin dengan getaran atomik, suatu proses yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan transfer energi elektronik yang terjadi pada logam.

Material yang hanya mengandung unsur non logam berbagi elektron untuk membentuk molekul besar sering disebut makromolekul. Molekul besar tersebut terdiri dari banyak unit-unit berulang atau mer dan oleh karena itu disebut polimer.

Pemakaian polimer semakin luas karena material tersebut memiliki rasio kekuatan berat yang tinggi dan umumnya dapat diproses dengan mudah. Contoh pemakaian: bagian dalam (lapisan) pintu bagasi mobil.

KERAMIK adalah senyawa yang mengandung unsur logam dan non logam. Banyak sekali contoh material keramik mulai dari semen pada beton (bahkan batuan), gelas, isolator listrik dan magnet permanen. Sifatnya keras dan rapuh, ketahanan yang baik terhadap suhu tinggi.

Unsur logam melepas elektron kulit terluarnya dan memberikan elektron tersebut pada atom non logam yang menangkapnya akibatnya elektron tersebut tidak dapat bergerak sehingga material keramik merupakan isolator listrik maupun isolator termal yang baik.

Keramik cenderung bersifat keras, tahan api dan inert (tahan kimia) disebabkan karena ion logam positif ( atom yang kehilangan elektron) dan ion non logam negatif (atom yang mendapat elektron) memiliki gaya tarik-menarik yang kuat. Setiap kation (ion positif) dikelilingi oleh anion (ion negatif). Diperlukan energi yang cukup besar (gaya yang cukup besar pula) untuk memisahkan keduanya.

KOMPOSIT terdiri dari dua atau lebih material yang berbeda yang bergabung sebagai suatu kombinasi yang menyatu.Beton bertulang merupakan komposit yang terbuat dari batang baja di dalam suatu matriks beton. Badan perahu layar dibuat dari plastik yang diperkuat serat (FRP) dimana serat biasanya adalah gelas dan plastiknya umumnya adalah polimer.

Paduan dua fasa biasanya tidak dianggap sebagai komposit karena kedua fasanya tidak diformulasi secara terpisah tetapi berasal dari satu proses manufaktur.

Umumnya komposit adalah kombinasi dari fasa-fasa diskontinyu dan fasa-fasa matriks. Fasa diskontinyu umumnya berbentuk serat tetapi bisa juga berbentuk partikel. Volume komponen diskontinyu biasanya mengandung 10 % atau lebih dari volume total. Pada komposit yang umum, matriks terdiri dari polimer, tetapi dapat pula terdiri dari logam atau keramik seperti dijumpai pada material-material mutakhir yang sedang dikembangkan misalnya dikembangkan untuk selubung motor roket.

KONDUKTOR, SEMIKONDUKTOR, ISOLATORPada material teknik dijumpai spektrum konduktivitas yang lebar. Rentang konduktivitasnya dari -10-15 ohm-1m-1 untuk polimer tertentu hingga -108 ohm-1m-1 untuk tembaga dan perak sedangkan superkonduktor memiliki konduktivitas tak terhingga.Semua logam adalah konduktor karena elektron valensinya dapat bergerak bebas, sebaliknya polimer dan keramik yang memiliki elektron dengan ikatan yang kuat merupakan isolator. Semikonduktor merupakan material yang relatif baru di bidang teknologi terutama terdiri dari silikon elemental akan tetapi mencakup juga berbagai material keramik dan polimer baru.

IKATAN &KOORDINASI ATOMIKIkatan interatomik terdapat pada semua padatan. Ikatan-ikatan tersebut menghasilkan kekuatan dan sifat listrik serta sifat termal yang terkait dengan kekuatan tersebut. Sebagai contoh ikatan-ikatan yang kuat dapat menghasilkan :Suhu lebur yang tinggiModulus elastisitas yang tinggiJarak interatomik yang lebih pendek.Koefisien termal yang lebih rendahKekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi.Ikatan atomik primer dapat terdiri dari ikatan ionik, kovalen dan ikatan logam.

ATOM merupakan unit dasar struktur internal dalam material. Karena atom sangat kecil maka akan lebih mudah jika digunakan istilah satuan massa atom (sma) sebagai dasar perhitungan dan pemahaman mengenai atom. Satu sma didefinisikan sebagai 1/12 dari massa atomik karbon-12

Nomor atomik menunjukkan jumlah elektron yang terdapat di dalam setiap atom netral (dan jumlah proton di dalam nukleusnya). Setiap unsur mempunyai nomor atomik tersendiri yang berbeda dari nomor atomik unsur lain. Elektron khususnya yang paling luar mempengaruhi sebagian besar sifat-sifat material :

Elektron menentukan sifat kimia unsurElektron menetapkan karakteristik dasar dari pengikatan interatomik unsur dengan demikian menentukan pula karakteristik mekanik.Elektron menentukan ukuran dari atom unsur bersangkutan dan mempengaruhi konduktivitas listrik material.Elektron mempengaruhi karakteristik optik.Elektron valensi mempunyai arti penting karena dapat dipindahkan oleh suatu medan listrik yang relatif kecil menghasilkan kation-kation positif. Energi yang diperlukan untuk melakukan ini disebut energi ionisasi. Elektron valensi ini terdelokalisasi di dalam padatan-padatan logam dan bebas bergerak di seluruh bagian logam serta tidak terikat pada atom-atom individual. Hal ini menjadi dasar bagi konduktivitas listrik dan termal.

MOLEKUL yang biasa dijumpai meliputi senyawa-senyawa seperti H2O, CO2, CCl4, O2, N2, dan HNO3. Molekul-molekul kecil lain (satu atom karbon dikelilingi 4 ikatan , satu atom nitrogen dikelilingi 3 ikatan, satu atom oksigen dikelilingi 2 ikatan dan tiap atom hidrogen dan klorin dikelilingi 1 ikatan)seperti yang terdapat pada metanol, etanol, amonia, benzena, fenol, formaldehida, aseton, urea, etilena, vinil klorida.

Di dalam masing-masing molekul, atom-atomnya terikat satu sama lain oleh gaya tarik intramolekuler yang menghasilkan ikatan kovalen. Ikatan intramolekuler antara molekul-molekul adalah ikatan yang lemah sehingga dapat dikatakan bahwa setiap molekul bebas beraksi sendiri-sendiri.

IKATAN KOVALEN :merupakan ikatan yang terbentuk antara sepasang atom yang spesifik . Pasangan tersebut berbagi (menggunakan secara bersama-sama) sepasang elektron (dengan spin magnetik yang berlawanan) Pada umumnya ikatan kovalen adalah ikatan yang sangat kuat contoh adalah intan yang mempunyai ikatan kovalen dimana setiap atom karbon terikat kovalen dengan 4 atom tetangga dan setiap tetangga terikat dengan 4 atom di dekatnya membentuk suatu struktur 3 dimensional yang kuat. Dengan cara yang sama, ikatan-ikatan intramolekuler di dalam metana CH4, polietilena serta polimer-polimer yang lain dihasilkan dari ikatan-ikatan kovalen elektron bersama ini sehingga menghasilkan molekul-molekul yang stabil.

POLIMER Polimer adalah rantai berulang dari atom yang panjang, terbentuk dari pengikat yang berupa molekul identik yang disebut monomer. Sekalipun biasanya merupakan organik (memiliki rantai karbon), ada juga banyak polimer anorganik. Contoh terkenal dari polimer adalah plastik dan DNA.

Getah karet

Polimer (makromolekul) banyak sekali dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari misalnya plastik yang saat ini sudah menjadi primadona industri kimia.Pada tahun 1869 John Wesley Hyatt menemukan bahwa campuran selulosa nitrat dan kamfer yang dilarutkan dalam alkohol menghasilkan plastik yang dinamakan seluloid. Selain plastik sebagian bahan pakaian dan makanan juga tergolong polimer.

Polimer dinamakan dari unit monomernya. Istilah polimer berasal daripada perkataan Yunani polus yang bermakna "banyak" dan meris yang bermakna "bahagian".Meskipun istilah polimer lebih populer menunjuk kepada plastik, tetapi polimer sebenarnya terdiri dari banyak kelas material alami dan sintetik dengan sifat dan kegunaan yang beragam. Bahan polimer alami seperti shellac dan amber telah digunakan selama beberapa abad. Kertas diproduksi dari selulosa, sebuah polisakarida yang terjadi secara alami yang ditemukan dalam tumbuhan. Biopolimer seperti protein dan asam nukleat memainkan peranan penting dalam proses biologi.

Polimer sintetik sering ditunjuk sebagai plastik, seperti polyethylene dan nylon. Namun, kebanyakan dapat dikelompokan dalam paling tidak tiga kategori utama: thermoplastik, thermoset, dan elastomer.Polimer buatan biasanya digunakan dalam banyak aplikasi: pemaketan makanan, film, fiber, tube, pipa, dll. Industri perawatan pribadi juga menggunakan polimer untuk membantu dalam tekstur produk, pengikatan, dan 'moisture retention' (seperti dalam gel dan conditioner rambut).

Polimer berikut lebih dikenal lewat nama merk mereka, misalnya:Kevlar Kynar, e.g. PVDF Mylar, e.g. polyethylene terephthalate Nylon, e.g. polyamide 6,6 Rilsan, e.g. polyamide 11 & 12 Teflon, e.g. PTFE Ultem, e.g. polyimide Vectran Viton Zylon

Secara garis besar perbedaan antara polimer dengan logam :Susunan padatan polimer adalah metamorf sehingga menimbulkan ruang bebas dalam material yang akibatnya E polimer < E material lain.Mempunyai ikatan kovalen yang kuat.Ikatan tunggalnya dapat berputar C C

Jika suhu meningkat E akan berkurang (untuk polimer yang bukan elastomer/karet)

PEMROSESAN POLIMERSebagai penguat ditambahkan bahan aditif yang fungsinya antara lain :Meningkatkan kekuatan.Meningkatkan ketangguhan.Menghasilkan fleksibilitasMencegah pelapukan (stabilisator).Sebagai material tahan api.Sebagai material pewarna.

Contoh : PVC (polivinil chlorida) jika digunakan untuk lantai (ubin) ditambahkan filler tahan aus.PVC jika digunakan untuk bahan pembuatan jas hujan ditambahkan plasticizer.Aditif carbon black untuk meningkatkan kekuatan karet dan menyerap sinar ultraviolet.Pencampuran aditif ke dalam polimer harus terdistribusi merata di dalam campuran dengan menggunakan rubber mill yang menghubungkan roll panas dan dingin

PROSES PEMBERIAN BENTUKAda 3 langkah untuk memproses campuran polimer menjadi produk akhir :- Softening (pelunakan) : terjadi karena pemanasan.- Moulding (pencetakan) : dengan menggunakan penekanan.- Hardening (pengerasan) terjadi karena pendinginan.

Pembagian polimer berdasarkan perilaku termalnya:Thermoplastik bersifat lunak pada suhu tinggi.Termoset bersifat lebih kaku.

KOMPOSITBahan komposit adalah 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 (bahan komposit).

Bahan komposit (atau komposit) merupakan bahan yang dibuat melalui gabungan dua atau lebih bahan. Salah satu bahan biasanya seperti kaca, kevlar atau karbon yang memberikan kekuatan tensil, sementara bahan lain (dinamakan matriks) biasanya sejenis bahan berdamar seperti polyester atau epoxy dan menjadikan bahan tersebut keras dan kukuh.

Contoh bahan komposit:Plastik diperkukuhkan dengan kaca atau GRP komposit matriks logam komposit matriks keramik Perisai Chobham ( perisai komposit) papan lapis

Komposit didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam; fiber ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong lalu dicampur secara acak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-ply laminae), dan lainnya. Lembaran komposit disebut sebagai lamina. Serat yang dipakai di industri pesawat terbang biasanya terbuat dari karbon dan gelas, sedangkan resinnya adalah epoxy, sejenis polimer. Tebal lamina untuk komposit serat karbon adalah 0.125 mm.

Komposit karbon/epoxy ini dibuat dari pre-impregnation ply atau pre-preg, kemudian dimasukkan ke dalam oven bertekanan yang disebut autoclave. Komposit memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari logam; kekakuan jenis (modulus Young/density) dan kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi serat yang berbeda. Gabungan lamina ini disebut sebagai laminat.

Sifat komposit ditentukan oleh arah serat penguat dimana E penguat > E matriksMisalnya serat gelas yang memperkuat PVC

Serat gelasPVC gelas PVCarah serat sejajardengan arah pembebanan.E FRP = fi EiE FRP = E plastik yang diperkuat seratfi = fraksi volume

Jika serat pengisi (filler) dianyam menyerupai kain tenun, komposit mendapat penguatan 2 arah dan arah filler yang demikian sekarang banyak digunakan karena menghasilkan E yang seragam dan akibatnya distribusi bebannya merata.

RUMUS-RUMUS DALAM KOMPOSITKaidah Campuran :Em = f1E1 + f2E2 Em = modulus elastisitas komposit f = fraksi volume

(L/L)1 = (L/L)2

( T + F/AE)1 = ( T + F/AE)2 = koefisien muai, E = modulus elastisitas T = perubahan suhu, A = Luas, F = gaya

KERAMIKMerupakan senyawa yang terdiri dari unsur logam dan non logam.Sifat-sifat yang dimiliki keramik :Kapasitas panas yang baik.Konduktivitas panas yang buruk.Tahan korosiBerdasarkan sifat listriknya, penggunaannya dapat sebagai insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor.Dapat bersifat magnetik dan non magnetik.Keras, kuat tetapi rapuh.

Jenis ikatan yang terjadi ikatan ionik dan kovalen, dimana ikatan yang dominan dapat mempengaruhi sifat keramik secara keseluruhan.Berdasarkan susunan atomnya, keramik dapat diklasifikasikan menjadi :Kristalin.Non kristalin (amorf).

Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pada jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2.Jenis susunan atom yang dominan akan mempengaruhi sifat keramik secara keseluruhan.

Sifat-sifat termal penting yang dimiliki bahan keramik antara lain :Kapasitas panas.Koefisien ekspansi termal.Konduktivitas termal.Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.

Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.

Karena merupakan konduktor panas yang buruk maka banyak digunakan sebagai insulasi panas pada pesawat ruang angkasa.Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660 oC. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175 oC, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400 oC.

SIFAT OPTIK KERAMIKBila cahaya mengenai suatu obyek, cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Sifat bahan bervariasi dalam kemampuannya mentransmisikan cahaya, dan biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas, mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelas terfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.

Banyak aplikasi memanfaatkan sifat optik bahan keramik. Transparansi gelas membuatnya bermanfaat untuk jendela, lensa, filter, alat masak, alat lab, dan objek-objek seni. Pengubahan antara cahaya dan listrik adalah dasar penggunaan bahan semikonduktor seperti GaAs dalam laser dan meluasnya penggunaan LED dalam alat-alat elektronik. Keramik fluoresensi dan fosforisensi digunakan dalam lampu-lampu listrik dan layar-layar tv. Akhirnya serat optik mentransmisikan percakapan telepon dan data komputer yang didasarkan atas refleksi internal total sinyal cahaya.

SIFAT MEKANIK KERAMIKKeramik biasanya merupakan material yang kuat, keras dan tahan korosi. Sifat-sifat ini bersama-sama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik.

Aplikasi struktural keramik maju antara lain :Komponen untuk mesin mobil dan struktur pesawat. Misalnya, TiC mempunyai kekerasan 4 kali kekerasan baja. Jadi, kawat baja dalam struktur pesawat dapat diganti dengan kawat TiC yang mampu menahan beban yang sama hanya dengan diameter separuhnya dan 31 persen berat. Semen dan tanah liat dapat dibentuk ketika basah namun ketika kering akan menghasilkan objek yang lebih keras dan lebih kuat. Material yang sangat kuat seperti alumina (Al2O3) dan silikon karbida (SiC) digunakan sebagai abrasif untuk grinding dan polishing.

Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi struktural. Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi memungkinkan atom-atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam strukturnya putus. Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh tekanan. Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya yang terlalu besar diterapkan.

Faktor rapuh terjadi bila pembentukan dan perambatan retak berlangsung cepat. Dalam padatan kristalin (logam), retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf(keramik) tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus penampakannya.

Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya.

SIFAT HANTARAN LISTRIK KERAMIKSifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai kapasitor.Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0. Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.

Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya

BEBERAPA APLIKASI KERAMIK