MATERIAL KOMPOSIT

MATERIAL KOMPOSIT

Sangatlah sederhana, bahwa sebuah komposit adalah bahan yang dicampurkan dua atau lebih tahap yang berbeda (Gambar 2.1). Oleh karena itu komposit bersifat heterogen. Komposit adalah material yang satu tahap berlaku sebagai sebuah penguatan terhadap tahap kedua. Tahap kedua disebut matriks. 

Tantangannya adalah untuk mengkombinasikan serat dan matriks ke bentuk material yang paling efisien untuk penerapan yang dimaksudkan atau diinginkan.

Gambar 2.1. Media Multiphase

Umumnya dalam komposit terdapat bahan yang disebut sebagai “matriks” dan bahan “penguat”. Bahan matriks umumnya dapat berupa logam, polimer, keramik, karbon. Matriks dalam komposit berfungsi untuk mendistribusikan beban kedalam seluruh material penguat komposit. Sifat matriks biasanya “ulet” (ductile). Bahan penguat dalam komposit berperan untuk menahan beban yang diterima oleh material komposit. Sifat bahan penguat biasanya kaku dan tangguh. Bahan penguat yang umum digunakan selama ini adalah serat karbon, serat gelas, keramik. Serat alam sebagai jenis serat yang memiliki kelebihan-kelebihan mulai diaplikasikan sebagai bahan penguat dalam komposit polimer.

Konsep Material Komposit

Berbagai kemungkinan material komposit yang dibuat dengan menggabungkan berbagai jenis material penyusunnya dapat dilihat pada Gambar 2.2. Dalam tulisan ini dibahas rekayasa material komposit epoxy dan serat gelas yang diterapkan pada pembuatan bejana tekan. Susunan serat yang digunakan adalah serat yang telah dibentuk sebagai woven 0°, dan 90° fabrics preform. Geometri komponen dirancang dengan memperhatikan bentuk aerodinamika struktur, sehingga dapat mengurangi hambatan (drag) fluida udara ketika digunakan.

Pada umumnya konsep material komposit yang dibuat dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama :

1.Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC)

Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut, Polimer Berpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) – bahan ini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai penguatannya.

2.Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)

Ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida.

3.Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)

Digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitride.

Klasifikasi Komposit

Secara garis besar komposit dapat diklasifikasikan menjadi empat macam, antara lain :

1.Material serat komposit (Fibrous composites materials)

Terdiri dari dua komponen penyusun yaitu matriks dan serat. Skema penyusunan serat dapat dibagi menjadi tiga.

Gambar 2.3. Skema Penyusunan Serat

(a) serat berturut, (b) serat terputus, ( c) serat acak terputus

2. Material komposit berlapis (Laminated composites materials)

Terdiri dari dua atau lebih lapisan material yang berbeda dan digabung secara bersama-sama. Laminated composite dibentuk dari dari berbagai lapisan-lapisan dengan berbagai macam arah penyusunan serat yang ditentukan yang disebut lamina.

Yang termasuk Laminated composites (komposit berlapis) yaitu :

* Bimetals

* Cladmetals

* Laminated Glass

* Plastic-Based Laminates

3. Material komposit partikel (Particulate composites materials)

Terdiri dari satu atau lebih partikel yang tersuspensi di dalam matriks dari matriks lainnya. Partikel logam dan non-logam dapat digunakan sebagai matriks.

Empat kombinasi yang digunakan sebagai matriks komposit partikel :

* Material komposit partikel non-logam di dalam matriks non-logam

* Material komposit partikel logam di dalam matriks non-logam

* Material komposit partikel non-logam di dalam matriks logam

* Material komposit partikel logam di dalam matriks logam

4. Kombinasi dari ketiga tipe di atas 

Secara umum, sifat-sifat komposit ditentukan oleh :

1.Sifat-sifat serat

2.Sifat-sifat resin

3.Rasio serat terhadap resin dalam komposit (Fraksi Volume Serat – Fibre Volume Fraction)

4. Geometri dan orientasi serat pada komposit

2.2 Serat

Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan-potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu :

1. Serat Alami

2. Serat Sintetis (serat buatan manusia)

(1).Serat mineral

Serat jenis ini terbagi kedalam tiga kelompok serat, antara lain :

• Serat Kaca atau serat gelas adalah suatu bahan sintetis yang terdiri dari Lime, Alumina, dan Borosilicate. Sering diterjemahkan menjadi kaca cair yang ditarik menjadi serat tipis dengan garis tengah sekitar 0,005 mm - 0,01 mm. Bahan cair serat gelas ditekan melalui suatu lobang kecil dari suatu dapur listrik dan ditarik menjadi sehelai serat. Serat ini dapat dipintal menjadi benang atau ditenun menjadi kain, yang kemudian diresapi dengan resin/matriks sehingga menjadi bahan yang kuat dan tahan korosi untuk diaplikasikan.. Untuk membuat serat gelas ini mudah melekat jika diberi resin/matriks, maka dilakukan pelapisan awal serat ini dengan resin/matriks. Tujuan dari pelapisan awal ini selain nantinya resin mudah melekat juga agar air dan udara tidak terserap kedalam serat gelas. Serat gelas yang umum dipasaran terdiri dari beberapa macam antara lain Cloth, Woven roving, Mat. Serat gelas yang paling kuat dan paling mahal harganya adalah cloth kemudian berturut-turut moven roving dan yang paling lemah serat jenis mat.

• Serat Logam.

• Serat Karbon. 

(2).Serat polimer

Serat jenis ini dibuat melalui proses kimia. Bahan yang umum digunakan untuk membuat serat polimer, yaitu :

* Polyamida nilon,

* PET atau PBT polyester; digunakan untuk membuat botol plastik,

* Fenol-formaldehid (PF),

* Serat polivinyl alkohol (PVOH),

* Serat polivinyl khlorida (PVC),

* Poliolefin (PP dan PE),

* Polyethylene (PE),

* Elastomer; digunakan untuk membuat spandex,

* Poliuretan.

Jenis-jenis Serat

Jenis-jenis serat yang banyak tersedia untuk menggunakan komposit, dan jumlahnya hampir meningkat. Kekakuan spesifik yang tinggi (kekakuan dibagi oleh berat jenisnya) dan kekuatan spesifik yang tinggi (kekuatan dibagi oleh berat jenisnya) serat-serat tersebut disebut Advanced Fiber. Komposit terbuat dari serat-serat tersebut yang disebut Advanced Composite. Pembahasan yang mendalam dari jenis-jenis serat dan cara-cara pembuatannya dapat ditemukan dalam buku Chawla (1987).

Pada pemodelan ini serat kaca dipergunakan untuk memperkuat komposit epoxy, dimana serat gelas tersedia dengan bentuk yang banyak : E-glass dan S-2 (Owens-Corning Fiberglass Corporation) adalah bentuk yang paling umum untuk penggunaannya secara struktural. E-glass digunakan dimana kekuatan dan ketahanannya pada arus listrik yang tinggi diperlukan, dan S-2 digunakan pada penerapan stuktur komposit yang membutuhkan kekuatan yang tinggi, modulus dan kestabilan dibawah suhu tinggi dan lingkungan yang bersifat korosif. 

Sifat Serat

Sifat jenis-jenis dari serat khusus dibandingkan serat material matriks secara struktur pada Tabel 2.2 dan Gambar 2.4. Nilai yang sangat beragam untuk sifat serat bisa ditemukan pada literatur tergantung pada pembuatannya, proses pembuatan, dan cara tesnya. Nilai akhir yang tinggi disajikan untuk menunjukkan sifat terbaik yang dapat dicapai saat sekarang. Pengalaman telah menunjukkan bahwa nilai-nilai ini terus meningkat seperti serat baru dikembangkan. Tabel meliputi kepekatan ρ, modulus axial EL, Ratio poisson axial VL, kekuatan tarikan axial , kekakuan khusus dan kekuatan khusus dinormalisasikan mengenai nilai untuk aluminium, dan koefisien axial pemuaian thermal (CTE) α.

Modulus dan nilai kekuatannya adalah untuk muatan tarikan disepanjang axis serat (longitudinal).

Material Matriks

Polymer, logam, dan keramik semuanya dibuat sebagai material matriks pada serat komposit searah, bahan matriks polymeric selanjutnya dapat dibagi-bagi kedalam thermoplastic dan thermoset. Thermoplastik polymeric bisa dibentuk ulang dengan pemanasan dan penekanan yang semuanya memanfaatkan suhu yang cenderung naik dari 225 °C (437 °F).

Material matriks thermoset polymeric yang paling umum adalah :

- Polyesters, digunakan secara luas pada serat kaca. Polyester tidak mahal, ringan, menggunakan suhu mencapai 100 °C (212 °F) agak sedikit resisten terhadap cahaya lingkungan

- Epoxies, lebih mahal tapi lebih tahan terhadap kelembaban dan lebih mudah menyusut. Suhu maksimum yang digunakan pada suhu sekitar 175 °C (347°F).

- Polyimides, menggunakan suhu yang lebih tinggi (300 °C, 572 °F) tapi lebih sulit untuk dibuat.

Sistem Matriks

Apapun sistem matriks yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut :

1. Sifat-sifat mekanis yang bagus

2. Sifat-sifat daya rekat yang bagus

3. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus

4. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus

(1). Sifat-sifat mekanis yang bagus

Gambar 2.6 dibawah memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem matriks ideal. Kurva untuk matriks menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa matriks pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.

Gambar 2.6. Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal

Matriks harus mampu berubah panjang paling tidak sama dengan serat. Gambar 2.7 memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat kaca-E, serat kaca-S, serat aramid, dan serat karbon berkekuatan tinggi (yaitu bukan dalam bentuk komposit). Disini terlihat, sebagai contoh, serat kaca-S dengan perpanjangan 5,3%, akan membutuhkan matriks dengan perpanjangan paling tidak sama dengan nilai tersebut untuk mencapai sifat tarik yang maksimum.

Gambar 2.7. Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat

(2). Sifat-sifat daya rekat yang bagus

Daya rekat yang tinggi antara matriks dan serat penguat diperlukan untuk apapun jenis sistem matriks. Hal ini akan menjamin bahwa beban dipindahkan secara efisiensi dan akan menjaga pecahnya atau lepasnya ikatan serat dan matriks ketika ditegangkan.

(3). Sifat-sifat ketangguhan yang bagus

Ketangguhan adalah suatu ukuran dari ketahanan bahan terhadap propaganda retak, tetapi dalam komposit hal ini akan susah untuk diukur secara akurat. Bagaimanapun juga, kurva tegangan dan regangan yang dimiliki sistem matriks menyediakan beberapa indikasi ketangguhan bahan. Sistem matriks dengan regangan terhadap kegagalan yang rendah akan cenderung menciptakan komposit yang getas, dimana retak dapat mudah terjadi.

(4). Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus

Ketahanan terhadap lingkungan, air dan substansi agresif lain yang bagus, bersama-sama dengan kemampuan untuk bertahan terhadap siklus tegangan konstan, adalah sifat yang paling esensi untuk apapun jenis sistem matriks. 

Inilah Defenisi Komposit yang saya ketahui.... Semoga anda dapat memanfaatkannya.