CERAMIC MATRIX COMPOSITE (CMC)

Transkripsi

1 Pertemuan ke-7 CERAMIC MATRIX COMPOSITE (CMC) Ceramic matrix composites (CMCs)adalah subgrup dari material komposit sebagaimana subgroup dari keramik teknik. CMC terdiri dari fiber keramik yang diletakkan pada matriks keramik,sehingga membentuk sebuah materialceramic fiber reinforced ceramic (CFRC). Matriks dan fiber dapat terdiri dari berbagai jenis material keramik, dimana karbon dan fiber carbon juga dapat dianggap sebagai material keramik. MATERIAL KOMPOSIT Gelas, gelas-keramik dan keramik merupakan material yang memiliki nilai modulus Young (stiffness) yang tinggi, kekuatan kompresi yang baik dan sedikit lebih padat dibandingkan dari kebanyakan logam struktural. Penggunaan material gelas, gelas-keramik dan keramik sangat terbatas pada aplikasi struktural, yang disebabkan oleh kerapuhan, ketahanan patahan yang rendah, sensitivitas terhadap cacat, dan kekuatan tarik yang sangat rendah pada kondisi bulk. Fasa filler mampu meningkatkan toleransi terhadap kerusakan (toleransi toughness), meningkatkan reliabilitas (modulus yang tinggi) dan kekuatan kelenturan dan tegangan yang tinggi. Hal utama yang mempengaruhi sifat komposit adalah bentuk dari fasa filler/fibernya. Komposit dengan fiber yang kontinu memiliki kemungkinan lebih kuat dan tangguh dibandingkan yang mengandung partikulat. Sedangkan komposit yang mengandung whisker dan platelet berada pada daerah transisi dari fasa fiber yang kontinu dengan partikulat. Secara umum fasa filler dari material yang isotropik akan membentuk komposit dengan sifat-sifat isotropik. Dengan demikian, partikulat yang bulat sebagai inklusi kedalam material gelas, gelas-keramik dan keramik akan menghasilkan komposit dengan sifat mekanik yang isotropik. 1

2 Inklusi material kecil yang anisotropik seperti whisker dan platelet akan menghasilkan komposit yang memiliki sifat mikroskopik yang anisotropik, namun sifat secara makroskopiknya akan isotropik, yang akan terjadi dengan asumsi orientasi inklusi terjadi secara acak. Penyusunan fiber kontinu yang anisotropik ke dalam material gelas, gelas-keramik dan keramik umumnya akan membentuk komposit yang memiliki sifat mekanik dengan anisotropik yang tinggi juga. Fasa filler yang membentuk struktur internal CMC lainnya adalah material komposit yang terdiri atas berlapis-lapis fasa filler, partikel yang disusun gradasi (Functionally Gradient Material=FGM), material antarmuka polikristalin atau inter-fase antara butir. Fitur berikut sangat penting dalam mengevaluasi data bending (kelenturan) dan tensile (kuat tarik) dari material CMC: Material CMC dengan kandungan matriks rendah (di bawah nol) mempunyai tensile strength yang tinggi (menutupi tensile strength dari fiber), tetapi bending strength nya rendah. Material CMC dengan kandungan fiber rendah (di bawah nol) mempunyai bending strength tinggi (menutupi strengthnya keramik monolitik), tetapi tidak ada elongasi melebihi 0.05% beban tensile. Purpose of using CMC Increase the toughness Mekanisme ketangguhan pada CMC Komposit matriks keramik yang diperkuat dengan fiber kontinu menunjukkan adaya perilaku kausi-perpatahan ulet seiring dengan panjangnya fiber. Ketangguhan perpatahan material ini mampu lebih dari 20 M Pa m 1/2 apabila antara fiber dan matriks terbentuk antarmuka yang lemah. Sedangkan komposit matriks keramik yang diperkuat partikulat atau whisker, menunjukan perilaku kerapuhan diiringi dengan peningkatan kekuatan dan ketangguhan perpatahan. Ketangguhan perpatahan material tersebut berkisar 10 M Pa m 1/2 atau lebih. 2

3 Material yang rapuh yang mengandung fasa filler terdispersi memiliki kemampuan kekuatan yang tinggi dibandingkan material yang homogen. Kekuatan meningkat seiring dengan peningkatan fraksi volum partikel terdispersi dan akan menurun seiring menurunnya faksi volum partikel terdispersi. Kekuatan dipengaruhi oleh jarak partikel. Pengaruh ini tidak hanya ditemukan pada sistem dispersi partikel kuat saja tetapi ditemukan juga pada sistem yang mengandung kekosongan disebabkan ujung retakan mengalami penumpulan yang terlokalisir pada kekosongan. Gambar 1. Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi. Pada Gambar 1, ditunjukkan ilustrasi retakan yang melengkung diantara dua partikel terdispersi. Jarak antara partikel memegang peranan terhadap peningkatan fraksi muka retakan per satuan penambahan panjangnya. Dengan asumsi energi perpatahan tidak hanya bergantung pada luas permukaan yang baru terbentuk saja, tetapi bergantung juga pada panjang dari muka retakan yang baru terbentuk. Besar laju pelepasan energi regangan dari retakan yang terdefleksi mampu meningkatkan ketangguhan perpatahan. Butir dengan bentuk batang sangat efektif untuk mendefleksikan rambatan retakan. Mekanisme defleksi retakan yang meningkatkan ketangguhan keramik disebabkan adanya tegangan sisa disekitar partikel filler yang terdispersi Gambar 2. Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat adanya tegangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal. Pada Gambar 2, ditunjukan resultan tegangan tarik yang terjadi pada matriks menyebabkan terjadinya defleksi retakan disekitar partikel yang membuat peningkatan pada kekuatan dan ketangguhan patahan. Tegangan sisa pada partikel terdispersi diakibatkan oleh koefisien muai termal yang berbeda yang terjadi saat pendinginan pada proses termal. Tegangan sisa secara spontan menyebabkan retakan mikro. Bila tegangan sisa lebih rendah dari kekuatan lokal pada material, tegangan internal akan tetap berada di dalam material. Dalam kondisi tersebut, pemberian tegangan akan menyebabkan retakan mikro pada ujung retakan dimana terbentuk tegangan lokal yang besar, hal ini terjadi karena tegangan yang diberikan akan mengurangi ukuran kritis retakan miko dari retakan mikro spontan. Mekanisme dari retakan mikro diawali dari munculnya retakan mikro pada ujung retakan. Terjadi perluasan area retakan mikro menuju retakan sehingga membentuk lapisan retakan yang megakibatkan adanya tegangan kompresi pada permukaan retakan dan menyebabkan peningkatan ketangguhan perpatahan. 3

4 Mekanisme lainnya adalah ketangguhan akibat dari perubahan fasa material. Mekanisme peningkatan ketangguhan akibat transformasi fasa adalah serupa dengan retakan mikro dimana tegangan kompresi terbentuk pada antarmuka retakan akibat perluasan volume. Perubahan fasa mengakibatkan perubahan volume dan morfologi partikel diujung retakan, dan mengubah distribusi tegangan. Peningkatan ketangguhan perpatahan dihasilkan oleh tegangan sisa kompresi pada ujung retakan. Komposit dengan susunan fiber sepanjang tegangan tarik, akan memperoleh kekuatan perpatahan dan energi perpetahan yang tinggi. Energi perpatahan yang tinggi umumnya diperoleh ketika fiber yang panjang menjulur sepanjang permukaan perpatahan, karena tegangan geser antara fiber dengan matriks menghambat rambatan retakan selama proses penarikan. Antramuka yang lemah akan mengakibatkan lepasnya fiber dari matriks yang menjadi penting untuk menghasilkan komposit yang tangguh. Perpindahan tegangan yang serupa antara permukaan retakan juga terjadi pada keramik polikristalin. Hal ini mengakibatkan peningkatan dalam ketangguhan perpatahan karena jembatan butir memindahkan tegangan yang menghambat pentumbuhan retakan. Tegangan yang dijembatani dihasilkan oleh berbagai proses mikro, seperti interlocking gesekan, jembatan fiber dan tarikan geser. CMC dengan fiber kontinu Dalam memperoleh keunggulan maksimum dari fiber sebagai penguat diperlukan penyusunan secara paralel terhadap arah tegangan yang akan diberian. Bila sudut fiber dan tegangan tidak paralel dalam penyusunannya, kekuatan dan ketangguhan patahan dari komposit akan menurun dengan cepat. Penurunan kekuatan mencapai nilai minimum pada saat arah tegangan yang bekerja pada komposit tegak lurus dengan arah fiber. Meskipun CMC yang diperkuat fiber memberikan hasil yang baik, mekanisme patahannya sangat berbeda dari material gelas, gelas-keramik dan keramik. Pada kurva tegangan dan regangan CMC yang diperkuat fiber ada tiga (3) daerah yang berbeda seperti pada Gambar 3, yaitu: Daerah pertama, adalah daerah penambahan regangan linier seiring penambahan tegangan. Aplikasi siklus pada komposit di daerah ini akan menghasilkan kelelahan minimal. Daerah kedua berawal pada saat tingkat tegangan mendekati nilai regangan ultimat dari matriks yang tidak diperkuat. Siklus kelenturan pada daerah ini menyebabkan kelelahan komposit. Derajat penuaan CMC sebanding dengan rasio siklus tegangan terhadap kekuatan ultimat komposit. Kemampuan siklus dari CMC yang diperkuat fiber pada daerah kedua ini merupakan ukuran intrinsik toleransi kerusakan material ini. Daerah ketiga berawal dari titik kekuatan ultimat komposit. Titik awal daerah ini merupakan patahan dari fiber penguatnya. Gambar 3. Grafik hubungan stress-strain untuk CMC yang diperkuat dengan fiber kontinu. 4

5 Tabel 1. Aplikasi performa tinggi CMC yang diperkuat dengan fiber kontinu. CMC yang diperkuat dengan partikulat CMC yang diperkuat oleh partikulat isotropik dapat memberikan sifat mateial yang baik dan isotropik secara 3 dimensi. Material seperti ini memiliki kekuatan tarik, kelenturan dan ketangguhan patahan yang lebih rendah dibandingkan dengan CMC yang diperkuat dengan fiber kontinu. Karakteristik mekanik dari CMC yang mengandung patikulat, berasal dari interaksi antara material penguat dengan material matriks. Pada komposit yang mengandung partikulat, terjadi interaksi kimia dan perubahan pada koefisien muai termal antara matriks dan fillernya. Sedangkan mekanisme patahan CMC yang diperkuat menggunakan partikulat umumnya serupa dengan matriksnya dibandingkan CMC yang diperkuat fiber kontinu. Tabel 2. Aplikasi potensial untuk CMC yang diperkuat dengan partikulat. Mekanisme patahan CMC ini ditampilkan pada Gambar 4. Gambar 4. Grafik hubungan stress-strain untuk CMC yang diperkuat dengan partikulat. Pada CMC diperkuat partikulat sangat menjanjikan untuk pengembangan komposit dengan biaya yang rendah. Produk yang dihasilkanpun menarik secara komersil karena biaya yang efektif dan secara teknis mempunyai kehandalan yang tinggi. CMC inipun sangat luas penggunaannya baik untuk industri ataupun domestik. 5

6 Komposit fasa nano keramik Pada komposit fasa nano keramik dapat dibagi dua kelompok berdasarkan ukuran butir dari matriks-nya: 1) matriks dengan ukuran mikrometer dan 2) matriks dengan ukuran nanometer. Kelompok pertama adalah matriks dengan ukuran mikrometer yang mendispersi fasa kedua yang ukurannya nanometer. Fasa kedua sangat mempengaruhi mikrostruktur komposit dan sifat-sifatnya. Klasifikasi dari distribusi fasa kedua didalam matriks dapat bagi menjadi tiga bagian yaitu, intragranular, intergranular dan intra/intergranular. Kelompok kedua dari kompost fasa nano keramik merupakan komposit dengan matriks yang nanokristalin, dikenal juga sebagai keramik nano, dimana ukuran butir dari matriks dibawah 100nm. Jenis mikrostruktur nano-nano akan terbentuk bila fasa kedua juga dalam ukuran nano. Keramik nano menunjukkan sifat-sifat yang menjanjikan dalam mekanisme deformasi bila ukuran butir diperkecil mendekati 100 nm. Keramik nano menunjukkan juga ketangguhan yang tinggi, dimana mekanisme ketangguhan yang terbaru disebut Ferroelectric Domain Switching, yang berbeda dari jenis komposit keramik mikro-nano. Komposit mikro-nano awalnya menggunakan material penguat yang keras dan terdispersi kuat, seperti SiC, Si 3 N 4, TiC dan lainnya, dimana tujuan utamanya adalah meningkatkan sifat mekanik. Namun kini, peningkatan kekuatan patahan juga dapat dicapai dengan menambahkan material penguat baik yang lunak dan terdispersi lemah seperti logam, grafit dan h-bn. Densitas, mikrostruktur dan sifat mekanik dari material penguat partikulet yang berukuran nano dalam komposit nano sangat dipengaruhi oleh fraksi volum dari partikulat dan kondisi sintering. Pada keramik jenis nano-nano, material nano kristalin sebagai matriks dan fasa penguat memberikan peningkatan pada sifat mekanik komposit. Processing of CMCs Conventional mixing and pressing Powder of matrix Particulate or whisker reinforcement Binder/pengikat mixer pressed fired Problems: 1. nonuniform mixing 2. low volume fraction of reinforcement 3. damage of whiskers during mixing and pressing 6

7 Teknik densifikasi komposit akan berbeda untuk tiap-tiap jenis penguat pada komposit. Tabel 3. Teknik densifikasi untuk komposit matriks kemarik. Ket: HAP (hot atmospheric pressure processing) : proses panas dengan tekanan atmosfer HUP (hot uniaxial pressure processing) : proses panas dengan tekanan uniaxial HIP (hot isostatic pressure processing) : proses panas dengan tekanan isostatik Pembuatan komposit yang mengandung partikulat sering menggunakan tekanan atmosfer. Material penguat yang terarah akan meningkatkan densifikasi pada komposit yang diperlukan dalam optimasi sifat-sifat mekanik. Sedangkan untuk meminimalisasi porositas komposit dengan penguat whisker dan fiber kontinu dengan matriks yang dibuat dari serbuk, sangat diperlukan prosedur penekanan panas. Sintering dengan tekanan atmosfer seringkali digunakan dalam pembuatan komposit yang mengandung platelet yang jumlahnya rendah, sedangkan untuk memperoleh komposit dengan porositas yang rendah pada platelet dengan jumlah yang tinggi, pembuatannya dapat menggunakan prosedur dengan penekanan panas. Types of Bonding Matriks dari serbuk dengan penguat fiber kontinu dapat dibuat dengan berbagai teknik seperti penekanan, slip-casting, ekstrusi dan tape-casting. Pembuatan berbagai bentuk mulai dari bentuk pelat hingga bentuk yang kompleks dapat diperoleh melalui prosedur sintering dengan tekanan atmosfer pada komposit dengan penguat partikulat. Bentuk produk kompleks yang dapat dipenuhi sangat terbatas pada komposit dengan penguat whisker dan fiber dengan matriks dari serbuk dengan penekanan panas unidirectional. Pembuatan produk dengan bentuk yang kompleks dari serbuk sangat memerlukan penggunaan penekantan panas isostatik. Tingginya biaya proses penekanan panas dalam pembuatan CMC, membuat proses pada tekanan atmosfer lebih disukai. Susunan ion sederhana dalam ikatan padatan secara ionik ditentukan oleh faktor-faktor berikut: Ukuran relatif ion-ion pada padatan ionik. Keseimbangan kenetralan listrik pada padatan ionik. 7

8 Crystal structures of Ceramics Crystal structures of Ceramics Cesium Chloride (CsCl) Silicate structures 4 S i O 4 Sodium Chloride (NaCl) Processing of Ceramics Mechanical Properties of Ceramics Materials preparation forming thermal treatment Pressing (a)drying dry pressing (b)sintering isostatic pressing (c)vitrification hot pressing slip casting extrusion 8

9 Factors Affecting the Strength of Ceramic Materials Structural defects (cacat): (1) surface crack (2) voids/kekosongan (porosity) (3) inclusions (4) grain size High Strength, Hardness & Temperature Chemical Inertness Low Density Composites are more brittle than wrought metals and thus are more easily damaged. Repair at the original cure temperature requires tooling and pressure. 9