Komposisi kimia keramik bervariasi dari senyawa sederhana hingga campuran dari berbagai fasa komplek yang terikat bersamaan.

Transkripsi

1 Keramik (Ceramic) Material Keramik adalah material non logam dan inorganik yang terdiri atas unsur-unsur logam dan non logam yang terikat bersamaan secara primer dengan ikatan ion dan/atau ikatan logam. Komposisi kimia keramik bervariasi dari senyawa sederhana hingga campuran dari berbagai fasa komplek yang terikat bersamaan. Pada umumnya keramik memiliki sifat keras, getas dengan ketangguhan dan keuletan yang rendah. Material keramik memiliki suhu cair yang tinggi dan kestabilan kimia yang tinggi dalam lingkungan yang kritis/ekstrem karena stabilitas ikatan-ikatan atomnya. Oleh karena itu, keramik merupakan material yang tak tergantikan dalam dunia teknik atau desain rekayasa. 1 1

2 Contoh produk dari keramik yang strategis penting untuk beberapa teknologi baru. Komponen-komponen temperatur tinggi dari mesin turbin gas otomotif ATG-100 yang terbuat dari keramik. Semakin tahan suhu tinggi, konsumsi bahan bakar semakin efisien. 2 2

3 Potongan modul konduksi termal memiliki sebuah dasar keramik dengan berbagai lapisan yang besar (multilayer ceramic substrate) yang terdiri atas supports, interconnects dan mengisolator banyak chips sirkuit yang terintegrasi (integrated circuits chips) Aluminium pistons for heat removal Integrated circuit chips Multilayer ceramic substrate 3

4 Secara umum keramik yang digunakan untuk aplikasi teknik dapat digolongkan menjadi dua kelompok: 1. Material keramik tradisional Terbuat dari tiga komponen dasar : a. Lempung b. Silika c, Feldspar Contoh: bata, keramik lantai yang digunakan untuk industri konstruksi, keramik kerajinan dan keramik listrik dalam industri keramik. 2. Material keramik teknik Mengandung senyawa murni atau hampir murni seperti aluminium oksida (Al 2 O 3 ), silikon karbida (SiC) dan silikon nitrida (Si 3 N 4 ). Contoh: Silikon karbida dalam turbin gas otomotif AGT-100 yang beroperasi di temperatur tinggi. Aluminium oksida sebagai dasar landasan untuk integrated circuit chips dalam modul konduksi panas. 4 4

5 Struktur Kristal Keramik Sederhana Dalam keramik dengan struktur kristal sederhana, ikatan atom yang terjadi adalah senyawa antara ikatan ion dan ikatan kovalen. Daftar beberapa keramik dengan struktur kristal yang sederhana dapat dilihat pada tabel berikut: Beberapa jenis keramik sederhana dengan temperatur cairnya Persentase antara ikatan ion dan kovalen merupakan hal yang penting karena menentukan jenis struktur keramik yang akan membentuk senyawa keramik padat. 5 5

6 Persentase ikatan ion dapat dihitung dengan persamaan Pauling seperti persamaan untuk menghitung persentase karakter ion berikut: % karakter ion = (1- e 2 A B ) ( 1 1/ 4)( X X )(100%) dengan: X A : elektronegatifitas atom A X B : elektronegatifitas atom B Elektronegatifitas adalah derajat dari suatu atom untuk menarik elektron ke atom tersebut. Lawannya adalah elektropositifitas. Memiliki skala antara 0 hingga 4.1 yang dapat dilihat pada tabel seperti pada tabel di lembar slide berikutnya. Unsur alkali: paling elektropositif yang mana 0.9 untuk Cesium, Cs hingga Lithium (1.0). Unsur fluorine, oksigen, dan nitrogen adalah yang paling elektronegatif mulai 4.1, 3.5 dan 3.1 secara berurutan. 6

7 Elektronegatifitas dari unsur-unsur kimia 7 7

8 Persentase karakter ikatan ion dan kovalen bervariasi. Persentase karakter ikatan ion dan kovalen untuk beberapa keramik dapat dilihat pada tabel berikut ini : 8

9 Susunan ion sederhana dalam benda padat yang terikat dengan ikatan ion Dalam benda padat ionik (ionic (ceramic) solids), susunan ion ditentukan berdasarkan beberapa faktor: 1. Ukuran relatif dari ion dalam benda padat ion (dengan asumsi ion menjadi bola keras dengan radius tertentu) 2. Kebutuhan untuk menyeimbangkan muatan elektrostatis untuk memelihara netralitas listrik dalam benda padat ionik. Saat ikatan ion di antara atom mengambil posisi dalam kondisi padat, energi atom akan diturunkan oleh formasi ion dan ikatannya menjadi padatan yang berikatan ion (ionic solids). Ikatan ion cenderung memiliki ion-ion mereka tersusun bersama sepadat mungkin untuk merendahkan energi total dari padatan sebanyak mungkin. Batasan dari dari susunan padat adalah ukuran relatif dari ion dan kebutuhan untuk memelihara netralitas muatan listrik. 9

10 Batasan ukuran untuk susunan padat ion dalam padatan ionik Ikatan ion terdiri atas: kation dan anion. Dalam ikatan ionik, beberapa atom kehilangan elektron terluarnya sehingga menjadi kation, sedangkan yang mendapat elektron terluar menjadi anion. Kation-kation ini pada normalnya lebih kecil dari pada anion yang terikat pada kation tersebut. Jumlah anion yang mengelilingi kation pusat dalam padatan ionik disebut coordination number (CN) dan menunjukkan jumlah tetangga di sekitar kation pusat. Semakin banyak anion yang mengelilingi kation maka semakin stabil. Akan tetapi, anion harus kontak dengan kation pusat untuk menjaga netralitas muatan. 10

11 Gambar (a) dan (b) berikut menunjukkan konfigurasi stabil untuk koordinasi dari anion di sekitar kation pusat dalam padatan ionik. Jika anion tidak kontak kation pusat, struktur menjadi tidak stabil karena kation pusat dapat berderak-derak di antara sangkar kation-kation. Rasio dari radius kation pusat terhadap anion di sekelilingnya disebut dengan rasio radius, r cation / r anion. Sedangkan, radius rasio saat anion saling menyentuh di antara yang lain dan kontak kation pusat disebut dengan rasio radius kritis (minimal). Rasio radius yang diijinkan untuk padatan ionik dengan coordination number, 3, 4, 6 dan 9 dapat dilihat pada gambar setelah slide ini. Anion (a) (b) (c) Kation 11 11

12 Rasio radius untuk coordination number 8, 6, 4, dan 3 anion yang mengelilingi kation pusat dalam padatan ionik. 12

13 Contoh soal: Hitunglah radius rasio kritis r/r untuk susunan atom coordination number segitiga : CN=3 dengan 3 anion ber-radius R yang mengelilingi kation pusat dengan jari-jari r dalam padatan ionik. Solusi: Gambar di sampiing menunjukkan tiga anion yang besar dengan radius R dan menyen- Tuh kation pusat berjari-jari r. Segitiga ABC adalah segitiga bersudut 60. Garis AD membagi sudut ACB menjadi dua. Sehingga sudut DAE=30 Dengan menggunakan gambar (b) di samping, r/r dapat dihitung. AD = R + r cos 30 = AE/AD = R/(R+r) = ; R= (R+r) = 0.866R+0.866r 0.866r = R R = R(0.134) r/r =

14 Contoh Struktur Keramik Struktur Sodium Chloride (NaCl) Memiliki struktur FCC (Face Centered Cubic). Gambar (a) di bawah menunjukkan Cl - menempati posisi atom FCC dan Na + menempati intersisi antara atom FCC. Coordination number untuk susunan oktahedral sekitar: Senyawa keramik yang memiliki struktur ini termasuk MgO, CaO, NiO dan FeO. (a) Unit sel NaCl yang menunjukkan posisi Na + (r=0.102 nm)dan Cl - (r=0.181nm) (b) Oktahedron menunjukkan koordinasi oktahedral 6 anion Cl - meliputi sebuah kation Na + 14

15 Thank you for your kind attention 15