Seminar Nasional Fisika 2011 ISSN Pusat Penelitian Fisika LIPI Serpong, Juli 2011

Transkripsi

1 PENGARUH GAYA KOMPAKSI TERHADAP KUALITAS IKATAN MATERIAL KOMPOSIT / TERLAPISI Fahmi 1), M. Zainuri 2) 1) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan am, 2) Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan am Intitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 1) fahmi@mhs.physics.its.ac.id, 2) zainuri@physics.its.ac.id ABSTRAK Berbagai metode diupayakan untuk mendapatkan material komposit matrik logam kualitas unggul. Salah satunya dengan melapisi permukaan partikel penguat keramik dengan pada variasi gaya kompaksi 5 kn, 10 kn, 15 kn, dan 20 kn. Interaksi antara partikel penguat keramik terhadap matrik uminium memiliki gaya adhesifitas rendah, sehingga pelapisan dan perlakuan gaya kompaksi diharapkan dapat mengatasi hal tersebut. Perlakuan gaya kompaksi saat pembentukan sampel berbentuk silinder (diameter 1,4 cm, tinggi 1,5 cm) mempengaruhi kualitas ikatan komposit / dengan penguat partikel yang dilapisi. Pada penelitian ini fraksi volume dibuat tetap 20% pada bahan komposit isotropik /. Berdasarkan analisa yang dilakukan terjadi kenaikan modulus elastisitas terhadap kenaikan gaya kompaksi yakni dari 52,57 GPa menjadi 185,903 GPa untuk masing-masing kenaikan gaya kompaksi 5 kn sampai dengan 20 kn. Begitu pula pada nilai densitas material komposit / menunjukkan tren yang sama terhadap kenaikan gaya kompaksi yakni terjadi kenaikan densitas seiring dengan kenaikan gaya kompaksi dari nilai 2,55 g/cm 3 menjadi 2,74 g/cm 3 untuk masing-masing kenaikan gaya kompaksi 5 kn sampai dengan 20 kn. Adanya kenaikan modulus elastisitas dan densitas material komposit / terhadap kenaikan gaya kompaksi menunjukkan bahwa terjadi peningkatan kualitas ikatan antara penguat dengan matrik oleh pelapisan. Kata kunci : komposit /, gaya kompaksi, pelapisan ABSTRACT Various methods continue to be pursued to obtain a composite material with metal matric with superior quality. One by coating the surface of ceramic reinforcement particles with on the variation of compaction force 5 kn, 10 kn, 15 kn and 20 kn. The interaction between the particles of ceramic reinforced toward uminum matrix has a low adhesivity force, so that the coating and treatment of compacting force is expected to overcome it. 1

2 Treatment compacting force at the time of the formation of cylindrical samples (diameter 1.4 cm and height 1.5 cm) affects the quality of the bonding in the composite / with reinforcing particles are coated. In this study the volume fraction of is made permanent by 20% in the isotropic composite materials of /. Based on the analysis carried out an increase in modulus of elasticity to increase the compacting force of GPa to GPa for each increase in compaction force 5 kn to 20 kn. Similarly, the value of the density of the composite material / showed a similar trend to the increase in compaction force which is an increase in density due to higher compaction forces than the value of 2.55 g/cm3 to 2.74 g/cm 3 for each increase in compaction force 5 kn to 20 kn. An increase in modulus of elasticity and density of the composite materials of / to the increase in compaction force shows an increase in the quality of the bond between the reinforced with the matrix by coating. Key words: / composite, compacting force, coating 1. PENDAHULUAN Material komposit menggunakan bahan dasar aluminium sebagai matriks dapat dikategorikan sebagai golongan komposit Metal Matrix Composite (MMC). uminium diketahui memiliki sifat yang ulet dan tahan korosi. Untuk meningkatkan kemampuan dari bahan aluminium telah banyak diupayakan oleh banyak peneliti di bidang komposit dengan cara memberi bahan penguat keramik seperti alumina ( 2 O 3 ), silikon karbida (), periklas (MgO) dan lain-lain. Secara umum para peneliti bahan komposit mengetahui interaksi antara partikel penguat keramik terhadap matriks aluminium memiliki gaya adhesifitas yang sangat rendah. Oleh karena itu telah banyak upaya yang dilakukan untuk meningkatkan kemampubasahan (wetability) dari bahan komposit berbasis matriks logam dan penguat keramik dengan berbagai cara di antaranya memodifikasi temperatur proses, meningkatkan interaksi antara komponen-komponen komposit dengan menambahkan elemen-elemen pemadu seperti unsur seng (Zn). 1.1 Komposit Isotropik Material Komposit adalah material gabungan dari dua atau lebih material yang memiliki sifat fisis dan mekanis berbeda yang menghasilkan material baru dengan sifat fisis dan mekanis tertentu yang lebih baik dari material penyusunnya. Ikatan antar muka dari material komponen penyusunnya menjadi syarat dari pembentukan material komposit. Material pembentuk komposit ada dua yaitu, matriks dan penguat. Matriks merupakan bahan dasar yang berperan sebagai penyangga dan pengikat reinfoced. Matriks memiliki karakteristik lunak, ulet, berat persatuan volume yang rendah dengan modulus elastisitas yang rendah. Matriks harus memiliki kemampuan mengikat dan atau memberikan ikatan antar muka (interface bonding) yang kuat antara matriks dan penguatnya. Penguat berperan sebagai efek penguatan terhadap komposit. Material komposit mempunyai sifat berbeda dari material konvensional pada umumnya. Proses pembuatannya melalui percampuran yang terdistribusi homogen, sehingga dapat dirancang kekuatan materialnya sesuai dengan desain yang direncanakan. 2

3 Komposit isotropik merupakan komposit yang penguatnya memberikan penguatan ke segala arah sama. Sebaliknya komposit anisotropik adalah komposit yang penguatnya memberikan penguatan tidak sama untuk arah yang berbeda, sehingga segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan mempunyai kekuatan yang tidak sama, baik secara transversal maupun longitudinal. Selain orientasi penguat, fraksi volume penguat juga berpengaruh dalam menentukan kekuatan komposit. Fraksi volume penguat adalah cara yang mudah dalam menentukan atau memprediksi nilai kekuatan bahan komposit yang dibuat [3]. 1.2 Proses Pembuatan Komposit Salah satu metode yang digunakan dalam pembuatan material komposit matrik Logam (MMC) ialah dengan proses metalurgi serbuk. Prinsip dari metode ini ialah pemadatan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan kemudian dipanaskan sehingga partikel-partikel serbuk menyatu, baik melalui mekanisme ikatan fasa padat atau dengan peleburan sebagian partikel logam. Metode ini digunakan untuk menghasilkan produk dengan dimensi akurat, dan menghasilkan produk yang mempunyai sejumlah porositas dengan ukuran dan distribusi tertentu. Tahapan metalurgi serbuk meliputi pencampuran, penekanan dan sintering. Proses penggabungan antara matrik dan penguat dilakukan di bawah suhu titik leleh matrik. Proses pembuatan komposit melalui fase ini, bertujuan menghindari reaktifitas antara matrik dan penguat yang menimbulkan kegagalan dalam pembuatan komposit, di samping itu reaktifitas material komposit terhadap lingkungan juga dapat diminimalisasi [3] Ikatan Interfasial antara Matrik dan Penguat Untuk meningkatkan kekuatan ikatan interfasial antara matrik dan penguat dapat dilakukan dengan melakukan pelapisan terhadap permukaan. Hal ini bertujuan agar seluruh permukaan partikel terbasahi yang dapat meningkatkan kemampuan ikatan antar muka antara pengaut dengan matrik. Ikatan permukaan antara matrik dan penguat sangat penting dalam menentukan sifat-sifat komposit matrik logam (MMC). Kekakuan dan kekuatannya bekerja berdasarkan transfer pembebanan melalaui interfasial. Oleh karena itu, pemberian pembebanan akan berpengaruh terhadap semua sifat-sifat mekanik komposit. 2. METODE PENELITIAN 2.1. Pelapisan Partikel Zn 6,32 gram dicampur dengan HCl 16,12 ml, selanjutnya diaduk dengan magnetik stirrer sampai dihasilkan larutan elektrolit yang bening dan jernih. yang sudah dicuci dengan alkohol menggunakan ultrasonic cleaner (sudah dioksidasi pada suhu 900 ºC selama 4 jam) dimasukkan ke dalam larutan elektrolit kemudian diendapkan dengan NH 4 OH 29,75 ml sambil diaduk di atas 3

4 magnetik stirrer dengan pengaturan pemanasan pada suhu 80 o C, kemudian digerus dengan mortar. yang sudah terlapisi dikalsinasi pada suhu 350 ºC dengan holding time 1 jam Pembuatan Komposit - Dalam penelitian ini proses wet mixing atau pencampuran basah digunakan sebagai metode pencampuran. Pencampuran serbuk logam dan serbuk yang telah dilapisi dilakukan pada fraksi volume 80% untuk dan 20% untuk dengan menggunakan larutan alkohol 96% sebanyak 26,8 ml sebagai media pencampur. Pengadukan dilakukan di atas hotplate pada suhu 80 o C menggunakan magnetic stirrer. Campuran serbuk yang sudah homogen dimasukkan dalam cetakan berbentuk silinder (dengan diameter 1,4 cm) yang diberi Zinc-Stearat (pelumas) pada dindingnya. Selanjutnya campuran serbuk yang sudah dimasukkan dalam cetakan dikompaksi (cold compacting) dengan pompa hidrolik dengan gaya tekan yang bervariasi 5, 10, 15, dan 20 kn dengan waktu penahanan 15 menit setiap kompaksi agar distribusi tegangan merata. Selanjutnya dilakukan proses vakum sintering yang bertujuan untuk meningkatkan ikatan interfasial partikel serbuk. Temperatur presinter 300ºC dengan waktu tahan (holding time) 30 menit dan vakum sintering 600 o C dilakukan dengan waktu tahan 2 jam Analisa Mikrostruktur dan Identifikasi Fase Komposit Isotropik - Untuk mengetahui struktur mikro serta susunan matrik dan filler dari bahan komposit digunakan alat uji Scanning Electron Microscopy (SEM). Pengujian SEM dilakukan di Laboratorium Studi Energi dan Rekayasa ITS dengan tipe EVO MA dan LS Series dengan Merk Zeiss. Untuk mengkarakterisasi fasa-fasa diuji dengan menggunakan difraksi sinar Analisa Sifat Mekanik Komposit - Metode pengujian tekanan pada bahan komposit bertujuan untuk menentukan besarnya nilai modulus elastisitas komposit / yang juga menentukan sifat mekaniknya dengan melihat daerah elastisitas material. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari pengujian densitas antara material komposit / tanpa terlapisi dan terlapisi diperoleh peningkatan nilai densitas pada setiap kenaikan gaya kompaksi. Pada material komposit terlapisi terjadi peningkatan densitas lebih besar dibandingkan tanpa terlapisi. Peningkatan nilai densitas ini disebabkan adanya pelapisan permukaan partikel dengan yang berfungsi sebagai binder (pengikat) sehingga menyebabkan kualitas ikatan semakin meningkat. Meningkatnya kualitas ikatan / tersebut menyebabkan jarak antara matrik dan penguat pada material komposit semakin 4

5 rapat yang menyebabkan densitasnya meningkat dibandingkan dengan penguat (filler) yang tidak terlapisi. Selain itu, dari hasil pengujian densitas ini pula diperoleh peningkatan nilai densitas pada kedua jenis material tanpa terlapisi dan terlapisi seiring dengan kenaikan gaya kompaksi (Gambar 1(a) dan 2(a) ). Berdasarkan pada tersebut terlihat bahwa densitas dan kenaikan gaya kompaksi merupakan dua variabel yang saling berkaitan. (a) Densitas (gr/cm 3 ) 2,8 2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 2,5 2,45 2,4 (b) Porositas (%) Gambar 1. Densitas dan porositas komposit / tanpa Terlapisi terhadap gaya kompaksi Densitas (gr/cm 3 ) (a) 2,8 2,75 2,7 2,65 2,6 2,55 2,5 (b) Gaya kompaksi (kn) Porositas (%) Gambar 2. Densitas dan porositas komposit / Terlapisi terhadap gaya kompaksi Pori dalam komposit / dapat timbul karena celah antar partikel masih terisi oleh gas yang terjebak saat pembentukan green density. Semakin besar gaya kompaksi maka aliran gas dari celah antara matrik dan penguat semakin besar, sehingga menurunkan sifat porositas material komposit / (Gambar 1(b) dan 2(b)). Pada pengujian tekanan pada masing-masing material komposit tanpa terlapisi dan terlapisi, diperoleh modulus elastisitas meningkat seiring dengan meningkatnya gaya kompaksi. Pada komposit tanpa terlapisi modulus elastisitas terendah diperoleh pada gaya kompaksi 5 kn sebesar 38,182 GPa dan tertinggi pada 20 kn sebesar 173,568 GPa, dan pada komposit terlapisi modulus elastisitas terendah diperoleh nilai 52,57 GPa pada gaya kompaksi 5 kn dan tertinggi diperoleh 185,903 GPa pada gaya kompaksi 20 kn, seperti diperlihatkan pada gambar 3. Meningkatnya modulus elastisitas komposit / terhadap kenaikan gaya kompaksi menyebabkan transfer pembebanan dari matrik ke penguat terjadi dengan baik. 5

6 (a) Moduus Elastisitas (GPa) (b) Modulus Elastisitas (GPa) Gambar 3. Modulus elastisitas terhadap gaya kompaksi pada material komposit / (a) tanpa terlapisi (b) terlapisi Keterkaitan sifat fisis seperti densitas dan porositas berkorelasi terhadap nilai mekanik dari material komposit. Hal tersebut berkaitan dengan kualitas ikatan antarmuka antara matrik dan penguat yang mempengaruhi aspek transmisi tegangan dari matrik ke penguat saat mendapatkan beban eksternal. Hasil pengamatan mikrostruktur komposit / dengan SEM memperlihatkan bahwa persebaran terlihat acak di dalam matrik baik untuk material komposit tanpa terlapisi maupun terlapisi seperti diperlihatkan pada gambar 4 dan 5. Persebaran pada material komposit terjadi pada saat proses pencampuran atau mixing. Gambar 4. Pengamatan SEM persebaran dalam matrik dari komposit / tanpa terlapisi (a) 5 kn, (b) 10 kn, (c) 15 kn, dan (d) 20 kn 6

7 Gambar 5. Pengamatan SEM persebaran dalam matrik dari komposit / terlapisi (a) 5 kn, (b) 10 kn, (c) 15 kn, dan (d) 20 kn Untuk mengetahui fase-fase yang terbentuk pada material komposit - maka dilakukan analisis difraksi sinar-. Hasil analisa difraksi sinar- meperlihatkan puncak intensitas memiliki intensitas tertinggi dari senyawa-senyawa lainnya seperti yang diperlihatkan pada gambar 6, sesuai dengan fraksi volumnya yang terbanyak, 80%. Intensitas (%) (a) 20 kn 15 kn SiO2 Intensitas (%) (b) 20 kn 15 kn 10 kn 10 kn 5 kn 5 kn Theta Theta Gambar 6. Pola difraksi sinar- pada komposit /, (a) tanpa terlapisi, (b) terlapisi 7

8 KESIMPULAN Besarnya gaya kompaksi mempengaruhi peningkatan densitas dan modulus elastisitas material komposit / terlapisi yang dihasilkan. Semakin besar gaya kompaksi yang diberikan semakin besar pula nilai densitas dan modulus elastisitas komposit /. Sebaliknya Naiknya nilai densitas komposit menjadi penurunan nilai porositasnya dengan meningkatnya gaya kompaksi. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Mochamad Zainuri, M.Si. yang telah memberikan masukan dan bantuannya sampai terselesaikannya penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA 1. Jianzhang Shi, Quanxi Cao, Yunge Wei, Yunxia Huang, Varistor Manufactured by Composite Nano-Additives, Materials Science and Engineering (2003): B99, ,. 2. Libo Li, Maozong An, Gaohui Wu, Model of Electroless Ni Deposition of / Composites and Study of The Interfacial Interaction of Coatings with Substarte Surface, Applied Surface Science (2005): 252, ,. 3. M. Saleh, Pengaruh Pelapisan oksida SiO 2 pada Permukaan Partikel terhadap Kualitas Ikatan Antarmuka Komposit -, Tesis, ITS, 2009,. 4. Reni Wulandari, Metode Kopresipitasi untuk Pelapisan Partikel yang Teroksidasi pada Komposit /, Tugas Akhir, ITS, Suk Joong, L. Kang, Sintering Densification, Grain Growth and Microstructures, Elsevier, Tham, L.M., M. Gupta, L. Cheng, Effect of Limited Matrix-Reinforcement Interfacial Reaction on Enhancing The Mechanical Properties of uminium-silicon Carbide Composites, Acta Materilia 49 (2001): Urena, A., dkk, Oxidation Treatment for particles Used as Reinforcement in uminium Matrx Composites. Composites Science and Technology (2004): 64, Zainuri, M., Eddy S. Siradj, pradi, D., Zulfia A., Darminto, Peningkatan Wetability Partikel Komposit Isotropik - dengan Metode Pelapisan Pelktroless Metal Oksida pada Partikel Penguat, Seminar Fisika dan Aplikasinya (2007): D7:3-20,. 9. Zainuri, M., Eddy S.Siradj, Dedi Priadi, Anne Zulfia, Darminto, Pengaruh Pelapisan Permukaan Pertikel dengan Oksida Metal terhadap Modulus Elastisitas Komposit -, Makara Sains, Volume 12, No. 2 (2008): ,. 8