BAB II DASAR TEORI 2.1 Komposit 2.1.1 Pengertian Komposit Material komposit merupakan material yang terbentuk dari kombinasi antara dua atau lebih material pembentuknya, melalui pencampuran yang tidak homogen, dimana sifat mekanik dari masingmasing material pembentuknya berbeda. Material komposit memiliki sifat mekanik yang lebih bagus daripada logam, kekuatan lelah (fatigue) yang baik, kekuatan jenis (strength/weight) dan kekakuan jenis (modulus young/density) yang lebih tinggi daripada logam, tahan korosi, memiliki sifat isolator panas dan suara, sebagai penghambat listrik yang baik, dan dapat juga digunakan untuk menambal kerusakan akibat pembebanan dan korosi (Sirait, 2010). Material komposit adalah material yang terbuat dari dua bahan atau lebih, yang tetap terpisah dan berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk komponen tunggal (www.id.wikipedia.org) Penjelasan lain tentang komposit juga diutarakan oleh Van Rijswijk, M.Sc, dkk (2001), dalam bukunya Natural Fiber Composites, komposit adalah bahan hibrida yang terbuat dari resin polimer diperkuat dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan fisik. Ada tiga faktor yang menentukan sifat-sifat dari material komposit, yaitu: a. Material pembentuk Sifat-sifat intrinsik material pembentuk memegang peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya. b. Susunan struktural komponen Dimana bentuk, orientasi, ukuran tiap- tiap komponen penyusun struktur, dan distribusinya merupakan faktor penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara keseluruhan. 3
4 c. Interaksi antar komponen Karena komposit merupakan campuran atau kombinasi komponenkomponen yang berbeda, baik dalam hal bahannya maupun bentuknya, maka sifat kombinasi yang diperoleh pasti akan berbeda (Sirait, 2010). 2.1.2 Klasifikasi Bahan Komposit Klasifikasi menurut bentuk struktur penyusunnya, komposit dibedakan menjadi beberapa macam antara lain : a. Fiber composite, merupakan jenis komposit yang menggunakan serat sebagai bahan penguatnya. Dalam pembuatan komposit, serat dapat diatur memanjang (unidirectional composites) atau dapat dipotong kemudian disusun secara acak (random fibers) serta juga dapat dianyam (cross-ply laminate) (Schwartz, 1984). a. unidirectional fiber composite b.random fiber composite Gambar 2.1 Komposit serat (Fiber Composites) (http: //www.onkian.com/2009/10/skripsi-pengaruh-lebar-spesimenpada_6420.html) b. Filled composite, adalah komposit dengan penambahan material ke dalam matriks dengan struktur tiga dimensi (Schwartz, 1984).
5 Gambar 2.2 Filled (skeletal) Composites (http: //www.onkian.com/2009/10/skripsi-pengaruh-lebar-spesimenpada_6420.html) c. Flake composite, adalah komposit dengan penambahan material berupa serpih kedalam matriksnya. Flake dapat berupa serpihan mika dan metal (Schwartz, 1984). Gambar 2.3 Komposit serpih (Flake Composites) (http: //www.onkian.com/2009/10/skripsi-pengaruh-lebar-spesimenpada_6420.html) d. Particulate composite, adalah salah satu jenis komposit di mana dalam matriks ditambahkan material lain berupa serbuk/butir. Perbedaan dengan flake dan fiber composites terletak pada distribusi dari material penambahnya. Dalam particulate composites, material penambah terdistribusi secara acak atau kurang terkontrol daripada flake composites. Sebagai contoh adalah beton (Schwartz, 1984).
6 Gambar 2.4 Komposit partikel (Particulate Composites) (http: //www.onkian.com/2009/10/skripsi-pengaruh-lebar-spesimenpada_6420.html) e. Laminate composite adalah komposit dengan susunan dua atau lebih layer, di mana masing-masing layer dapat berbeda beda dalam hal material, bentuk, dan orientasi penguatannya (Schwartz, 1984). Gambar 2.5 Laminar Composites (http: //www.onkian.com/2009/10/skripsi-pengaruh-lebar-spesimenpada_6420.html) 2.1.3 Tipe Komposit Serat Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit, yaitu : a. Continuous Fiber Composite Continuous atau uni-directional, mempunyai serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara matriknya. Jenis Continuous Fiber Composite adalah yang paling sering digunakan. Tipe ini mempunyai kelemahan pada pemisahan antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriknya.
7 b. Woven Fiber Composite (Bi-Dirtectional) Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan karena susunan seratnya juga mengikat serat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan akan melemah. c. Discontinuous Fiber Composite Discontinuous Fiber Composite adalah tipe komposit dengan serat pendek. Tipe ini dibedakan lagi menjadi 3 (Gibson, 1994 : 157) : 1. Aligned discontinuous fiber 2. Off-axis aligned discontinuous fiber 3. Randomly oriented discontinuous fiber Gambar 2.6 Tipe Discontinuous Fiber Composite (Gibson, 1994) d. Hybrid Fiber Composite Hybrid Fiber Composite merupakan komposit gabungan antara serat tipe serat lurus dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat mengganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya. Gambar 2.7 Tipe serat pada komposit (Gibson, 1994)
8 2.1.4 Bagian Utama Dari Komposit a. Reinforcement Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit. 1. Serat Karbon Perlakuan serat karbon ada dua tipe, yaitu : a. Oksidatif, menghasilkan kelompok fungsional asam seperti carboxylic, phenolic dan hydroxylic pada permukaan serat karbon. Menggunakan oksigen atau yang mengandung gas dengan melalui fase oksidasi yang dipanaskan sampai temperatur 250 o C b. Non oksidatif, yaitu serat dilapisi dengan polimer organik yang memiliki kemampuan bereaksi dengan matriks resin. Contoh polimer coating adalah stryrene-maleic anhydride copolymer dan polyamides. Serat karbon didefinisikan sebagai suatu serat yang mengandung sedikitnya 90% karbon melalui proses pirolisis tertentu (Hedge, 2004). Komposisi terbesar dalam serat ini dinamakan precursor (bahan baku) yang digunakan untuk memproduksi serat karbon dengan berbagai bentuk dan karakteristik yang berbeda. Serat karbon dapat dibedakan berdasarkan precursor yang digunakan yaitu pitch, PAN (poly acrilonitrile), serat selulosa dan certain phenolic fibers. Sifat-sifat fiber-carbon oleh Nurun Nayiroh (n.d), yaitu sebagai berikut : a. Densitas karbon cukup ringan yaitu sekitar 2,3 g/cc. b. Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan. c. Mempunyai karakteristik yang ringan, kekuatan yang sangat tinggi. 2. Serat Gelas Glass fiber adalah bahan yang tidak mudah terbakar. Serat jenis ini biasanya digunakan sebagai penguat matrik jenis polymer. Sifat-sifat fiberglass oleh Nurun Nayiroh (n.d), yaitu sebagai berikut :
9 a. Densitas cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc) b. Kekuatan tariknya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa) c. Biasanya kekakuannya rendah (70GPa) d. Stabilitas dimensinya baik e. Komposisi umum adalah 50-60% SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dan lain-lain. Berdasarkan bentuknya, serat gelas dapat dibedakan menjadi beberapa macam antara lain (Santoso, 2002): a. Roving, berupa benang panjang yang digulung mengelilingi silinder. b. Yarn, berupa bentuk benang yang lekat dihubungkan pada filamen. c. Chopped Strand, adalah strand yang dipotong-potong dengan ukuran tertentu kemudian digabung menjadi satu ikatan. d. Reinforcing Mat, berupa lembaran chopped strand dan continuous strand yang tersusun secara acak. e. Woven Roving, berupa benang panjang yang dianyam dan digulung pada silinder f. Woven Fabric, berupa serat yang dianyam seperti kain tenun. Berdasarkan jenisnya, serat gelas dapat dibedakan menjadi beberapa macam antara lain (Nugroho, 2007): a. Serat E-Glass, adalah salah satu jenis serat yang dikembangkan sebagai penyekat atau bahan isolasi. Jenis ini mempunyai kemampuan bentuk yang baik. b. Serat C-Glass, adalah jenis serat yang mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi. c. Serat S-Glass, adalah jenis serat yang mempunyai kekakuan yang tinggi.
10 No Tabel 2.1. Sifat-sifat serat gelas (Nugroho, 2007) Jenis Serat E- Glass C- Glass S- Glass 1 Isolator listrik yang baik Tahan terhadap korosi Modulus lebih tinggi 2 Kekakuan tinggi Kekuatan lebih rendah dari E- Glass 3 Kekuatan tinggi Harga lebih mahal dari E-Glass Sumber : Nurun Nayiroh (n.d) b. Matrik Lebih tahan terhadap suhu tinggi Harga lebih mahal dari E-Glass Matrik adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matrik mempunyai fungsi sebagai berikut : a. Mentransfer tegangan ke serat secara merata. b. Melindungi serat dari gesekan mekanik. c. Memegang dan mempertahankan serat pada posisinya. d. Melindungi dari lingkungan yang merugikan. e. Tetap stabil setelah proses manufaktur. Sifat-sifat matrik (Ellyawan, 2008) : a. Sifat mekanis yang baik. b. Kekuatan ikatan yang baik. c. Ketangguhan yang baik. d. Tahan terhadap temperatur. 2.1.5 Metode Pembuatan Komposit 1. Proses Cetakan Terbuka (Open-Mold Process) a) Contact Molding/ Hand Lay Up Hand lay up adalah metoda yang paling sederhana dan merupakan proses dengan metode terbuka dari proses fabrikasi komposit. Adapun proses dari pembuatan dengan metoda ini adalah dengan cara menuangkan resin dengan tangan ke dalam serat berbentuk anyaman, rajuan atau kain, kemudian memberi takanan sekaligus meratakannya menggunakan rol atau kuas. Proses tersebut dilakukan berulang-ulang hingga ketebalan yang
11 diinginkan tercapai. Pada proses ini resin langsung berkontak dengan udara dan biasanya proses pencetakan dilakukan pada temperatur kamar. b) Vacuum Bag Proses vacuum bag merupakan penyempurnaan dari hand lay up. Proses ini bertujuan untuk menghilangkan udara terperangkap dan kelebihan resin. Pada proses ini digunakan pompa vacuum untuk menghisap udara yang ada dalam wadah tempat diletakkannya komposit yang akan dilakukan proses pencetakan. Dengan dipakumkan udara dalam wadah, maka udara yang ada diluar penutup plastik akan menekan ke arah dalam. Hal ini akan menyebabkan udara yang terperangkap dalam spesimen komposit akan dapat diminimalkan. 2. Proses Cetakan Tertutup (Closed mold Processes) a) Proses Cetakan Tekan (Compression Molding) Proses cetakan ini menggunakan hydraulic sebagai penekannya. Fiber yang telah dicampur dengan resin dimasukkan ke dalam rongga cetakan, kemudian dilakukan penekanan dan pemanasan. Resin termoset khas yang digunakan dalam proses cetak tekan ini adalah poliester, vinil ester, epoxies, dan fenolat. b) Injection Molding Metoda injection molding juga dikenal sebagai reaksi pencetakan cairan atau pelapisan tekanan tinggi. Fiber dan resin dimasukkan kedalam rongga cetakan bagian atas, kondisi temperature dijaga supaya tetap dapat mencairkan resin. Resin cair beserta fiber akan mengalir ke bagian bawah, kemudian injeksi dilakukan oleh mandrel ke arah nozel menuju cetakan. c) Continuous Pultrusion Fiber jenis roving dilewatkan melalui wadah berisi resin, kemudian secara kontinyu dilewatkan ke cetakan pra-cetak dan diawetkan (cure), kemudian dilakukan pengerolan sesuai dengan dimensi yang diinginkan. Proses ini juga disebut sebagai penarikan serat dari suatu jaring atau creel melalui bak resin, kemudian dilewatkan pada cetakan yang telah dipanaskan. Fungsi dari cetakan tersebut ialah mengontrol kandungan resin, melengkapi pengisian
12 serat, dan mengeraskan bahan menjadi bentuk akhir setelah melewati cetakan. 2.1.6 Komposit Sandwich Komposit sandwich merupakan material yang tersusun dari tiga material atau lebih yang terdiri dari plat sebagai skin dan core pada bagian tengahnya. Banyak variasi definisi dari komposit sandwich, tetapi faktor utama dari material tersebut adalah core yang ringan, sehingga memperkecil berat jenis dari material tersebut serta kekakuan dari lapisan skin yang memberikan kekuatan pada komposit sandwich. Konstruksi sandwich telah digunakan secara luas dalam beberapa industri yang membutuhkan suatu konstruksi yang ringan dan kaku. Pemanfaatan konstruksi sandwich antara lain pada konstruksi lambung kapal, pesawat terbang, bodi mobil, jembatan, dan lain sebagainya. Komponen penyusun komposit sandwich secara umum terdiri atas tiga bagian utama, yaitu : a. Face (Skin) Face (Skin) adalah bagian terluar dari komposit sandwich. Material atau bahannya terbuat dari berbagai macam bahan yang dibentuk menjadi lembaran. Berbagai jenis material dapat digunakan sebagai skin. Lembaran plat logam seperti aluminium, baja, titanium dan polimer diperkuat oleh serat merupakan beberapa contoh umum material yang biasa digunakan sebagai skin. Sifat yang harus ada pada skin diantaranya : 1. Kekakuan baik, namun tetap memberikan kelenturan. 2. Kekuatan tarik dan desak yang baik. 3. Tahan terhadap impak dan gesekan. b. Core Core adalah inti (pengisi) dari komposit sandwich. Tujuan dari penambahan core adalah agar terjadi penambahan ketebalan tanpa terjadi penambahan berat yang berarti, sehingga didapatkan kekakuan yang relatif tinggi. Core komposit sandwich yang harus mempunyai sifat ringan, harganya murah dan mempunyai modulus geser tinggi.
13 c. Adhesive Adhesive adalah zat perekat yang digunakan untuk mengikat face dengan core. Kekuatan tarik adhesive harus lebih kuat daripada kekuatan tarik core. Adhesive juga harus memiliki ketahanan terhadap bahan kimia dan panas, supaya dalam keadaan tersebut daya adhesivenya tidak mudah rusak. 2.2 Perhitungan-perhitungan 2.2.1 Gaya Gaya dihasilkan dari beban yang bekerja pada suatu batang atau struktur. Gaya dapat dirumuskan sebagai berikut : F = m x a (2.1) Dimana : F = Gaya (N) m = Massa (Kg) a = Percepatan grafitasi (m/s 2 ) Setiap komponen gaya merefleksikan pengaruh beban terpasang yang berbeda pada struktur dan diberikan nama khusus sebagai berikut : a. Gaya Aksial (Axsial Force) b. Gaya geser (Shear force) c. Momen lentur (Bending momen) Secara umum gaya dan momen lentur pada batang dapat digambarkan seperti dibawah ini : Momen lentur Momen lentur Gaya aksial Gaya aksial Gaya geser Gaya geser Gambar 2.8 Gaya yang bekerja pada batang sederhana 2.2.2 Kekuatan Bending Kekuatan bending adalah tegangan bending terbesar yang dapat diterima akibat pembebanan luar, tanpa mengalami deformasi yang besar
14 atau kegagalan. Untuk mengetahui kekuatan bending suatu material, dapat dilakukan dengan pengujian bending terhadap material tersebut. P L/2 L/2 Gambar 2.9 Pengujian bending pada panel komposit sandwich Akibat pengujian bending, pada bagian atas spesimen akan mengalami tekanan, sedangkan pada bagian bawah akan mengalami tegangan tarik. Kegagalan yang terjadi akibat pengujian bending, komposit akan mengalami patah pada bagian bawah yang disebabkan karena tidak mampu menahan tegangan tarik yang diterima. 2.2.3 Defleksi Defleksi diukur dari permukaan netral awal ke posisi netral setelah terjadi deformasi. Gambar 2.10a memperlihatkan batang pada posisi awal sebelum terjadi deformasi dan Gambar 2.10b adalah batang dalam konfigurasi terdeformasi yang diasumsikan akibat aksi pembebanan. Gambar 2.10 Defleksi yang terjadi pada batang Jarak perpindahan y didefinisikan sebagai defleksi batang. Disamping faktor tegangan, spesifikasi untuk rancang bangun sering ditentukan oleh adanya defleksi. Dengan demikian, batang yang dirancang dengan baik tidak hanya mampu menahan beban yang akan diterimanya, tetapi juga harus mampu mengatasi terjadinya defleksi sampai batas tertentu.
15 2.2.4 Teori Elastisitas a. Tegangan Tegangan yang bekerja pada penampang bahan dapat dirumuskan sebagai berikut : = P (2.2) A Dimana : = Tegangan atau gaya per satuan luas (N/m 2 ) P = Beban (N) A = Luas Penampang (m 2 ) Dalam menentukan bahan untuk perancangan suatu struktur atau komponen, maka hal yang paling utama yang harus ditentukan adalah tegangan yang mampu diberikan pada struktur tersebut. Tegangan tersebut adalah : 1. Tegangan Batas, didefinisikan sebagai tegangan satuan terbesar suatu bahan yang dapat ditahan tanpa menimbulkan kerusakan. 2. Tegangan ijin, yaitu bagian kekuatan batas yang bisa aman digunakan pada perancangan. Para perancang struktur (komponen) umumnya bekerja dengan suatu tegangan izin yang ditetapkan sebelumnya. Secara umum tegangan dapat dibagi menjadi 2 jenis, yaitu : 2.1 Tegangan normal Tegangan normal adalah tegangan yang bekerja normal (tegak lurus) terhadap permukaan yang mengalami tegangan. Tegangan ini dapat berupa tegangan tarik maupun tekan. 2.2 Tegangan geser Tegangan geser adalah tegangan yang bekerja sejajar terhadap permukaan yang mengalami tegangan. Komponen tegangan (stress) bernilai positif jika searah dengan koordinat positifnya dan sebaliknya.
16 c. Regangan Regangan digunakan untuk mempelajari deformasi yang terjadi pada suatu benda. Untuk memperoleh regangan, maka dilakukan dengan membagi perpanjangan dengan panjang (L) yang telah diukur, dengan demikian diperoleh : = (2.3) L Dimana : egangan erubahan bentuk aksial total (mm) L = panjang batang (mm) d. s, tegangan adalah sebanding dengan regangan. Kesebandingan tegangan terhadap regangan dinyatakan sebagai perbandingan tegangan satuan terhadap regangan satuan. Pada bahan kaku tetapi elastis seperti baja, kita peroleh bahwa tegangan satuan yang diberikan menghasilkan perubahan bentuk satuan yang relatif kecil. Perkembangan regangan saja, tetapi berkembang menjadi modulus young atau modulus elastisitas. Rumus modulus elastisitas (E) adalah : E = (2.4) Dimana : E = Modulus elastisitas (N/m 2 ) atau MPa egangan (N/m 2 ) egangan
17 2.2.5 Fraksi Volume Komposit Menurut Gibson (1994), penempatan serat harus mempertimbangkan geometri serat, arah, distribusi dan fraksi volume, agar dapat dihasilkan komposit berkekuatan tinggi. Fraksi Volume (V) : V Volume serat serat = x 100% (2.5) Volume komposit V serat = m f m f f + f m f f x 100% (2.6) V Volume matrik matrik = x 100% (2.7) Volume komposit V matrik = m f m m m f + m m m x 100% (2.8) Dimana : m f = Massa serat (gr) m m = Massa matrik (gr) f = Massa jenis serat (gr/mm 3 ) m = Massa jenis matrik (gr/mm 3 ) 2.2.6 Uji Impact Charpy Pengujian impact bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian impact merupakan respon terhadap beban kejut atau beban tiba- tiba (beban impact). Skema dan mekanisme pengujian impact Charpy ditunjukkan pada gambar 2.11. Spesimen impact Charpy berbentuk batang dengan penampang lintang bujur sangkar. Beban didapatkan dari tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h dengan spesimen diposisikan pada dasar. Ketika dilepas, ujung pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen pada titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impact kecepatan tinggi. Palu pendulum
18 akan melanjutkan ayunan untuk mencapai ketinggian maksimum h rendah dari h. yang lebih Gambar 2.11 Uji Impact Charpy Energi yang diserap dihitung dari perbedaan h dan h (mgh- ), adalah ukuran dari energi impact Posisi simpangan lengan pendulum terhadap garis vertik vertikal setelah membentur spes Dengan mengetahui besarnya energi potensial yang diserap oleh material, maka ketangguhan impact benda uji adalah (Shackelford, 1992) : E serap = Energi awal- Energi yang tersisa = m.g.h - ) (2.9) Dimana : E serap = Energi serap (J) m = massa pendulum (kg) = 9,5 kg g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) = 9,8 m/s 2 R = panjang lengan = 0.83 m = sudut ayunan pendulum tanpa spesimen ( 0 ) = sudut ayunan pendulum setelah mematahkan spesimen ( 0 )
19 Harga ketangguhan impact pada komposit sandwich dapat dihitung dengan persamaan (ASTM 5942-96) : a cu = E serap h x b x 10 3 (2.10) Dimana : a cu = harga impact Charpy tanpa takikan (kj/mm 2 ) b = lebar spesimen (mm) h = tebal spesimen (mm) E serap = energi yang diserap (J) 2.2.7 Uji bending 3 Point Pengujian bending terhadap material komposit bertujuan untuk mengetahui kekuatan bending. Kekuatan bending atau kekuatan lengkung adalah tegangan bending terbesar yang dapat diterima akibat pembebanan luar, tanpa mengalami deformasi yang besar atau kegagalan. Besar kekuatan bending tergantung pada jenis material dan pembebanan. Akibat pengujian bending, bagian atas spesimen mengalami tekanan, sedangkan bagian bawah akan mengalami tegangan tarik. Dalam material komposit kekuatan tekannya lebih tinggi daripada kekuatan tariknya. Karena tidak mampu menahan tegangan tarik yang diterima, spesimen tersebut akan patah. Gambar 2.12 Skema Uji Bending 3 Point