KOMPOSIT

Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua ataulebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baikitu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahantersebut (bahan komposit). Dengan adanya perbedaan dari materialpenyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan kuat,sehingga perlu adanya penambahan wetting agent

Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yangdisusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa,paduan, polymer dan keramik) Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun daridua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduan Fe dan C) Makrostruktur : material yang disusun dari campuran dua atau lebihpenyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makroini yang biasa dipakai)

Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yaitu sebagai berikut : Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu Mempermudah design yang sulit pada manufaktur Keleluasaan dalam bentuk/design yang dapat menghemat biaya Menjadikan bahan lebih ringan

MatriksMatriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksivolume terbesar (dominan).Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :a) Mentransfer tegangan ke serat.

b. Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.c) Melindungi serat.d) Memisahkan serat.e) Melepas ikatan.f) Tetap stabil setelah proses manufaktur.

Reinforcement atau Filler atau FiberSalah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yangberfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit

Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah danistilah penyebutannya; Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar),Penguat (Penahan beban utama), Interphase (pelekat antar dua penyusun),interface (permukaan phase yang berbatasan dengan phase lain

Secara strukturmikro material komposit tidak merubah material pembentuknya(dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbedadengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antaramatriks dan filler

Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks danfiller. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesiDalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama:o Interlocking antar permukaan ikatan yang terjadi karena kekasaranbentuk permukaan partikel.o Gaya elektrostatis ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarikantara atom yang bermuatan (ion).o Gaya vanderwalls ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antarpartikel.

Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabelantara lain:o Ukuran partikelo Rapat jenis bahan yang digunakano Fraksi volume materialo Komposisi materialo Bentuk partikelo Kecepatan dan waktu pencampurano Penekanan (kompaksi)o Pemanasan (sintering)

Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem prosespemaduannya

Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanyakomponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadiperpaduan yang homogen antara matrik dan fillero Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan materialyang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifatmaterial yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah

Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompokbesar yaitu:a. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrikb. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrikc. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik

Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites PMC)Komposit ini bersifat :1) Biaya pembuatan lebih rendah2) Dapat dibuat dengan produksi massal3) Ketangguhan baik4) Tahan simpan5) Siklus pabrikasi dapat dipersingkat6) Kemampuan mengikuti bentuk7) Lebih ringan.Keuntungan dari PMC :1) Ringan2) Specific stiffness tinggi3) Specific strength tinggi4) Anisotropy

Jenis polimer yang banyak digunakan :1) ThermoplasticThermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle)dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akanmenjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastic meleleh pada suhu tertentu,melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik (reversibel)kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Contoh arithermoplastic yaitu Poliester, Nylon 66, PP, PTFE, PET, Polieter sulfon, PES, danPolieter eterketon (PEEK).2) ThermosetThermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekalipengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali.Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan termoset melainkan akanmembentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakansebagai tutup ketel, seperti jenis-jenis melamin. Plastik jenis termoset tidakbegitu menarik dalam proses daur ulang karena selain sulit penanganannya jugavolumenya jauh lebih sedikit (sekitar 10%) dari volume jenis plastik yangbersifat termoplastik. Contoh dari thermoset yaitu Epoksida, Bismaleimida(BMI), dan Poli-imida (PI)

Matrik berbasis poliester dengan serat gelasa) Alat-alat rumah tanggab) Panel pintu kendaraanc) Lemari perkantorand) Peralatan elektronika.2) Matrik berbasis termoplastik dengan serat gelas = Kotak air radiator3) Matrik berbasis termoset dengan serat carbona) Rotor helikopterb) Komponen ruang angkasac) Rantai pesawat terbang

Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites MMC)Metal Matrix composites adalah salah satu jenis komposit yang memiliki matriklogam.

Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC :1) Transfer tegangan dan regangan yang baik.2) Ketahanan terhadap temperature tinggi3) Tidak menyerap kelembapan.4) Tidak mudah terbakar.5) Kekuatan tekan dan geser yang baik.6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baikKekurangan MMC :1) Biayanya mahal2) Standarisasi material dan proses yang sedikitMatrik pada MMC :1) Mempunyai keuletan yang tinggi2) Mempunyai titik lebur yang rendah3) Mempunyai densitas yang rendahContoh : Almunium beserta paduannya, Titanium beserta paduannya,Magnesium beserta paduannya

Proses pembuatan MMC :1) Powder metallurgy2) Casting/liquid ilfiltration3) Compocasting4) Squeeze casting

Aplikasi MMC, yaitu sebagai berikut :1) Komponen automotive (blok-silinder-mesin,pully,poros gardan,dll)2) Peralatan militer (sudu turbin,cakram kompresor,dll)3) Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang)4) Peralatan Elektronik

CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement yangumum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid.

Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah :1) Gelas anorganic.2) Keramik gelas3) Alumina4) Silikon NitridaKeuntungan dari CMC :1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi5) Tahan pada temperatur tinggi (creep)6) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi.Kerugian dari CMC1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar2) Relative mahal dan non-cot effective3) Hanya untuk aplikasi tertentu

Aplikasi CMC, yaitu sebagai berikut :1) Chemical processing = Filters, membranes, seals, liners, piping, hangers2) Power generation = Combustorrs, Vanrs, Nozzles, Recuperators, heat exchangetubes, liner3) Wate inineration = Furnace part, burners, heat pipes, filters, sensors.4) Kombinasi dalam rekayasa wisker SiC/alumina polikristalin untuk perkakaspotong.5) Serat grafit/gelas boron silikat untuk alas cermin laser.6) Grafit/keramik gelas untuk bantalan,perapat dan lem.7) SiC/litium aluminosilikat (LAS) untuk calon material mesin panas.

Pembagian komposit berdasarkan penguatnya

a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikelb. Fibre composite, penguatnya berbentuk seratc. Structural composite, cara penggabungan material komposit

Partikel sebagai penguat (Particulate composites)Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel:a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arahb) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan kekerasanmaterialc) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan menghalangipergerakan dislokasi.Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel:a) Metalurgi Serbukb) Stir Castingc) Infiltration Processd) Spray Depositione) In-Situ Process

Panjang partikel dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut :1) Large particleKomposit yang disusun oleh reinforcement berbentuk partikel, dimana interaksiantara partikel dan matrik terjadi tidak dalam skala atomik atau molekular.Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi merata. Contoh dari largeparticle composite adalah cemet dengan sand atau gravel, cemet sebagai matriksdan sand sebagai atau gravel, cemet sebagai matriks dan sand sebagai partikel,Sphereodite steel (cementite sebagai partikulat), Tire (carbon sebagai partikulat),Oxide-Base Cermet (oksida logam sebagai partikulat).2) Dispersion strengthened particlea) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.

Fiber sebagai penguat (Fiber composites)Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehinggatinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan,karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akanditeruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai bebanmaksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan moduluselastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit

Fiber yang digunakan harus memiliki syarat sebagai berikut :a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya (matriksnya)namun harus lebih kuat dari bulknyab) Harus mempunyai tensile strength yang tinggiParameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai berikut :a) Distribusib) Konsentrasic) Orientasid) Bentuke) ukuran

Parameter fiber dalam pembuatan komposit

Open Mold Processa. Hand Lay-Upb. Spray Lay-Upc. Vacuum Bag Mouldingd. Filament Winding2. Closed Mold Processa. Resin Film Infusionb. Pultrusion

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit

Continuous Fiber CompositeContinuous atau uni-directional, mempunyai susunan serat panjang dan lurus,membentuk lamina diantara matriksnya. Jenis komposit ini paling banyakdigunakan. Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar antar lapisan. Halini dikarenakan kekuatan antar lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar lapisan karena susunanseratnya juga mengikat antar lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnyayang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan tidak sebaik tipecontinuous fiber.c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite)Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi :1) Aligned discontinuous fiber2) Off-axis aligned discontinuous fiber3) Randomly oriented discontinuous fiberRandomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan seratpendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya. Tipe acak seringdigunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biayamanufakturnya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifatmekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenisserat yang sama.

d) Hybrid fiber compositeHybrid fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe serat lurusdengan serat acak. Pertimbangannya supaya dapat mengeliminir kekurangan sifatdari kedua tipe dan dapat menggabungkan kelebihannya.Jenis fiber yang biasa digunakan untuk pembuatan komposit antara lain sebagaiberikut :a) Fiber-glassSifat-sifat fiber-glass, yaitu sebagai berikut :1. Density cukup rendah (sekitar 2,55 g/cc)2. Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1,8 GPa)3. Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa)4. Stabilitas dimensinya baik5. Resisten terhadap panas dan dengin6. Tahan korosi7. Komposisi umum adalah 50-60% SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na,dan lain-lain.Keuntungan dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :1. Biaya murah2. Tahan korosi3. Biayanya relatif lebih rendah dari komposit lainnya4. Biasanya digunakan untuk piing, tanks, boats, alat-alat olahragaKerugian dari penggunaan fiber-glass yaitu sebagai berikut :1. Kekuatannya relatif rendah2. Elongasi tinggi3. Kekuatan dan beratnya sedang (moderate

b) Fiber-nylonSifat-sifat fiber-nylon, yaitu sebagai berikut :1. Dibuat dari polyamide2. Lebih kuat, lebih ringan, tidak getas dan tidak lebih kaku dari karbon3. Contoh merek nylon yaitu Kevlar (DuPont) dan Kwaron (Akzo)c) Fiber-carbonSifat-sifat fiber-carbon, yaitu sebagai berikut :1. Densitas karbon cukup ringan yaitu sekitar 2,3 g/cc.2. Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk sepertikristal intan.3. Mempunyai karakteristik yang ringan, kekuatan yang sangat tinggi,kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.4. Memisahkan bagian yang bukan karbon melalui proses5. Terdiri dari + 90% karbon6. Dapat dibuat bahan turunan : grafit yang kekuatannya dibawah seratkarbon

Diproduksi dari Polyacrylnitril (PAN), melalui tiga tahap proses, yaitusebagai berikut :a. Stabilisasi = Peregangan dan oksidasi.b. Karbonisasi = Pemanasan untuk mengurangi O, H, Nc. Grafitisasi = Meningkatkan modulus elastisitas d) Hybride Fiber (kombinasi dari berbagai jenis serat)1) Glass Versus Carbona) Meningkatkan shock resistence (tahan benturan)b) Meningkatkan fracture resistence (tahan patahan/ulet)c) Mengurangi biaya2) Glass Versus Nylona) Menigkatkan kekuatan tekanb) Memperbaiki pemrosesan (manufaktur)c) Mengurangi biaya3) Carbon Versus Nylona) Meningkatkan kekuatan tarikb) Meningkatkan kekuatan tekanc) Meningkatkan kekuatan pada pembengkokanc. Fiber sebagai sturktural (Structute composites)Komposit struktural dibentuk oleh reinforce- reinforce yang memiliki bentuklembaran-lembaran. Berdasarkan struktur, komposit dapat dibagi menjadi dua struktur laminate dan struktur sandwich, ilustrasi dari kedua struktur komposittersebut dapat dilihat pada Gambar 12.

LaminateLaminate adalah gabungan dari dua atau lebih lamina (satu lembar komposit denganarah serat tertentu) yang membentuk elemen struktur secara integral padakomposit. Proses pembentukan lamina ini menjadi laminate dinamakan proseslaminai. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat penguatnya searah saja(unidirectional lamina) pada umumnya tidak menguntungkan karena memiliki sifatyang buruk. Untuk itulah struktur komposit dibuat dalam bentuk laminate yangterdiri dari beberapa macam lamina atau lapisan yang diorientasikan dalam arahyang diinginkan dan digabungkan bersama sebagai sebuah unit struktur

Terdapat beberapa lamina, yaitu:a) Continous fiber laminate, lamina jenis ini mempunyai lamina penyusun denganserat yang tidak terputus hingga mencapai ujung-ujung lamina. Continous fiberlaminate terdiri dari :1. Unidirectional laminate (satu arah), yaitu bentuk laminate dengan tiaplamina mempunyai arah serat yang sama. Kekuatan terbesar dari kompositlamina ini adalah searah seratnya.2. Crossplien quasi-isotropoic (silang), lamina ini mempunyai susunan seratyang saling silang tegak lurus satu sama lain antara lamina.3. Random/woven fiber composite, lamina ini mempunyai susunan serat.b) Discontinous fiber composite, berbeda dengan jenis sebelumnya maka laminateini pada masing-masing lamina terdiri dari potongan serat pendek yang terputusdan mempunyai dua jenis yaitu :1. Short Alighned Fiber, potongan serat tersusun dalam arah tertentu, sesuaidengan keperluan setiap lamina.2. In-Plane Random Fiber, potongan serat disebarkan secara acak atau arahnyatidak teratur.2) Sandwich panelsKomposit sandwich merupakan salah satu jenis komposit struktur yang sangatpotensial untuk dikembangkan. Komposit sandwich merupakan komposit yangtersusun dari 3 lapisan yang terdiri dari flat composite (metal sheet) sebagai kulitpermukaan (skin) serta meterial inti (core) di bagian tengahnya (berada diantaranya). Core yang biasa dipakai adalah core import, seperti polyuretan (PU),polyvynil Clorida (PVC), dan honeycomb.Komposit sandwich dibuat dengan tujuanuntuk efisiensi berat yang optimal, namun mempunyai kekakuan dan kekuatan yangtinggi. Sehinggga untuk mendapatkan karakteristik tersebut, pada bagian tengahdiantara kedua skin dipasang core.Komposit sandwich merupakan jenis komposit yang sangat cocok untuk menahanbeban lentur, impak, meredam getaran dan sua

Kelebihan Bahan KompositBahan komposit mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan bahankonvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat daribeberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal, keupayaan(reliability), kebolehprosesan dan biaya. Seperti yang diuraikan dibawah ini :a. Sifat-sifat mekanikal dan fisikalPada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan pentingdalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks danserat dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuanyang lebih tinggi dari bahan konvensional seperti keluli.1. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbandingdengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalamkonteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dankekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi keduaialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebihrendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalamindustri pembuatan seperti automobile dan angkasa lepas. Ini karenaberhubungan dengan penghematan bahan bakar.

Dalam industri angkasa lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikankomponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbuktikomposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik terutamanyakomposit yang menggunakan serat karbon.3. Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah rintangan terhadap kakisa yang lemah terutama produk yang kebutuhan sehari-hari. Kecendrungankomponen logam untuk mengalami kakisan menyebabkan biaya pembuatanyang tinggi. Bahan komposit sebaiknya mempunyai rintangan terhadapkakisan yang baik.4. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdayaguna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yangdapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yangdigunakan. Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat denganmatriks untuk menghasilkan komposit hibrid.

5. Massa jenis rendah (ringan)6. Lebih kuat dan lebih ringan7. Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan8. Lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas.9. Koefisien pemuaian yang rendah10. Tahan terhadap cuaca11. Tahan terhadap korosi12. Mudah diproses (dibentuk)13. Lebih mudah disbanding metalb. BiayaFaktur biaya juga memainkan peranan yang sangat penting dalam membantuperkembangan industri komposit. Biaya yang berkaitan erat dengan penghasilansuatu produk yang seharusnya memperhitungkan beberapa aspek seperti biayabahan mentah, pemrosesan, tenaga manusia, dan sebagainya.

Kekurangan Bahan Komposita. Tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkandengan metal.b. Kurang elastisc. Lebih sulit dibentuk secara plastis