Dasar Dasar KomPosit [PDF]

Citation preview

MATERIAL TEKNIK



• • • • •



AHMAD AWALUDIN AULIAN SAMRI DELPANRO SITANGGANG RUDY HAMONANGAN SIHALOHO MUHAMMAD ALHAFIZ HRP



MATERIAL TEKNIK Alasan mengapa kita perlu untuk belajar material adalah agar kita dapat memilih material yang tepat diantara banyaknya macam material yang ada. Secara mendasar terdapat beberapa kriteria untuk menentukan keputusan akhir dalam memilih



Klasifikasi Material • Material dapat dikelompokkan dengan berbagai cara, salah satunya didasarkan pada ikatan atom dan struktur. Berdasarkan cara ini material dapat diklasifikasikan menjadi logam, polimer, dan keramik. Sebagai penambahan, terdapat dua kelompok material yang cukup penting dalam rekayasa material yaitu komposit dan



MATERIAL KOMPOSIT • APA YANG DIMAKSUD DENGAN KOMPOSIT..?! • APA KEUNGGULAN KOMPOSIT..?! • APA SAJA JENIS – JENIS KOMPOSIT ITU..?! • KLASIFIKASI KOMPOSIT BERDASARKAN MATRIK.



FIBER



KOMPOSIT Komposit (Bahan komposit) adalah percampuran atau peggabungan suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya menjadi suatu produk atau material yang lebih baik.



Keunggulan Material Bahan komposit memiliki Komposit banyak keunggulan, diantaranya : • • • •



berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung



PENERAPAN KOMPOSIT • Bahan komposit sudah menemukan penerapan-penerapan lebih luas yang terus meningkat di dalam pesawat terbang, ruang kendaraan, struktur-struktur lepas pantai, perpipaan, elektronika, mobil-mobil, perahu-perahu, dan barang-barang olahraga.



Penerapan bahan komposit yang dikedepankan di pesawat terbang.



JENIS-JENIS KOMPOSIT 1.  Material komposit serat, yaitu komposit yang terdiri dari serat dan bahan dasar yang diproduksi secara fabrikasi, misalnya serat + resin sebagai bahan perekat, sebagai contoh adalah FRP (Fiber Reinforce Plastic) plastik diperkuat dengan serat dan banyak digunakan, yang sering disebut fiber glass. 2.    Komposit lapis (laminated composite), yaitu komposit yang terdiri dari lapisan dan bahan penguat, contohnya polywood,  laminated glass yang sering digunakan sebagai bahan bangunan dan kelengkapannya. 3. Komposit partikel (particulate composite), yaitu komposit yang terdiri dari partikel dan bahan penguat seperti butiran (batu dan pasir) yang diperkuat dengan semen yang sering kita jumpai sebagai betin.



Klasifikasi Komposit Berdasarkan Matrik Matriks di dalam plastik diperkuat mempunyai tiga fungsi pokok:



• Dukung serat-serat pada tempatnya dan memindahkan menekankan kepada mereka selagi mereka membawa kebanyakan dari beban. • Lindungi serat-serat terhadap kerusakan secara fisik dan lingkungan. • Kurangi pembiakan retak-retak di dalam komposisi berdasarkan atas semakin besar keuletan dan kekenyalan dari acuan/matriks plastik.



Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar yaitu:



Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC) Jenis polimer yang banyak digunakan • Thermoplastic Thermoplastic adalah plastic yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas. Thermoplastic merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. • Thermoset Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversibel). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali.



Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)



Matrik pada MMC : 1) Mempunyai keuletan yang tinggi 2) Mempunyai titik lebur yang rendah Matrix densitas composites adalah salah satu 3) Metal Mempunyai yang rendah jenis komposit yang memiliki matrik logam. Contoh : Almunium beserta paduannya, Titanium beserta paduannya, Magnesium beserta paduannya.



KELEBIHAN DAN KERUGIAN • • • • • • • •



Kelebihan MMC dibandingkan dengan PMC : 1) Transfer tegangan dan regangan yang baik. 2) Ketahanan terhadap temperature tinggi 3) Tidak menyerap kelembapan. 4) Tidak mudah terbakar. 5) Kekuatan tekan dan geser yang baik. 6) Ketahanan aus dan muai termal yang lebih baik Kekurangan MMC : 1) Biayanya mahal 2) Standarisasi material dan proses yang sedikit



Contoh dari suku cadang komposit matriks logam.



Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)



• Komposisi-komposisi matriks keramik (CMC) bersifat penting oleh karena hambatan mereka kepada suhu-suhu yang tinggi dan lingkungan-lingkungan korosif. Sebagaimana digambarkan dalam Section 83, keramik bersifat kaku dan kuat, mereka membalas suhu-suhu tinggi, hanya mereka secara umum kekurangan kekenyalan.



Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC) •



• • • •



CMC merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement yang umum digunakan pada CMC adalah oksida, carbide, dan nitrid. Matrik yang sering digunakan pada CMC adalah : 1) Gelas anorganic. 2) Keramik gelas 3) Alumina 4) Silikon Nitrida



KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN • • • • • •



• • •



Keuntungan dari CMC : 1) Dimensinya stabil bahkan lebih stabil daripada logam 2) Sangat tangguh , bahkan hampir sama dengan ketangguhan dari cast iron 3) Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus 4) Unsur kimianya stabil pada temperature tinggi 5) Tahan pada temperatur tinggi 6) Kekuatan & ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi. Kerugian dari CMC : 1) Sulit untuk diproduksi dalam jumlah besar 2) Relative mahal dan non-cot effective 3) Hanya untuk aplikasi tertentu



SEMIKONDUKTOr



Pengertian Semikonduktor • Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.



Prinsip dasar tentang semikonduktor • Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan sebuah IC (integrated circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. • Bahan- bahan  logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. • Pada suhu kamar, elektron tersebut dapat bebas bergerak atau berpindah-pindah dari satu nucleus ke nucleus lainnya.  Jika diberi tegangan potensial listrik, elektron-elektron  tersebut dengan mudah berpindah ke arah potensial yang sama. Phenomena ini yang dinamakan sebagai arus listrik. • Dapat ditebak, semikonduktor adalah unsur yang susunan atomnya memiliki elektron valensi lebih dari 1 dan kurang dari 8. Tentu saja yang paling “semikonduktor” adalah unsur yang atomnya memiliki 4 elektron valensi.



Struktur atom semikonduktor • Dalam struktur atom,proton dan neutron membentuk inti atom yang bermuatan positip dan sedangkan elektron-elektron yang bermuatan negatip mengelilingi inti. Elektron-elektron ini tersusun berlapis-lapis. Struktur atom dengan model Bohr dari bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah silikon dan germanium.  



Gambar 1. Struktur Atom (a) Silikon; (b) Germanium



Jenis jenis semikonduktor 1. Semikonduktor Intrinsik • Semi konduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum mengalami penyisipan oleh atom akseptor atau atom donor. Pada suhu tinggi elektron valensi dapat berpindah menuju pita konduksi, dengan menciptakan hole pada pita valensi. Pengahantar listrik pada semikonduktor adalah elektron dan hole.



Gb. struktur pita untuk (a). bahan isolator  (b). bahan semikonduktor   (c). bahan isolator



Semikonduktor Tipe-p •



•



•



Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi 4, didoping dengan atom yang bervalensi 3, maka pada pencampuran ini akan terjadi kekurangan elektron atau akan terdapat lubang (hole). Seperti halnya pada N-type semi konduktor, maka doping ini dilakukan dengan pemanasan, sehingga setiap atom dapat menyesuaikan dirinya dengan baik dan akan membentuk kristal. Dengan adanya hole (kekurangan elektron), maka hole ini akan menarik elektron dari atom yang berdekatan dan selanjutnya atom yang telah  kehilangan elektron tersebut akan menjadi lubang. Dengan demikian maka hole dapat berganti-ganti, seakan-akan merupakan muatan listrik positif yang sedang bergerak. Atom yang menyebabkan timbulnya hole dalam susunan kristal disebut atom acceptor, dan jenis bahannya dinamakan P-type semi konduktor. Ada dua pembawa muatan pada P-type semi konduktor , yaitu: 1.      Hole sebagai majority carrier



2. Semikonduktor Ekstrinsik • Semikondutor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing.



Tujuan doping adalah meningkatkan konduktivitas semikonduktor, dan memperoleh semikonduktor dengan hanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja. Perbandingan doping :  Atom dopant : Atom murni = 1 : 106 s.d. 108



Semikonduktor Tipe-n • Apabila atom semi konduktor intrinsik yang bervalensi empat didoping dengan atom lain yang valensinya lebih tinggi (misalnya valensi 5), maka molekul bahan campuran tersebut akan mengalami kelebihan satu elektron, selanjutnya elektron ini merupakan elektron bebas. • Dengan adanya kelebihan elektron, maka akan memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah ber-eksitasi ke pita valensi. Jadi pada N-type semi konduktor akan terjadi level energi baru yang disebut energy level donor (Ed), dimana pada level ini berisi penuh dengan elektron, sehingga apabila ada elektron berpindah ke pita valensi, maka elekatron ini akan meninggalkan muatan positif pada level donor. Akibatnya pada atom bervalensi 5 terkumpul muatan positif



Cara membuat bahan semi konduktor menjadi tipe P dan N • 1.misalkan kita ambil Ge yang punya valensi 4 terus kita ambil atom yang punya elektron valensi 3 sehingga 4+3= menjadi bahan type P karena si pencampur kurang elektron 1.



•   2.misalkan kita ambil Ge yang punya valensi 4 terus kita ambil atom yang punya elektron valensi 5 sehingga 4+5=



Perbedaan semikonduktor ekstrinsik tipe-P dan tipe-N •



  •



Tipe-N Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron  membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. Semikonduktor jenis-n → jika bertemu pengotor dari golongan VA, electron sebagai pembawa mayoritas. Ada electron donor yang dekat dengan pita konduksi (di bawah sedikit). Tipe-P Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah  bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang  memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.  Semikonduktor jenis-p → jika bertemu pengotor dari golongan IIIA, lubang



•



•



•



Bahan-bahan semikonduktor



  A. Germanium Germanium merupakan salah satu bahan semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium diperoleh sebagai serbuk berwarna kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan mereduksi germanium oksida. Selain itu juga dapat diperoleh dari pemurnian Kadmium dan seng. Germanium adalah bahan semi konduktor yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti karbon atau silikon. Silikon Silikon (Si) tidak ditemukan dalam bentuk aslinya, akan tetapi ditemukan dalam bentuk silika yang direduksi dengan kokas dan kemudian dimurnikan dengan converter, menghasilkan SiO   atau SiHCl, atau dengan proses didestilasi berulang-ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH. Sifat-sifat silikon : ·         Mempunyai mobilitas yang tinggi ·         Konstanta dielektriknya kecil ·         Konduktivitas termis yang besar ·         Disipasi panas yang baik. ·         Impurity ionization energy yang sangat kecil



ISTILAH-ISTILAH DALAM SEMIKONDUKTOR • Doping: Memasukan bahan semikonduktor lain yang bervalensi 3 atau 5 kedalam Germanium atau Silicon yang bervalensi 4 • Donor: Bahan yang digunakan untuk doping • Akseptor: Bahan semikonduktor yang menerima doping



Sekian dan terimakasih... Assalamualaikum wr.wb