MAKALAH Material Komposit [PDF]

Citation preview

MAKALAH MATERIAL KOMPOSIT



Disusun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Kimia Material Dosen Pengampu: Irwan Nugraha, S.Si, M.Sc



Disusun Oleh: AFIFAH MUFIDATI NIM. 14630033



PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA 2017



1



KATA PENGANTAR



Alhamdulillahirabbilalamiin, puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Panyayang, karena berkat limpahan rahmat, hidayah, dan inayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan makalah dengan judul “Material Komposit”. Makalah ini penulis susun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Kimia Material. Penyusunan makalah ini mendapatkan bantuan dari berbagai pihak,oleh kare itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah berkontribusi dalam penyusunan makalah ini. Terlepas dari semua itu, walaupun telah dilakukan dengan maksimal, penulis menyadari sepenuhnya bahwa masih ada kekurangan baik dari segi susunan kalimat, tata bahasa, maupun konten atau isi dari makalah itu sendiri. Oleh karena itu penulis dengan senang hati menerima segala bentuk saran dan kritik yang membangun. Akhir kata, penulis berharap semoga makalah tentang material komposit ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan, khususnya bidang kimia material.



Yogyakarta, 7 Maret 2017



Penyusun



2



DAFTAR ISI



HALAMAN JUDUL............................................................................................... 1 KATA PENGANTAR ............................................................................................ 2 DAFTAR ISI ........................................................................................................... 3 BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 5 A.LATAR BELAKANG ............................................................................... 5 B.TUJUAN .................................................................................................... 6 C.RUMUSAN MASALAH ........................................................................... 6 BAB II PEMBAHASAN ........................................................................................ 7 A.PENGERTIAN .......................................................................................... 7 B.KOMPONEN PENYUSUN....................................................................... 7 1.Matriks ................................................................................................... 8 2.Fasa Terdispersi/Fasa Penguat/Fiber ..................................................... 8 3.Pengisi/Filler.......................................................................................... 9 C.KARAKTERISTIK .................................................................................. 10 D.KLASIFIKASI ......................................................................................... 12 1.Klasifikasi Berdasarkan Matriks .......................................................... 12 2.Klasifikasi Berdasarkan Penguat ......................................................... 18 E.SINTESIS ................................................................................................. 23 1.Close Molding Process (Pencetakan Tertutup).................................... 24 2.Open Molding Process (Pencetakan Terbuka) .................................... 26 F.APLIKASI ................................................................................................ 28 1.Bidang Luar Angkasa .......................................................................... 28



3



2.Otomotif ............................................................................................... 29 3.Olahraga ............................................................................................... 30 4.Industri pertahanan............................................................................... 30 5.Industri Arsitektur ................................................................................ 30 6.Kesehatan ............................................................................................. 31 BAB III PENUTUP .............................................................................................. 32 A.KESIMPULAN ........................................................................................ 32 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 34



4



BAB I PENDAHULUAN



A. LATAR BELAKANG Perkembangan zaman menjadikan kebutuhan manusia juga terus bertambah dan bervariasi. Hal ini menuntut manusia untuk memproduksi barang sehingga kebutuhannya dapat terpenuhi. Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, para ahli mulai menyadari bahwa hasil produksi dari material tunggal (homogen) memiliki keterbatasan baik dari sisi sifat, desain maupun kondisi pasar. Oleh karena itu, untuk mengoptimalkan nilai efisiensi terhadap suatu produk maka dimulailah suatu pengembangan terhadap material. Kebanyakan teknologi modern memerlukan bahan dengan kombinasi sifat-sifat yang luar biasa yang tidak bisa dicapai dalam keadaan tunggal oleh bahan-bahan lazim seperti logam besi, keramik, dan bahan polimer. Contohnya dalam bidang luar angkasa, perumahan, perkapalan, kendaraan dan industri pengangkutan. Bidang-bidang tersebut membutuhkan suatu materi yang ringan, kuat, kokoh, murah, tahan karat, daya tahan tinggi, viskositas yang baik, dan lain-lain agar diperoleh produk yang dapat bekerja secara maksimal. Sejatinya, sejak dahulu kala, manusia berusaha untuk menciptakan berbagai produk yang bisa memenuhi kebutuhannya, salah satunya dengan menggabungan bahan yang satu dengan bahan yang lain untuk menghasilkan suatu bahan yang diinginkan, contohnya penggunaan jerami pendek untuk menguatkan batu bata di Mesir, panah orang Mongolia yang menggabungkan kayu, otot binatang, dan sutera, serta pedang samurai Jepang yang terdiri dari banyak lapisan oksida besi yang berat dan liat. Kemajuan zaman, teknologi dan ilmu pengetahuan kini telah mendorong peningkatan dalam permintaan terhadap bahan komposit. Pengembangan material terfokus dalam komposit, karena dengan terbatasnya sumber daya (resources), material komposit diharapkan dapat meningkatkan sifat material. Dalam praktiknya, komposit terdiri dari suatu bahan utama (matriks) dan suatu jenis penguat (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan 5



kekakuan matriks. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fiber). Komposit merupakan teknologi rekayasa material yang banyak dikembangkan dewasa ini karena material komposit mampu mengabungkan beberapa sifat material yang berbeda karakteristiknya menjadi sifat yang baru dan sesuai dengan desain yang direncanakan. Tugas saintis sekarang ini adalah untuk lebih serius mengembangkan material baru dengan prinsip komposit. Oleh karena itu, dibuatlah makalah tentang Material Komposit agar dapat lebih mengenal segala sesuatu yang berhubungan dengan material komposit.



B. TUJUAN Tujuan dari pembuatan makalah ini yaitu: 1. Mengetahui apa yang dimaksud dengan material komposit 2. Mengetahui klasifikasi material komposit 3. Mengetahui karakteristik material komposit 4. Mengetahui proses pembuatan material komposit 5. Mengetahui aplikasi material komposit



C. RUMUSAN MASALAH 1. Apakah yang dimaksud dengan material komposit? 2. Bagaimana klasifikasi dari material komposit? 3. Bagaimana karakteristik dari material komposit? 4. Bagaimana proses pembuatan material komposit? 5. Apa sajakah aplikasi material komposit?



6



BAB II PEMBAHASAN



A. PENGERTIAN Komposit adalah suatu sistem material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih bahan dimana pada skala makroskopis terlihat tercampur, namun pada dasarnya tidak saling larut satu sama lain (Kaw, 2006). Prinsip dari pencampuran dalam komposit adalah dua atau lebih material berbeda dengan sifat yang paling baik atau penting pada masing-masing individu digabungkan untuk menghasilkan kombinasi sifat yang lebih baik (Callister, 1940). Masing-masing komponen penyusun komposit akan mempertahankan identitas, struktur maupun sifatnya sehingga dapat terlihat walaupun berada dalam gabungan. Material komposit biasanya memiliki sifat khas, yang berasal dari kombinasi sifat penyusunnya, seperti kekakuan, kekerasan, kekuatan, berat, sifat termal, ketahanan terhadap korosi, dimana sifat tersebut tidak dimiliki oleh komponennya secara individual (Black and Ronald, 2008). Salah satu contoh material komposit adalah baja pearlitic yang tersusun dari lapisan mikrostruktur ferrite dan cemenite yang berulang-ulang. Ferrite bersifat lunak dan ductile atau dapat dibentuk, sedangkan cementite bersifat keras dan sangat mudah patah. Pearlite memiliki sifat kuat dan dapat dibentuk, dimana sifat ini merupakan kombinasi dari sifat unggul komponen penyusunnya. Selain disintesis, material komposit juga terbentuk secara alami, salah satu contohnya adalah kayu. Kayu tersusun dari serat selulosa yang kuat dan fleksibel yang disatukan oleh suatu material kaku yang disebut dengan lignin. Selain kayu, ada juga tulang yang merupakan komposit dari protein kolagen yang kuat tetapi lunak dan mineral apatit yang keras serta mudah patah (Callister, 1940).



B. KOMPONEN PENYUSUN Material komposit kebanyakan tersusun dari dua komponen atau fasa, yaitu matriks dan fasa terdispersi/dispersion phase (Callister, 1940). Fasa terdispersi



7



disebut juga dengan fasa penguat/reinforcement phase atau serat/fiber. Komponen penyusun material komposit yang lainnya adalah pengisi/filler. 1.



Matriks Matriks bersifat kontinu dan mengelilingi fasa lain (Callister, 1940). Matriks



berfungsi untuk mengikat fasa terdispersi, melindunginya dari lingkungan sekitar dan kerusakan, serta mendistribusikan atau menyebarkan fasa terdispersi. Matriks dalam individunya biasanya memiliki sifat mekanik yang lemah bila dibandingkan dengan fiber, akan tetapi matriks mempengaruhi banyak sifat mekanik dari komposit. Material yang merupakan matriks contohnya logam, polimer, dan keramik (Kaw, 2006).



2.



Fasa Terdispersi/Fasa Penguat/Fiber Material yang merupakan fiber dapat berupa serat, butiran/partikel dan



serbuk/flake. Empat faktor dari fiber yang mempengaruhi sifat mekanik komposit dalam (Kaw, 2006) yaitu: a. Ukuran. Fiber bisa berukuran panjang atau pendek. Fiber yang berukuran panjang dan bersifat kontinu lebih mudah diproses dan diarahkan, sedangkan yang berukuran pendek tidak bisa dikendalikan sesuai keinginan. Fiber yang berukuran panjang memberikan lebih banyak manfaat dibanding yang berukuran pendek, diantaranya mempengaruhi ketahanan, tidak mudah menyusut, meningkatkan kehalusan permukaan kestabilan. Akan tetapi, fiber berukuran pendek lebih murah, mudah digunakan, tidak banyak kekurangan, dan biasanya lebih kuat. b. Orientasi/arah Fiber yang memiliki orientasi satu arah memberikan sifat yang sangat kuat dan kaku. Sedangkan bila orientasinya lebih dati satu arah seperti pada anyaman, akan memberikan sifat kuat dan kaku dibawah orientasi satu arah. Bagaimanapun juga, untuk volume fiber yang sama per unit volum komposit, tidak ada yang bisa menandingi kekuatan dan kekakuan komposit dengan fiber tidak beraturan.



8



c. Bentuk Bentuk umum fiber adalah bulat karena mudah dibentuk dan dibuat. Ada juga bentuk heksagonal dan persegi, tetapi keuntungan dari kekuatan dan penataan yang didapat tidak sebanding dengan kesulitan saat proses pembuatan dan pengegunaannya. d. Bahan Bahan fiber sangat mempengaruhi sifat mekanik dari komposit. Fiber pada umumnya diharapkan memiliki elastisitas tinggi dan kuat. Karena faktor ini dan juga karena faktor harga, material grafit, aramid, dan plastik banyak ditemukan di pasaran.



Gambar Skema representasi dari berbagai geometris dan karakteristik dari partikel dari fase tersebar atau fiber yang mungkin mempengaruhi sifat-sifat komposit: (a) konsentrasi, (b) ukuran, (c) bentuk, (d) distribusi, dan (e) orientasi (Callister, 1940).



3. Pengisi/Filler Pengisi/filler adalah komponen penyusun material komposit yang dicampur dengan matriks selama proes fabrikasi. Filler biasanya tidak digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik komposit, tetapi lebih digunakan untuk meningkatkan aspek perilaku komposit. Contohnya,



kaca berongga



mikroskopik digunakan untuk menurunkan berat, lempung atau mika



9



digunakan untuk mengurangi biaya, karbon hitam diguakan untuk melindungi radiasi ultraviolet, dan lain sebagainya. Filler benar-benar menambahkan sifat fleksbilitas pada material komposit yang dibuat (Gibson, 1994).



C.



KARAKTERISTIK Karakteristik atau sifat material komposit dipengaruhi oleh matriks dan



fiber. Faktor lain yang mempengaruhi sifat mekanik komposit adalah interface antara matriks dan fiber. Interface menentukan seberapa baik matriks dapat memberikan muatannya ke fiber. Interface dapat terbentuk karena ikatan kimia maupun ikatan mekanik (Kaw, 2006). Interaksi yang kuat antara matriks dan fiber sangat diperlukan, sehingga matriks dapat menguatkan ikatan kimia dan mekanik dengan fiber. Oleh karena itu, matriks dan fiber haruslah cocok agar tidak terjadi reaksi yang tidak diinginkan pada interface, seperti reaksi yang cenderung bermasalah pada temperatur tinggi (Gibson, 1994). Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal, keupayaan (reliability), kebolehprosesan dan biaya. Seperti yang diuraikan dibawah ini : a. Sifat-sifat mekanikal dan fisikal Pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serat dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuanyang lebih tinggi dari bahan konvensional. Berikut ini sifat mekank dan fisika dari material komposit 1) Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri



10



pembuatan seperti automobile dan angkasa lepas. Ini karena berhubungan dengan penghematan bahan bakar. 2) Dalam industri terkait luar angkasa, terdapat kecendrungan untuk menggantikan komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti komposit mempunyai ketahanan yang baik terutamanya komposit yang menggunakan serat karbon. 3) Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah ketahanan terhadap korosi yang lemah terutama produk yang dibutuhkan sehari-hari. Kecendrungan komponen logam untuk mengalami korosi menyebabkan biaya pembuatan yang tinggi. Bahan komposit mempunyai ketahanan terhadap korosi yang baik. 4) Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya guna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan. Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan matriks untuk menghasilkan komposit hibrid. 5) Massa jenis rendah (ringan) 6) Lebih kuat dan lebih ringan 7) Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan 8) Lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas. 9) Koefisien pemuaian yang rendah 10) Tahan terhadap cuaca 11) Mudah diproses atau dibentuk 12) Lebih mudah disbanding metal b. Biaya Faktor biaya juga memainkan peranan yang sangat penting dalam membantu perkembangan industri komposit. Biaya yang berkaitan erat dengan penghasilan suatu produk yang seharusnya memperhitungkan beberapa aspek seperti biaya bahan mentah, pemrosesan, tenaga manusia, dan sebagainya. Selain kelebihan, material komposit juga memiliki kekurangan, diantaranya:



11



a. Tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkan dengan logam b. Kurang elastis c. Lebih sulit dibentuk secara plastis Karakteristik material komposit juga bisa dilakukan di laboratorium, diantaraya (Wiratama, 2013): a. Karakterisasi FTIR, untuk menguji gugus fungsi senyawa komposit atau campuran. b. Uji Kuat Tarik c. Uji kekuatan lentur d. Uji Kekuatan Bentur e. Uji Daya serap air Penyerapan air oleh material komposit berpenguat serat alami akan mempengaruhi kemampuannya dalam jangka waktu yang lama dan juga penurunan ikatan interface secara perlahan, serta menurunkan sifat mekanis seperti kekuatan tariknya.



D.



KLASIFIKASI 1. Klasifikasi Berdasarkan Matriks Matriks yang biasa digunakan adalah polimer, logam, keramik, dan karbon. (Callister, 1940) a. Komposit Matriks Polimer (Polymer-Matrix Composite/PMC) Komposit jenis ini terdiri dari matriks berupa resin polimer atau polimer dengan berat molekul tinggi dan penguat berupa fiber berukuran medium(1). Polimer diklasifikasikan menjadi polimer thermoset dan thermoplastic. Polimer termoset tidak tidak larut dan tidak melebur karena susunan rantainya kaku dan berikatan dengan kuat melalui ikatan kovalen, sedangkan termoplastik dapat terbentuk di temperatur dan tekanan tinggi dan ikatannya lemah melalui ikatan van der waals. Contoh polimer termoset adalah epoxy, fenol, poliester, dan poliamida, sedangkan contoh polimer termoplastik adalah



12



polietilena, polistirena, polieter, poliketon, dan lain sebagainya Perbedaan diantara keduanya disajikan dalam tabel dibawah ini. Tabel Perbedaan Polimer Thermoset dan Thermoplastic Thermoset



Thermoplastik



Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan thermoset



Plastik yang dapat dilunakkan berulang kali (recycle) dengan menggunakan panas



Irreversible, sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali



Reversible kepada sifat aslinya yaitu menjadi keras apabila didinginkan.



Akan membentuk arang dan terurai pada pemanasan tinggi



Meleleh pada suhu tertentu



Material komposit polimer digunakan dalam berbagai macam aplikasi, terutama dalam skala besar (Callister, 1940). Hal ini dikarenakan komposit ini murah, kuat, dan mudah dibuat (Kaw, 2006). Komposit jenis ini diklasifikasikan menjadi beberapa jenis tergantung pada fasa penguat atau fibernya (kaca, karbon, dan aramid). 1) Fiber kaca (Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Composites) Fiber kaca merupakan yang fiber yang paling umum pada komposit polimer. Keuntungan dari fiber ini adalah kuat, murah, high chemical resistance, dan isolator yang baik. Kelemahannya adalah nilai modulus elastisitas yang rendah, gaya adesi yang rendah ke polimer, specific gravity yang tinggi, sensitif dengan goresan (mengurangi daya tarik) dan kurang tahan lama/fatigue (Kaw, 2006). Diameter fiber normalnya berkisar antara 3-20 μm (Callister, 1940): Berbagai jenis GFRP (Kaw, 2006): 



E-glass, jenis yang paling banyak, disebut juga fiberglass. E berarti Electrical karena digunakan untuk aplikasi elektronik.



13







S-glass,.untuk komposit dengan komponen silika yang tinggi,S berasal dari Silika. Lebih tahan lama dibanding tipe E. Banyak digunakan untuk aplikasi dunia penerbangan.







C-glass, C berasal dari kata Corrosion, diaplikasikan untuk kimia lingkungan, seperti septic tank







D-glas, D dari kata Dielectric, digunakan untuk aplikasi yang menuntut konstanta dielektrik rendah, seperti kubah radar







R-glas, digunakan untuk aplikasi Structural, seperti konstruksi







A-glas, A dari kata Appearance, digunakan untuk memperbaiki penampilan permukaan.







E-CR glas, merupakan tipe kombinasi dari Electrical dan Corrosion Resistance.



2) Fiber Karbon (Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composites) Karbon merupakan fiber dengan performa tinggi yang biasa digunakan pada komposit polimer non-fiberglass. Hal ini disebabkan karena (Callister, 1940): 



Memiliki modulus spesifik dan kekuatan spesifik teritinggi diantara fiber lain







Bisa mempertahankan modulus daya tarik dan kekuatan pada kenaikan temperatur, padahal temperatur oksidasi yang tinggi dapat menyebabkan masalah







Pada suhu ruang, tidak dipengaruhi oleh kadar air atau variasi pelarut, asam, dan basa







Proses pembuatannya murah



Fiber karbon yang dimaksud disini mungkin membingungkan, mengingat bentuk carbon kristalin yang stabil adalah grafit. Oleh



14



karena itu, pada literatur lain disebutkan bahwa karbon yang dimaksud sebagai fiber disini adalah grafit (Kaw, 2006). Fiber karbon diklasifikasikan berdasarkan modulus daya tarik (modulus tensile), yaitu standar, menengah, tinggi, dan sangat tinggi. Diameter fiber karbon berikisar antara 4-10 μm. Sebagai tambahan, biasanya fiber karbon dilapisi dengan perekat epoxy sehingga dapat meningkatkan gaya adhesi dengan matriks polimer (Callister, 1940).



3) Fiber Aramid (Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites) Fiber aramid merupakan material yang kuat dan memiliki modulus yang tinggi yang disukai karena terkenal unggul dari logam dalam sterength-to-weight ratios. Dalam kimia, kelompok material



ini



juga



dikenal



dengan



poly



(paraphenylene



terephtalamide). Aramid yang paling umum digunakan adalah Kevlar dan Nomex Aramid bersifat termoplastik, meski begitu, tahan terhadap pembakaran dan relatif stabil pada temperatur tinggi (rentang temperatur mekaniknya



dimana adalah



aramid



dapat



-200º-200ºC).



mempertahankan Secara



kimia,



sifat mudah



terdegradasi oleh asam dan basa kuat, tetapi relatif inert pada pelarut dan senyawa kimia lain (Callister, 1940).



4) Fiber lainnya Material fiber lainnya yang tidak banyak digunakan diantaranya boron, silikon karbida dan aluminum oksida.



b. Komposit Matriks Logam (Metal Matrix Composite/MMC) Matriksnya berupa logam



yang ulet, contohnya aluminum,



magnesium dan titanium. Fiber yang digunakan biasanya karbon dan silika karbida. Logam biasanya diperkuat dengan fiber untuk menguatkan atau melemahkan sifatnya, menyesuaikan kebutuhan.



15



Contohnya elastisitas kekakuan dan kekerasan logam dapat ditambah, koefisien



termal



dan



konduktivitasnya



diturunkan



dengan



penambahan fiber silika karbida (Kaw, 2006). Kelebihan MMC dibanding PMC:  Ketahanan terhadap temperatur tinggi  Lebih elastis  Tidak sensitif terhadap kelembaban  Konduktivitas termal dan listrik lebih tinggi  Lebih tahan lama dan lebih tahan terhadap kerusakan  Lebih baik saat digunakan Kekurangan MMC dibanding PMC adalah lebih mahal dan penggunaannya lebih terbatas (Callister, 1940). Pada umumnya, pembuatan MMC terdiri dari dua tahap, yakni sintesis atau penggabungan, yakni menyatukan matriks dengan fiber, dan dilanjut dengan tahap pembentukan. Proses pembuatan MMC bervariasi, salah satunya adalah difussion bonding yang digunakan untuk membuat komposit dari boron atau aluminum (Kaw, 2006).



c.



Komposit Matriks Keramik (Ceramic Matrix Composite/CMC) Matriksnya adalah keramik, seperti alumina kalsium, alumino silikat yang diperkuat dengan fiber seperti karbon,atau silika karbida. CMC memiliki keuntungan berupa siftnya yang kuat, keras, inert, batas high temperatur dan memiliki desitas rendah. Kombinasi antara matriks degan fiber membuat CMC lebih menarik untuk diaplikasikan karena memiliki sifat mekanik yang tinggi dan temperatur ekstrim yang diinginkan.



d. Komposit Matriks Karbon (Carbon-Carbon Composite/CCC) Salah satu bahan yang paling canggih dan menjanjikan adalah material komposit karbon-karbon. Sesuai dengan namanya, komposit



16



ini menggunakan karbon sebagai matriks dan fiber. Material ini relatif baru dan mahal, oleh karena itu belum digunakan secara ekstesif. Sifat yang diinginkan adalah modulus renggang dan daya tarik tinggi yang dapat bertahan hingga temperatur lebih dari 2000ºC (3630ºF), dan nilai-nilai ketangguhan fraktur relatif besar. Selain itu, komposit karbon-karbon memiliki koefisien ekspansi termal rendah dan konduktivitas termal relatif tinggi. Karakteristik ini, ditambah dengan kekuatan yang tinggi, sehingga relatif menimbulkan kerentanan rendah terhadap kejut termal. Kelemahan utama CCC adalah kecenderungan untuk teroksidasi pada temperatur tinggi (Callister, 1940).



e. Komposit Hibrida (Hybrid Composite) Merupakan komposit yang relatif baru, dimana diperoleh dengan menggunakan dua atau lebih fiber yang berbeda pada satu matriks. Komposit hibrida memiliki kombinasi sifat yang lebih baik bila dibandingkan dengan komposit dengan satu jenis fiber. Berbagai kombinasi fiber dan matriks telah digunakan, namun yang paling banyak digunakan adalah fiber karbon dan kaca untuk memperkuat matriks polimer resin. Fiber karbon memberikan sifat kuat, relatif kaku dan densitas rendah, tetapi harganya mahal. Campuran klacakarbon lebih kuat dan keras, memiliki ketahanan yang lebih tinggi, dan biaya produksinya lebih murah Ada sejumlah cara untuk mengombinasikan dua fiber yang berbeda, dimana akan mempengaruhi sifat keseluruhan. Sebagai contoh, serat dapat dicampur satu sama lain; atau laminations (dibuat lapisan), dimana bergantian antara fiber yang satu dengan yang lain. Hampir semua hibrida bersifat anisotropik. Aplikasi utama komposit hibrida adalah struktur komponen untuk transportasi darat, air, dan udara yang ringan, peralatan olahraga, dan komponen ortopedi yang ringan (Callister, 1940).



17



2. Klasifikasi Berdasarkan Penguat



Gambar Klasifikasi material komposit berdasarkan penguatnya Sumber: (Callister, 1940). Berdasarkan geometri penguatnya, material komposit dibagi menjadi material komposit dengan penguat partikel, serat/fiber, serta material komposit hasil penggabungan.



a. Material Komposit dengan Penguat Partikel Material ini tersusun dari partikel yang terbenam dalam matriks seperti alloy logam dan keramik. Material ini biasanya bersifat isotropis karena partikelnya ditambahkan secara acak. Komposisi partikel memiliki keuntungan, diantaranya untuk meningkatakan kekuatan, menambah temperatur opeasi, ketahanan terhadap oksidasi. Contohnya adalah partikel alumunium pada karet, serta kerikil, pasir dan semen pada pembuatan beton (Kaw, 2006)



18



Material komposit dengan penguat partikel memiliki dua subklasifikasi, yaitu partikel lebar dan partikel kuat tersebar. Perbedaan



mendasar



diantara



keduanya



adalah



mekanisme



penguatannya. Partikel lebar digunakan untuk mengindikasikan interaksi partikel-matriks tidak diamati pada level atom dan molekul, biasanya digunakan teori mekanika kuantum. Diameter partikelnya antara 20-50 nm. Contoh dari large-particle adalah cermet yang merupakan camputan logam-keramik. Selain itu, ada juga beton dimana matriks dan fiber nya keramik. Partikel kuat tersebar ukuran partikelnya lebih kecil, dengan diameter antara 0,01 – 0,1 μm (10 -100 nm). Interaksi antara partikelmatriks terjadi di level atom dan molekul. Mekanisme adalah matriks memikul sebagian besar muatan, partikel kecil yang tersebar menghalangi perpindahan atau dislokasi (Callister, 1940).



b. Material Komposit dengan Penguat Serat/fiber Komposit serat merupakan jenis komposit yang menggunakan serat sebagai penguat. Serat yang digunakan biasanya berupa serat gelas, serat karbon, serat aramid dan sebagainya. Serat ini bisa disusun secara acak maupun denganorientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman. Bila peningkatan kekuatan menjadi tujuan utama, komponen penguat harus mempunyai rasio aspek yang besar, yaitu rasio panjang terhadap diameter harus tinggi, agar beban ditransfer melewati titik dimana mungkin terjadi perpatahan (Vlack, 2004). Tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban sampai beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi daripada matrik penyusun komposit (Vlack 1985).



19



Komposit serat ada dua macam, yaitu serat pendek(short fibe ratau whisker) dan serat panjang(continous fiber) 1) Komposit serat pendek (short fiber composite) Berdasarkan arah orientasi material komposit yang diperkuat dengan serat pendek dapat dibagi lagi menjadi dua bagian yaitu serat acak (inplane random orientation) dan serat satu arah. Tipe serat acak sering digunakan pada produksi dengan volume besar karena faktor biaya pembuatannya yang lebih murah. Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang sama. Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi : 1) Aligned discontinuous fiber 2) Off-axis aligned discontinuous fiber 3) Randomly oriented discontinuous fiber Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara matriksnya.



2) Komposit serat panjang (long fiber composite) Keistimewaan komposit serat panjang adalah lebih mudah diorientasikan, jika dibandingkan dengan serat pendek. Secara teoritis serat panjang dapat menyalurkan pembebanan atau tegangan dari suatu titik pemakaiannya. Perbedaan serat panjang dan serat pendek yaitu serat pendek dibebani secara tidak langsung atau kelemahan matrik akan menentukan sifat dari produk komposit



20



tersebut yakni jauh lebih kecil dibandingkan dengan 9 besaran yang terdapat pada serat panjang yang rendah agar masalah dispersi dapat dikurangi dan untuk menghemat jumlah serat penguat. Serat yang sangat kuat akan memaksimalkan pembagi dan tentunya sangat membantu. Jadi suatu matrik dengan kecenderungan pengerasan regangan kuat memerlukan fraksi volume serat yang relative banyak (Smallman, 2000). c. Material Komposit Hasil Penggabungan Komponen Komposit gabungan atau struktural dibentuk oleh lembaran-lembaran material komposit, dimana sifatnya tidak hanya bergantung pada sifat komponen penyusun material komposit, namun juga pada bentuk geometri dari elemen-elemen struktur. 1) Laminate Laminate adalah gabungan dari dua atau lebih lamina (satu lembar komposit dengan arah serat tertentu) yang membentuk elemen struktur secara integral pada komposit. Proses pembentukan lamina menjadi laminate dinamakan proses laminasi. Sebagai elemen sebuah struktur, lamina yang serat penguatnya searah saja (unidirectional lamina) pada umumnya tidak menguntungkan karena memiliki sifat yang buruk. Untuk itulah struktur komposit dibuat dalam bentuk laminate yang terdiri dari beberapa macam lamina atau lapisan yang diorientasikan dalam arah yang diinginkan dan digabungkan bersama sebagai sebuah unit struktur.



21



Lamina



Laminate



Gambar Proses Laminasi



2) Sandwich Panels Sandwich panel didesain untuk menjadi balok atau panel ringan yang memiliki kekakuan dan kekuatan relatif tinggi. Sebuah sandwich panel terdiri dari dua lembar lapisan luar/outer, atau permukaan, yang dipisahkan dan terikat secara adhesive pada inti tebal/core. Lembaran luar terbuat dari bahan yang relatif kaku dan kuat, biasanya aluminium alloy, plastik diperkuat, titanium, baja, atau kayu lapis; yang memberikan kekakuan dan kekuatan yang tinggi untuk struktur. Lembaran luar harus tebal agar cukup untuk menahan tarikan dan tekanan yang dihasilkan oleh muatan. Materi inti idealnya ringan, dan biasanya memiliki modulus elastisitas rendah. Bahan inti biasanya dibagi dalam tiga kategori: polimer berbusa yang kaku (yaitu, phenolic, epoxy, poliuretan), kayu (yaitu, kayu balsa), dan sarang lebah. Secara struktural, inti memiliki beberapa fungsi. Pertama, menyokong lembaran luar secara kontinu. Selain itu, ia harus memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan geseran melintang,



22



dan juga harus harus tebal sehingga kaku untuk menjaga panel agar tidak menekuk. Tarikan dan tekanan pada inti jauh lebih rendah daripada di lapisan luar. Sandwich panel yang digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk atap, lantai, dan dinding bangunan; dan, dalam dunia penerbangan, seperti untuk sayap, badan, dan ekor pesawat (Callister, 1940).



Gambar Struktur Komposit Sandwich Panel (Callister, 1940)



E. SINTESIS Material komposit dapat diproduksi dengan berbagai macam metode proses pabrikasi. Metode-metode pabrikasi ini disesuaikan dengan jenis matriks penyusun komposit dan bentuk material komposit yang diinginkan sesuai aplikasi selanjutnya, antara lain (Schwartz,1984) (Hull, 1981):



23



1.



Close Molding Process (Pencetakan Tertutup) Beberapa jenis metode pabrikasi komposit dengan metode pencetakan tertutup



antara lain (Schwartz,1984) (Hull, 1981): a.



Compression molding Metode ini menggunakan cetakan yang ditekan pada tekanan tinggi sampai mencapai 1000 psi. Di awali dengan mengalirkan resin dan reinforcement dengan viskositas yang tinggi ke dalam cetakan dengan suhu 330 - 400oF, kemudian mold ditutup dan penekanan terhadap material komposit tersebut, sehingga terjadi perubahan kimia yang menyebabkan mengerasnya material komposit secara permanen mengikuti bentuk cetakan.



b. Pultrusion Pada metode ini pembentukan material komposit yang menggabungkan antara resin dan fiber berlangsung secara kontinu. Proses pultrusi digunakan pada pabrikasi komposit yang berprofil penampang lintang tetap, seperti pada berbagai macam rods, bar section, ladder side rails, tool handles dan komponen elektrikal kabel. Reinforcement yang digunakan seperti roving, mat diletakkan pada tempat yang khusus dengan menggunakan performing shapers atau guides untuk membentuk karakteristiknya. Proses penguatan dilakukan melalui resin bath atau wet out, yaitu tempat material diselubungi dengan cairan resin. Adanya panas akan mengaktifkan sistem curing sehingga akan mengubah fasa resin menjadi padat.



Gambar Skema proses Pultrusion (Callister, 1940)



c. Resin Transfer Molding (RTM) Pada proses ini resin ditransfer atau diinjeksikan ke dalam suatu tempat yang berisi fiberglass reinforcement. Metode ini termasuk closed mold process



24



dimana reinforcement diletakkan di antara dua permukaan cetakan yang terdiri dari dua bagian yang satu disebut bagian female dan yang lainnya disebut male. Pasangan cetakan tersebut lalu ditutup, diberi klem, lalu resin termoset berviskositas rendah diinjeksikan pada tekanan 50 - 100 psi ke dalam lubang cetakan melalui port injeksi. Resin diinjeksikan sampai memenuhi seluruh rongga cetakan hingga meresap dan membasahi seluruh material reinforcement. d. Vacuum Bag Molding Metode ini merupakan pengembangan metode close mold yang bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik dengan cara meminimalisasi jumlah udara yang terperangkap dalam proses pembuatannya. Selain itu dengan berkurangnya tekanan di dalam vacuum bag molding maka tekanan udara atmosferik dari luar akan digunakan sebagai gaya untuk menghilangkan kelebihan resin yang ada dalam laminasi sehingga menghasilkan kandungan fiber reinforcement yang tinggi. Bentuk cetakan yang digunakan disesuaikan dengan bentuk produk yang ingin dibuat. e. Wet Lay-Up Metode ini reinforcement digabungkan dengan menggunakan tangan seperti metode hand lay-up untuk kemudian ditaruh ke dalam cetakan vacuum bag untuk mempercepat proses laminasi dan menghilangkan udara yang terperangkap yang dapat menimbulkan adanya void dalam produk komposit yang dicetak. f. Prepreg Metode ini merupakan metode advance dalam pembuatan komposit dengan adanya pemanasan atau cetakan yang diletakan pada autoclave setelah campuran komposit dimasukkan. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan gaya tekan dari luar. Teknik menggunakan prepreg-vacuum bag-autoclave banyak dimanfaatkan untuk pembuatan peralatan pesawat terbang dan perlengkapan militer.



25



Gambar Ilustrasi produksi prepeg tape mengguakan polimer termoset (Callister, 1940)



g. Vacuum Infusion Processing Metode ini adalah variasi dari vacuum bag molding dimana resin yang dituang dalam ruang hampa masuk ke dalam cetakan dan membentuk laminasi. Pada metode ini tekanan dalam rongga cetakan lebih rendah dibandingkan tekanan atmosferik udara. Setelah cetakan dipenuhi resin kemudian dilapisi dengan fiber reinforcement dapat menggunakan tangan yang disebut dengan istilah lay-up dry, kemudian resin diinfusikan kembali ke dalam cetakan untuk menyempurnakan sistem laminasi komposit sehingga tidak terdapat ruang untuk kelebihan resin. Rasio resin yang sangat tinggi terhadap fiber glass yang digunakan memungkinkan penggunaan metode vacuum Infusion yang menghasilkan sifat mekanik sistem laminasi yang sangat baik. Vacuum Infusion Processing dapat digunakan untuk pencetakan dengan struktur yang besar dan tidak dianjurkan untuk proses dengan volume yang rendah.



2. Open Molding Process (Pencetakan Terbuka) Beberapa metode pabrikasi komposit dengan pencetakan terbuka antara lain (Schwartz,1984) (Hull, 1981): 1. Chopped Laminate Process Proses ini menggunakan alat pemotong fiber yang biasanya serat panjang membentuk serat menjadi lebih pendek.



26



a. Atomized Spray-Up, pada teknik pabrikasinya sistem pada metode ini tidak kontinu, biasanya digunakan untuk membuat material komposit dengan ukuran yang lebih kecil. b. Non Atomized Application, untuk metode ini pada pengaplikasiannya menggunakan mesin potong fiber, pelaminasi resin dan tekanan dari roller yang berjalan kontinu. Metode ini lebih menguntungkan bila digunakan untuk pabrikasi material komposit yang berdimensi besar mengingat prosesnya yang kontinu. 2. Filament Winding Process Proses ini melalui metode yang memanfaatkan sistem gulungan benang pada sebuah sumbu putar. Serat komposit dibuat dalam bentuk benang digulung pada sebuah mandril yang dibentuk sesuai dengan bentuk rancangan benda teknik, misalnya berbentuk tabung, kemudian resin yang berfungsi



sebagai



matriks



dituangkan



bersamaan



dengan



proses



penggulungan serat tersebut, sehingga keduanya merekat dan saling mengikat antara satu lapisan gulungan dengan gulungan berikutnya, sampai membentuk benda teknik yang direncanakan.



Gambar Skema dari teknik helical, circumental, dan polar winding (Callister, 1940)



3. Hand Lay-Up Process



27



Proses ini dilakukan pada suhu ruangan dan dengan memanfaatkan keterampilan tangan. Serat bahan komposit ditata sedemikian rupa mengikuti bentuk cetakan atau mandril, kemudian dituangkan resin sebagai pengikat antara satu lapisan serat dengan lapisan yang lain. Demikian seterusnya, sehingga sesuai dengan ukuran dan bentuk yang telah ditentukan. Ada dua cara aplikasi resin yaitu: a. Manual Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan fiber dilakukan secara manual dengan tangan. b. Mechanical Resin Application, proses pengaplikasian antara resin dan fiber menggunakan bantuan mesin dan berlangsung secara kontinu.



Gambar Metode Hand Lay up (Gibson, 1994)



F. APLIKASI Material komposit sekarang ini banyak sekali diaplikasikan dalam berbagai bidang kehidupan, mulai dari otomotif, luar angkasa, militer, kelautan, arsitektur, peralatan olahraga, dan masih banyak lagi (Gibson, 1994) 1. Bidang Luar Angkasa Material komposit digunakan sebagai komponen penyusun pesawat terbang, baling-baling helikopter,



28



(Kaw, 2006). 2. Otomotif Material komposit dapat digunakan dalam berbagai macam aplikasi.dapat digunakan dalam sektor aksesoris otomotif, beberapa diantaranya kaca spion, pengisi jok mobil, bamper mobil, dll. Dalam proses pabrikasi aksesoris tersebut biasanya menggunakan metode hand lay up (Chandramohan and Bharanichandar, 2013)



29



Gambar Desain stuktur body mobil Ford Taurus “Tub” (Gibson, 1994)



3.



Olahraga



Material komposit sering digunakan pada perlatan olahraga untuk menambah performa ringan-kuat, kekakuan, juga model yang lebih menarik. Gambar diatas memperlihatkan aplikasi material komposit untuk papan snowboard (kiri) dan juga untuk peralatan memancing, water ski, dan raket tenis (kanan) (Black and Ronald, 2008).



4.



Industri pertahanan Material komposit digunakan sebagai komponen jet tempur, peluru, komponen



kapal selam. 5. Industri Arsitektur Material komposit digunakan sebagai bahan pembangunan jembatan, terowongan, rumah, septic tank.



30



6. Kesehatan Material komposit dapat digunakan untuk membuat kaki palsu, serta sambungan sendri pada pinggang.



Militer Amerika Serikat adalah pihak yang pertama kali mengembangkan dan memakai bahan komposit. Pesawat AV-8D mempunyai kandungan bahan komposit 27% dalam struktur rangka pesawat pawa awal tahu 1980-an. Penggunaan bahan komposit dalam skala besar pertama kali terjadi pada tahun 1985. Ketika itu Airbus A320 pertama kali terbang dengan stabiliser horisontal dan vertikal yang terbuat dari bahan komposit. Airbus telah menggunakan komposit sampai dengan 15% dari berat total rangka pesawat untuk seri A320, A330 dan A340 (Gibson, 1994)



31



BAB III PENUTUP



A. KESIMPULAN Berdasarkan uraian materi pada makalah, dapat disimpulkan bahwa: 1.



Material komposit adalah suatu sistem material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih bahan dimana pada skala makroskopis terlihat tercampur, namun pada dasarnya tidak saling larut satu sama lain. Prinsip dari pencampuran dalam komposit adalah dua atau lebih material berbeda dengan sifat yang paling baik atau penting pada masing-masing individu digabungkan untuk menghasilkan kombinasi sifat yang lebih baik.



2. Material diklasifikasikan berdasarkan matriks dan penguat/fiber nya. Berdasarkan matriksnya, material komposit dibagi menjadi lima jenis, yaitu: Komposit Matriks Polimer (Polymer-Matrix Composite/PMC), Komposit Matriks Logam (Metal Matrix Composite/MMC), Komposit Matriks Keramik (Ceramic Matrix Composite/CMC), Komposit Matriks Karbon (Carbon-Carbon Composite/CCC), dan Komposit Hibrida (Hybrid Composite). Sedangkan berdasrkan penguat atau fiber, material komposit dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Komposit dengan Penguat Partikel, Komposit dengan Penguat Serat/Fiber, dan yang terakhir Komposit Struktural. 3. Karateristik atau sifat material komposit dipengaruhi oleh sifat dari matriks, penguat/fiber dan juga interaksi antara matriks-fiber. Beberapa sifat yang menguntungkan dari material komposit, antara lain mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional, ketahanan yang baik, tahan terhadap korosi, berdaya guna, massa jenis rendah (ringan), lebih kuat lebih ringan, perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan, lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas, koefisien pemuaian yang rendah, tahan terhadap cuaca, mudah diproses atau dibentuk, lebih mudah dibanding logam. Disamping memiliki 32



kelebihan, material komposit juga memiliki sisi negatif, diantaranya tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkan dengan logam, kurang elastis, dan lebih sulit dibentuk secara plastis. 4. Material komposit secara umum dapat diproduksi dengan berbagai macam metode proses pabrikasi yang disesuaikan dengan jenis matriks penyusun komposit dan bentuk material komposit yang diinginkan sesuai aplikasi selanjutnya. Dua metode umum yang dapat dilakukan adalah Close Molding Process (Pencetakan Tertutup)



dan Open Molding Process



(Pencetakan Terbuka). Jenis-jenis metode yang termasuk dalam Close Molding Process (Pencetakan Tertutup) antara lain compression molding, pultrusion, Resin Transfer Molding (RTM) , Vacuum Bag Molding, Wet Lay-Up, Prepreg, dan Vacuum Infusion Processing. Sementara yang termasuk ke dalam metode Open Molding Process (Pencetakan Terbuka) adalah Chopped Laminate Process , Filament Winding Process, dan yang terakhir Hand Lay-Up Process.



5.



Material komposit memiliki banyak sekali aplikasi dalam berbagai bidang kehidupan. Contohnya, di bidang otomotif, material komposit digunakan sebagai komponen pembuatan body mobil, dibidang pertahanan material komposit digunakan sebagai komponen pembuatan pesawat terbang, jet tempur,



peluru.



Dibidang



arsitektur,



digunakan



sebagai



bahan



pembangunan jembatan, terowongan, rumah, dan masih banyak lagi.



33



DAFTAR PUSTAKA



Black, J. T and Ronald A. Kohser. 2008. DeGarmo’s Materials and Processes in Manufacturing Tenth Edition. United States: John Wiley and Sons Inc. Callister, William D. 1940. Material Science and Engineering: An Introduction 7th Edition. United States: John Wiley and Sons Inc. Chandramohan, D. and Bharanichandar, J. “Natural Fiber Reinforced Polymer Composites For Automobile Accessories” American Journal of Environmental Science Vol. 9 (6), 2013, Hal. 494 – 504 Hull, D. 1981. An Introduction to Composite Material. New York: University of Cambridge.



Gibson, Ronald F. 1994. Principle of Composite Materials Mechanics. United States: McGraw-Hill Kaw, Autar K. 2006. Mechanics of Composite Materials Second Edition. New York: Taylor and Francis. Schwartz, M.M. 1984. Composite Materials Handbook. New York: McGraw-Hill Inc.



Smallman, R. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material (Edisi keenam). Jakarta: Erlangga. Vlack, L. H. 1985.Ilmu dan Teknologi Bahan. Jakarta: Erlangga. Vlack, L. H. 2004. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga. Wiratama, Fachri. 2013. Pengaruh Panjang dan Komposisi Serat Terhadap Komposit Epoksi Berpengisi Serat Daun Nanas. Skripsi. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.



34