Material Komposit
-
Upload
browniezboy -
Category
Documents
-
view
101 -
download
12
description
Transcript of Material Komposit
2-1
MATERIAL KOMPOSIT
2.1 Pengantar material komposit
Material komposit juga dapat didefinisikan sebagai suatu campuran antara
matriks/resin (bahan pengikat) dan serat (fiber) sebagai bahan penguatnya, dan
campuran ini bersifat makroskopis.Kata kunci disini adalah makroskopis.ini berbeda
dengan paduan atau alloy, yang penggabungan unsur-unsurnya dilakukan secara
makroskopis pada bahan komposit, sifat-sifat unsur pembentuknya masih terlihat
jelas, sedangkan pada paduan sudah tidak tampak lagi secara nyata.Keunggulan bahan
komposit disini adalah penggabungan sifat-sifat unggul masing-masing unsur
pembentuknya tersebut.
Unsur utama bahan komposit adalah serat. Serat inilah yang terutama
menentukan karakteristik bahan komposit,seperti : kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat
mekanik lain. Serat lah yang menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada
bahan komposit.Sedangkan matriks bertugas melindungi dan mengikat serat agar
dapat bekerja dengan baik.
Agar dapat menghasilkan sifat-sifat mekanik yang unggul, serat harus
memiliki kekuatan dan modulus elastisitas yang tinggi, sedangkan matriks harus ulet
dan tidak bereaksi terhadap serat. Serat dengan modulus elastisitas yang tinggi
mampu menahan beban yang cukup besar, sedangkan matriks berfungsi sebagai
penerus beban kepada serat dan melindungi serat dari kerusakan permukaan.
Kekuatan dan kekakuan dari material komposit menjadi berarti ketika
perpanjangannya (elongation) hingga terjadi perpatahan (fracture), lebih rendah dari
logam untuk harga kekuatan yang sebanding atau sama.
2-2
Keuntungan-keuntungan dari material komposit terlihat ketika modulus
elastisitas persatuan beratnya diperhitungkan. Menaikan harga modulus spesifik dan
kekuatan spesifik pada material komposit adalah cara untuk menurunkan berat
komponen. Hal ini merupakan unsur penting, terutama pada sarana transportasi yang
memiliki kecepatan yang tinggi, seperti pada badan pesawat terbang, dimana
penurunan berat material merupakan peningkatan efisiensi dan penghematan energi.
2.2 Klasifikasi Komposit
Bahan komposit dapat di klasifikasikan ke dalam beberapa jenis, tergantung
pada geometri dan jenis seratnya. Hal ini dapat dimengerti, karena serat merupakan
unsur utama dalam material komposit. Sifat-sifat mekanik bahan komposit , seperti
kekuatan, kekakuan keliatan dan ketahanan tergantung dari geometri dan sifat-sifat
seratnya
Secara garis besar, bahan komposit terdiri dari dua macam, yaitu bahan
komposit partikel (particulate composite) dan bahan komposit serat Composite).
Bahan komposit partikel terdiri dari partikel-partikel yang diikat oleh matriks. Bentuk
partikel ini dapat bermacam-macam, seperti bulat, kubik, tetragonal atau bahkan
bentuk-bentuk yang tidak beraturan secara acak, tetapi secara rata-rata berdimensi
sama. Sedangkan bahan komposit serat terdiri dari serat-serat yang diikat oleh
matriks. Bahan komposit serat ini juga terdiri dari dua macam, yaitu serat panjang
(continuos fiber) dan serat pendek (Short fiber atau whisker )
2-3
Gambar 2.1 Diagram klasifikasi bahan komposit yang umum dikenal 2.2.1 Bahan komposit serat
Bahan komposit serat adalah jenis bahan komposit yang umum dikenal, paling
banyak di pakai dan dibicarakan. Karena itu pengertian bahan komposit dalam tulisan
ini berarti bahan komposit serat.
Bahan komposit sangat efisien dalam menerima beban, karena tugas tersebut
dilimpahkan ke serat. Seratlah yang terutama bertugas menerima beban. Karena itu
bahan komposit sangat kuat dan kaku bila dibebani serat searah, sebaliknya sangat
lemah bila dibebani dalam arah tegak lurus serat. Karena itu ada dua hal yang
membuat serat dapat menahan gaya dengan efektif, yaitu bila:
1. Perekatan (bonding) antara serat dan matriks (disebut pula interfacial
bonding) sangat baik dan kuat, sehingga serat tidak mudah lepas dari matriks
(debonding)
Laminat Hibrid
Serat tidak kontinyu
Serat multi lapis
Komposit serat
Arah teraturSerat satu lapis
Komposit partikel
Arah acak
Arah acak
Serat kontinyu
Serat dua arah(woven)
Arah teratur
Serat satu arah(unidirectional)
Bahan komposit
2-4
2. Kelangsingan (aspect rasio), yaitu perbandingan antara panjang dan diameter
serat harus cukup besar. Hal ini disyaratkan agar tegangan geser yang terjadi
pada permukaan antara serat dan matriks kecil.
Tugas utama matriks adalah mmengikat serat bersama-sama. Hal ini dapat
dimengerti karena sekumpulan serat tanpa matriks tidak dpat menahan gaya dalam
arah tekan dan transversal. Matriks juga berguna untuk meneruskan gaya dari satu
serat ke serat lainnya, dengan menggunakan mekanisme tegangan geser.
Serat biasanya terdiri dari bahan yang kuat, kaku dang getas. Hal ini terjadi karena
seratlah yang terutama menahan gaya luar, sehingga serat haruslah kaku dan kuat.
Kekuatan serat terletak pada ukurannya yang sangat kecil, kadang-kadang
dalam ordo micron. Ukuran yang kecil tersebut menghilangkan cacat-cacat dan
ketidak sempurnaan kristal yang biasa terdapat pada bahan bentuk padatan besar.
Sehingga serat menyerupai kristal tunggal yang tanpa cacat, dengan demikian
kekuatannya sangat besar . Sebagai contoh, gelas padatan akan patah pada beban
beberapa ribu psi saja, tetapi serat gelas mempunyai kekuatan hingga 400.000 -
700.000 psi.
Hal yang sama terjadi bila serat dibuat dari bahan polimer. Dengan jalan
mengatur arah molekul-molekulnya, akan didapat serat dengan kekuatan yang besar.
ini terjadi pada serat aramid ( sebagai contoh Kevlar) dan karbon.
Pada dasarnya serat dibagi dua bagian, yaitu:
1. Serat alam (Natural fiber)
2. Serat buatan (Synthetic fiber)
Serat alam terbuat dari tanaman, hewan maupun sumber-sumber mineral lainnya,
Contoh serat alam (tumbuh-tumbuhan) serat yate (rami), serat eceng gondok, serat
2-5
pisang, serat kelapa, serat kayu, dan lain-lain, keuntungan serat alam diantaranya
murah dan mudah diperoleh.
Serat Pisang Abaka
Serat alam adalah serat yang terbuat dari tanaman, hewan maupun sumber
mineral lainnya. Penggunaan serat alam (khususnya serat pisang abaka) pada material
komposit bertujuan untuk mengurangi biaya produksi, seratnya ramah lingkungan dan
diharapkan mampu memberikan sifat-sifat mekanik yang lebih baik dari serat buatan
dan serat alam lainnya.
Serat Pisang abaka adalah salah satu jenis serat alam. Dimana serat pisang
abaka ini terdapat pada batang pisang abaka itu sendiri. Pisang abaka ini adalah
pisang yang khusus diambil seratnya dan hanya ada di Banyuwangi Selatan
(Perkebunan Banyu Lor). di Indonesia, yang dibudidayakan hanya ada di
Banyuwangi, di Sulawesi juga ada tetapi berada di hutan dan tidak dimanfaatkan.
Sedangkan di luar negeri, serat ini ada di Filipina.
Pemanenan batang abaka dilakukan dengan menebang batang pisang tersebut,
kemudian sekitar 10 sampai 15 upihnya diambil. Bagian tengah batang umumya
ditinggal karena kadar seratnyar rendah. Di Filipina pemanenan dilakukan dengan
proses dekortikasi yaitu menggunakan pisau bergerigi (dekortikator). Bagian terluar
upih dikuliti lalu dijepit di antara dekortikator, hasilnya berupa serat memanjang
kemudian dijemur.
Keunggulan dari serat pisang abaka ini yaitu
1. Tahan terhadap air garam.
2. Memiliki kekuatan dan daya simpan yang tinggi.
3. Sisa digunakan untuk tali temali pada kapal.
4. Murah.
2-6
5. Tidak membuat tanah rusak dan dapat merehabilitasi lahan kritis
6. Tidak perlu perawatan rumit
7. Bebas penjarahan
8. Barier area untuk pencegahan kebakaran hutan
9. Quick yielding
10. Tanaman produktif dan berkelanjutan
Kelemahannya yaitu:
1. kandungan kadar air yang tinggi sehingga bahan menjadi cepat busuk
2. Perolehan serat rendah, perolehan serat sekurang-kurangnya mencapai 1,5
persen dari bobot batang basah.
3. Transportasi pengangkutan bahan dari tempat panen ke tempat pengolahan
menjadi lebih mahal.
sedangkan serat buatan terbuat dari campuran baha kimia. Adapun jenis-jenis
serat buatan yang biasa digunakan adalah:
1. Serat Glass
2. Serat Aramid
3. Serat Boron
2-7
2.2.2 Bahan Matriks (Resin)
Matriks pada umumnya terbuat dari bahan yang lunak dan liat. Resin atau biasa
juga disebut matriks berguna sebagai pengikat antara dua material pengikat,
sebagai pelindung dan pendukung, serta dapat memberikan distribusi dan
pemindahan beban diantara material penguat, menyalurkan beban ke serat dan
menempatkan serat pada posisinya. Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut:
mentransfer tegangan diantara serat, bertindak sebagai penghalang terhadap efek-
efek yang merugikan, serta melindungi serat dari abrasi mekanis.
Resin polymer (plastic) merupakan bahan umum yang biasa digunakan
sebagai matriks. Ada dua jenis resin, yaitu thermosetting dan thermoplastic.
Thermosetting adalah suatu polymer yang apabila dipanaskan akan menguap dan
tidak dapat dibentuk lagi, contoh thermosetting antara lain polyester, epoxy,
phenolics, dan polymide. Sedangkan thermoplastic adalah suatu polymer yang apabila
dipanaskan akan melunak dan dapat dibentuk lagi, contoh thermoplastic antara lain
polycarbonate (PC), nylon, acrylic, dan polypropelene (Ref 6: Hal 9).
Dibawah ini karakteristik beberapa resin
Tabel 2.1 Karakteristik resin (Ref 4: Hal 18).
2-8
Jenis polymer thermosetting :
a. Polyester
- Servis temperatur ± 80 ºc – 100 ºc.
- Paling murah.
- Viskositasnya rendah sehingga mudah
diproduksi.
- Pengkerutan (shrinkage) besar yaitu 4-8 %
sehingga tidak stabil secara geometri.
- Bersifat isolator, tahan terhadap cuaca tetapi
tidak pada temperature tinggi.
- Penyimpanan harus dilakukan pada ruangan
dingin, dan wadah tertutup.
- Akan stabil selama enam bulan dalam
penyimpanan dengan temperatur dibawah 250C..
- Resin polyester akan cure dengan
penambahan katalis yang sesuai dan dipanaskan atau pada temperetur ruang
dengan penambahan katalis dan accelerator yang sesuai.
b. Epoxy
- Tahan terhadap panas (150-1800).
- Daya adhesi yang baik.
- Tahan terhadap korosi.
- Tahan terhadap hidrolisa.
- Low shringkage, memungkinkan pembuatan
part dengan ukuran lebih presisi.
2-9
- Memiliki ketahanan yang baik terhadap air,
basa lemah dan basa kuat, hydrocarbon, asam lemah, solvent organik, tetapi
tidak tahan terhadap asam kuat, ethyl asetat, dan solvent yang mengandung
chlor(Ref 2: Hal 12).
2.3 Bahan Komposit
Gabungan antara serat dan matriks ini disebut bahan komposit. Bahan
komposit menggabungkan keunggulan dan kekuatan serat dengan massa jenis matriks
yang rendah. Hasilnya adalah suatu bahan yang ringan tetapi kuat dan kaku. Dengan
kata lain, bahan ini mempunyai harga “specific modulus” dan “specific strength” yang
lebih besar dibanding dengan bahan konvensional lainnya.
Tabel 2.1 Perbandingan kekuatan dan kekakuan serat dibanding bahan padatan
ref 6(hal 7).
Modulustarik
KekuatanTarik
Masa jenis Modulusspesifik
Kekuatanspesifik
bahan (E, Gpa) (σu, Gpa) (ρ, g/cm3) (E/ ρ) (σu/ ρ)
Serat
E-glass 72,4 3,5 2,54 28,5 1,38
S-glass 85,5 4,6 2,48 34,5 1,85
Grafit(HM) 390,0 2,1 1,90 126,0 1,1
Grafit(HS) 240,0 2,8 2,63 146,0 1,3
Boron 385,0 2,8 2,63 146,0 1,1
Silica 72,4 5,8 2,19 33,0 2,65
Tungsten 414,0 4,2 19,30 21,0 0,22
Beryllium 240,0 1,3 1,83 131 0,71
Aramid 130,0 2,80 1,50 87,0 1,87
2-10
Bahan konvensionalBaja 210,0 0,34-2,1 7,8 26,9 0,034-0,27
Alumunium 70,0 0,14-0,62 2,7 25,9 0,052-0,23
Gelas padat 70,0 0,7-2,1 2,5 28,0 0,28-0,84
Tungsten 350,0 1,1-4,1 19,30 18,1 0,057-0,21
Beryllium 300,0 0,7 1,83 164,0 0,38
Tabel 2.1 diatas memperlihatkan data-data bahan komposit tersebut
dibandingkan dengan bahan konvensional lainnya. Dari data specific modulus dan
specific strength-nya, terlihat bahwa bahan komposit lebih unggul dibanding bahan
metal. Keunggulan seperti inilah yang dimanfaatkan oleh industri-industri antariksa
dan industri pesawat terbang, karena pada struktur-struktur yang dipakai di dua jenis
industri tersebut diperlukan bahan-bahan yang ringan tetapi kuat dan kaku. Karena itu
perkembangan akhir-akhir ini menunjukan bahwa penggunaan bahan komposit di dua
jenis industri ini memperlihatlkan perkembangan yang sangat pesat.
Kelebihan dari komposit
Kekuatan dan kekakuan tinggi
Usia fatique relatif lebih tinggi dari alumunium
Tahan korosi
Mekanikal properties dapat diatur sedemikian rupa, sehingga
dihasilkan struktur yang optimal
2.4 Penguatan Serat ref 3(hal 221)
2-11
Bahan berkekuatan tinggi, dan teristimewa dengan perbandingan kuat-
terhadap-berat (strength-to-weight ratio) tinggi, dapat dibuat dengan mencampurkan
serat halus dalam matriks ulet. Serat harus mempunyai kekuatan dan modulus
elastisitas tinggi, sedang matriksnya harus ulet dan tak bereaksi (non reactive)
terhadap serat. Material komposit sangat kuat dan kaku bila dibebani searah serat dan
sebaliknya lemah bila dibebani dalam arah tegak lurus. Hal ini disebabkan serat yang
paling utama bertugas menerima beban. Serat dapat menahan gaya dengan efektif
apabila :
1. perekatan (bonding) antara serat dan matriks/interfacial bonding sangat baik
dan kuat, sehingga serat tidak mudah lepas dari matriksnya (debonding).
2. kelangsingan (aspect ratio) yaitu perbandingan antara panjang dan diameter
serat cukup besar. Hal ini dimaksudkan agar tegangan geser antara serat dan
matriks kecil
2.4.1 Ikatan Antara Serat Dan Matriks ref 10 (hal 2-3)
Masalah terpenting sekaligus tersulit sehubungan dengan pembuatan material
komposit adalah masalah ikatan (bonding). Ikatan yang baik antara serat dengan
matriks akan menghasilkan material komposit yang mempunyai kualitas baik. Ikatan
yang baik harus dicapai tanpa terjadi reaksi maupun kerusakan pada permukaannya.
Syarat awal dalam mendesain suatu komposit adalah mengetahui adanya
ikatan (bonding) antara bahan matriks dengan bahan penguatnya. Hal ini sangat
penting untuk diketahui, karena manyangkut masalah kekuatan komposit yang akan
dibuat.
2.4.2 Orientasi dan jumlah serat ref 7
2-12
Terdapat hubungan antara orientasi serat dengan jumlah serat yang dapat
diberikan dalam pembuatan suatu benda. Dengan meletakan serat kontinu dalam arah
paralel maka jumlah serat yang dipakai dapat mencapai 45-90% wt benda. Bila
separuh-separuh saling tegak lurus serat yang dipakai dapat mencapai 75%,
sedangkan jika orientasi seratnya acak maka jumlah seratnya hanya 15-50%.
Kekuatan komposit berhubungan dengan orientasi dari serat. Terdapat tiga
jenis orientasi serat yang umum ditemukan:
1. Serat satu arah (unidirectional)
Pada serat satu arah ini kekuatan maksimum akan diperoleh pada arah serat
2. Dua arah yang saling tegak lurus (bidirectional)
Kekuatan paling tinggi di kedua arah serat dan meningkatkan kekuatan patah
di kedua arah serat itu.
3. Orientasi acak (random)
Pada arah acak ini kekuatan tidak terpusat pada satu atau dua rah melainkan
seragam pada segala arah hanya nilai kekuatannya lebih rendah dari pada
orientasi satu dan dua arah.
Gambar dibawah ini menunjukan hubungan antar jumlah serat, orientasi dan kekuatan
serat.
2-13
Gambar 2.2 Hubungan antara jumlah serat, orientasi dan kekuatan ref 7
2.5 Proses Manufacturing Komposit ref 11 (hal 2-16))
Dalam pembuatan material komposit kita mengenal beberapa cara yang
tergantung dari kebutuhan kualitas dari material komposit itu sendiri.
Salah satu cara tersebut adalah :
Hand lay-up
Dalam proses pembuatan material komposit yang diperkuat oleh serat, metode
hand lay-up adalah metode yang termudah dan paling murah jika dibandingkan
dengan metode lainnya. Dimana dalam pelaksanaannya menggunakan tangan
manusia, sehingga kualitas produk/material yang dihasilkan tergantung pada keahlian
pekerja atau operator yang melakukan proses pembuatan material kompsit.
Karakteristik :
- Murah
- Butuh banyak tenaga
- Kualitas produk tergantung pada pekerja
2-14
- Prioritas (Void) besar
- Fraksi volume serat dapat mencapai ± 60%
- Ketebalan produk sulit diatur
- Sulit mempertahankan keseragaman produk
- Serat bisa lebih bervariatif
Gambar 2.3 Metoda hand lay-up11 (hal 2-17))
2.6 Modus Kegagalan Pada Material Komposit ref 6(hal 127)
Suatu struktur dikatan gagal bila struktur tersebut tidak dapat lagi berfungsi
dengan baik. Dengan demikian definisi kegagalan berbeda menurut kebutuhan yang
berlainan. Untuk penerapan struktur tertentu, deformasi yang kecil barang kali sudah
dianggap gagal, sedang pada struktur yang lain hanya kerusakan total dapat dianggap
gagal.
2-15
Dalam hal ini sangat mencolok terlihat pada bahan komposit. Pada bahan ini,
kerusakan internal mikroskopik (yang tidak dapat diamati mata) dapat terjadi jauh
sebelum kerusakan nyata terlihat. Kerusakan internal mikroskopik ini terjadi dalam
beberapa bentuk, seperti:
1. Patah pada serat (fiber breaking)
2. Retak mikro pada matriks (matrix microcrack)
3. Terkelupasnya serat matriks (debonding)
4. Terpisahnya lamina satu sama lain (delamination)
Bila serat yang patah semakin banyak, maka ada tiga kemungkinan
1. Bila matriks mampu menahan gaya geser dan meneruskannya ke serat
sekitarnya, maka serat yang patah akan semakin banyak sehingga timbul
retak. Bahan komposit akan patah getas (brittle failure), seperti pada
gambar 2.3a.
2. Bila matriks tidak mampu menahan konsentrasi tegangan geser yang timbul
diujung serat yang patah, serat dapat terlepas dari matriks (debonding), dan
bahan komposit rusak searaha serat, seperti tampak pada gambar 2.3b.
3. Kombinasi kedua tipe diatas, pada kasus ini patah serat terjadi disembarang
tempat, dibarengi dengan kerusakan matriks. Modus kerusakan berwujud
seperti sikat (brush type) seperti pada gambar 2.3c.
2-16
Gambar 2.4 Modus kerusakan pada bahan komposit akibat beban tarik
longitudinal (a) brittle failure (b) debonding (c) brush type ref 6(hal 129)
2.6.1 Jenis Perpatahan Pada Material Kompositref 1
Berdasarkan sumber perpatahan yang terjadi, jenis perpatahan material
komposit digolongkan menjadi 3, yaitu:
1. Perpatahan pada penguat/serat
Perpatahan ini diakibatkan serat tidak mampu menerima beban.Alur
perpatahan dimulai dari penguat/serat dan merambat kematriks. Perpatahan
ini terjadi jika regangan penguat/serat lebih rendah dari pada regangan
matriks, sehingga saat menerima beban, pertambahan panjang matriks tidak
diikuti oleh pertambahan panjang penguat/serat.
2. Perpatahan pada matriks (translaminar)
Adalah Kebalikan dari perpatahan pada penguat, yang jadi sumber
perpatahan adalah matriks. Perpatahan ini sangat mudah terjadi pada
matriks yang memiliki regangan rendah. Beban yang dapat diterima matriks
lebih rendah dari pada beban yang dapat diterima penguat, sehingga
pemberian beban yang melebihi kekuatan tarik maksimum matriks
mengakibatkan terjadinya retak dalam arah tegak lurus terhadap arah
pembebanan.
3. Perpatahan antara serat dan matriks (delamination)
Delaminasi (interlaminar) adalah perpatahan yang terjadi akibat terlepasnya
ikatan antar lapisan penguat. Penyebab patahan ini adalah gaya adhesi
antara penguat dan matriks yang lemah. Selain itu kemampuan matriks
untuk mengisi ruang antara serat juga mempengaruhi.
2-17
2.7 Modus Kegagalan Akibat Beban Tekan Transversal (Ref 6:Hal 135)
Komposit satu arah (lamina) yang dibebani dalam arah transversal atau serat
yang tegak lurus arah pembebanan biasanya gagal karena gaya geser (shear failure)
pada matriks yang dapat di ikuti dengan debonding atau terhimpitnya serat (fiber
crushing). Maka modulus kegagalan dalam kasus ini adalah :
1. Kegagalan geser pada matriks.
2. Kegagalan geser pada matriks yang di ikuti debonding maupun fiber crushing.
Gambar 2.8 Modus kegagalan lamina akibat beban tekan transversal(Ref 6: Hal 135)
2.8 Jenis Perpatahan Pada Material Komposit(Ref 1: Hal 34)
Berdasarkan sumber perpatahan yang terjadi, jenis perpatahan material komposit
digolongkan menjadi tiga yaitu:
1. Perpatahan pada penguat / serat (intralaminar) diakibatkan serat tidak mampu
menerima beban. Alur perpatahan dimulai dari penguat / serat dan merambat
ke matriks. Perpatahan ini terjadi jika regangan penguat lebih rendah dari
pada regangan matriks, sehingga saat menerima beban, pertambahan panjang
matriks tidak di ikuti oleh pertambahan panjang penguat.
2. Perpatahan pada matriks (translaminar) adalah kebalikan dari perpatahan
pada penguat, yang menjadi sumber perpatahan adalah matriks. Perpatahan
ini sangat mudah terjadi pada matriks yang memiliki regangan rendah. Beban
yang diterima matriks lebih rendah dari pada beban yang dapat diterima
penguat, sehingga pemberian beban yang melebihi kekuatan tarik maksimum
2-18
matriks mengakibatkan terjadinya retak dalam arah tegak lurus terhadap arah
pembebanan.
3. Delaminasi (interlaminar) adalah perpatahan yang terjadi akibat terlepasnya
ikatan antar lapisan penguat. Penyebab utama perpatahan ini adalah gaya
adhesi antara penguat dan matriks yang lemah. Selain itu kemampuan matriks
untuk mengisi ruang antara serat juga mempengaruhi.
.
Gambar 2.9 Mekanisme perpatahan pada laminat(Ref 1: Hal 35).