Material Komposit

1.  Klasifikasi Komposit

Material komposit terdiri dari berbagai Variasi penguat (Reinforcement) yang bersama dengan matriks menghasilkan keunggulan sifat yang lebih baik. Ditinjau dari proses terjadinya, komposit dapat diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu :

a.         Komposit alami

Jenis material komposit ini banyak terdapat dialam dan terjadinya secara alami. Contohnya bambu, rotan, serabut kelapa sawit, dan lain-lain.

b.        Komposit buatan

Komposit ini terbentuk atas campur tangan manusia, disengaja dan dibuat dengan memadukan dua atau lebih material yang berbeda dengan tujuan untuk mendapatkan sifat yang diinginkan. Contohnya baju tahan peluru, bodi pesawat terbang, body kapal boat, dan lain-lain.

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

a.         Komposit bermatrik polymer atau Polymer Matrix Composites (PMCs)

b.        Komposit bernatrik logam atau Metal Matrix Composites (MMCs)

c.         Komposit bermatrik Keramik atau Ceramic Matrix Composites (CMCs)

            Komposit  berdasarkan  jenis penguatnya dapat  dijelaskan sebagai berikut :

a.   Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel

b.   Fibre composite, penguatnya berbentuk serat

c.   Structural composite, cara penggabungan material komposit

   Komposit mempunyai bahasan yang tidak terbatas, karena selalu dikembangkan untuk berbagai aplikasi dan kebutuhan terhadap suatu spesifikasi material. Secara struktural unsur pokoknya komposit dibagi menjadi lima kelas, yaitu  :

a.    Komposit serat (fiber composite)

Tersusun atas serat dengan atau tampa matriks. Semua material komposit, tipe serat khususnya pemasukan serat pada matriks. Beberapa tekstur komposit terdiri dari serat bidang, dengan atau tampa matriks dan reikat struktur serat dimana matriks ditambahkan. Sejak bentuk serat kebanyakan material adalah lebih kuat beberapa kali dibandingkan bentuk melintang. Para insinyur lebih memilih serat sebagai material teknik. Metode yang paling efisien yang belum ditemukan adalah mengkombinasikan material berserat kekuatan tarik besar dan modulus elastisitas rendah.

b.    Komposit partikel ( particulate composite)

Tersusun atas partikel dengan atau tampa matriks. Komposit partikel memiliki unsur pokok tambahan yang pada dasarnya satu atau dua dimensional atau mikroskopik. Dalam beberapa komposit bagaimanapun unsur pokok tambahan adalah secara makroskopik nondimensional. Hanya pada skala makroskopik itu dapat menjadi dimensional. Komposit partikel berbeda dari serat dan serpihan. Tipe pada distribusi unsur tambahan yang biasanya acak dari pada komposit partikel adalah biasanya isotropik

c.    komposit berlapis  (Lamina composite)

Tersusun atas lapisan-lapisan. Komposit lamina memiliki penguat yang berbentuk lembaran, kertas, dan kain yang direkatkan atau dikencangkan. Tipe komposit ini berbeda dengan kompost lainnya karena pada komposit ini memiliki lapisan-lapisan, biasanya akan terlihat jelas pada tingkatan kasar penglihatan. Komposit lamina memiliki daya tarik spesial karena komposit ini lebih mudah untuk didesain, produksi, standarisasi, dan mudah dikontrol bila dibandingkan dengan bentuk komposit lainnya

d.   Komposit dengan pengisi (filled composite)

Bentuk sederhana dari komposit dengan pengisi terdiri dari kontinyu tiga dimensional struktur matriks yang masuk atau mengisi dengan fase kedua material pengisi. Pengisi juga memiliki bentuk tiga dimensi, dibatasi atau dibedakan oleh ruang kosong pada matriks. Matriks itu sendiri mungkin berbentuk sarang lebah, kumpulan sel atau berbentuk rangakaian bunga karang yang acak dengan pori terbuka, yang paling familiar dari komposit dengan pengisi struktur sel adalah lebih baik dan fungsi dari pengisi adalah untuk melengkapi dengan yang lebih diperlukan sekali dan memperbaharui sendiri permukaan.

Bagian serbuk logam dan benda tuangan yang kedap atau paduan yang sendiri masuk dalam kategori ini. Beberapa komposit dengan pengisi terbaru, bagaimanapun sampai pada solid struktur terdiri dari dua jalinan rangka yang berbeda sifat. Selain itu yang memiliki sel-sel besar, kegunaan utama dari matriks mungkin untuk membatasi pengisi dalam ciri sendiri dan volume yang terbatas untuk mengontrol akumulasi regangan

e.    Komposit serpihan (flake composite)

Tersusun atas serpihan dengan atau tampa matriks. Meskipun kekuatan dan dimensi dari serat membuatnya lebih banyak digunakan dalam struktur komposit, penguatan dengan serpihan digunakan dimana sifat anisotropi dibutuhkan. Selama serpihan berada paralel, sifat umum mungkin dipertahankan pada penguatan dengan serpihan, seperti pada sifat unidireksional komposit berpenguat serat, yang sejajar dengan serat. Serpihan juga mungkin terbungkus dengan kerapatan tinggi yang memberikan keuntungan dalam harga yang relative murah dalam manufaktur dibandingkan serat. Juga distribusi pelat rata terhadap matriks dapat memberikan halangan yang substansial terhadap uap, gas bahan kimia, dan juga memberikan ketahanan temperatur tinggi dan tahanan listrik atau konduktivitas. Komposit serpihan boleh jadi adalah yang paling sedikit diketahui dari komposit dan sudah pernah diuji untuk aplikasi struktural. Komposit serpihan terdiri dari lapisan-lapisan atau serpihan-serpihan yang saling melekat pada bidang pemisah pengikat atau tergabung kedalam matriks. Tergantung dari material yang digunakan, serpihan dapat diberikan dalam jumlah sedikit atau hampir seluruh komposit.

Dibandingkan dengan material logam, material komposit mempunyai beberapa kelebihan dan kekurangan antara lain :

Kelebihan material komposit non logam dibandingkan logam biasa :

1. Lebih ringan
2. Tahan terhadap korosi
3. Ketahanan yang tinggi terhadap kerusakan akibat kelelahan
4. Kekuatan dan kekakuan meningkat
5. Mampu menyerap gelombang mikro (dipakai untuk keperluan militer)
6. Perpindahan panas mendekati nol sehingga cocok untuk penggunaan pada pesawat ruang angkasa.

Kekurangan material komposit non logam dibandingkan dengan logam biasa :

1. Harga dari material komposit relatif mahal
2. Metode pengujiannya mahal dan rumit
3. Memerlukan perlindungan dari cahaya atau sinar langsung
4. Proses penyimpanan memerlukan tempat khusus dan mahal

2. Unsur Pokok Komposit

Komposit  adalah perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik  masing-masing  material penyusun untuk  menghasilkan  material baru dengan sifat yang  unik  dibandingkan  sifat   material  dasar  sebelum  dicampur  dan  terjadi  ikatan permukaan antara masing-masing  material penyusun. Dengan adanya  perbedaan dari material  penyusunnya   maka  komposit   antar   material   harus  berikatan  dengan  kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent.

Beberapa tingkat definisi komposit yang dapat dianggap sebagai dasar untuk menentukan defenisi dari komposit yaitu :

a.         Tingkat dasar

 Pada tingkatan ini, molekul tunggal dan sel Kristal, semua material tersusun dari dua atau lebih atom yang berbeda dan dapat disebut sebagai komposit itu termasuk compound alloy, polymer, dan keramik. Hanya elemen murni yang tidak termasuk dalam tingkatan ini

b.        Mikrostruktur

 Pada tingkatan ini fase kristal dan compound, komposit hanya dibatasi sebagai material tersusun dari dua atau lebih kristal, struktur molekul atau fase yang berbeda. Dari definisi ini banyak material sederhana, homolithik atau homogenous dapat diklasifikasikan sebagai komposit. Contohnya baja yang terdiri dari unsur karbon dan besi yang dapat dianggap sebagai komposit

c.     Makrostruktur

Pada tingkatan ini dengan prinsip yang kami pelajari, maka kita setuju dengan berat struktur, bentuk unsur pokok, matrik, partikel, dan pengisi (filler) bahwa komposit sebagai sistem material yang tersusun dari unsure pokok makro yang berbeda. Pada prinsipnya komposit tersusun atas beberapa komponen penyusun baik itu metalik, organik, dan inorganik. Secara umum komponen penyusun komposit memiliki kekuatan dan modulus yang tinggi dari matriksnya sedangkan material matriks berfungsi sebagai media transfer beban ke penguat dan melindungi penguat dari lingkungan. Bentuk penyusun utama yang digunakan pada material komposit adalah serat (fibre), partikel, lapisan (lamine), serpihan (flakes), pengisi (filler), rambut (whisker), dan matriks. Sifat-sifat kompist secara umum bila dibandingkan dengan komponen penyusunnya antara lain memiliki ketangguhan dan kekuatan yang lebih baik, ringan, ketahanan terhadap korosi, ketahanan terhadap suhu thermal yang tinggi, umur fatik yang lama serta mudah dibentuk. Hal ini disebabkan oleh  komponen  penyusunnya saling menutupi satu sama lain.

Sifat maupun Karakteristik  dari komposit ditentukan oleh :

1.                  Material yang menjadi penyusun komposit

            Karakteristik   komposit   ditentukan   berdasarkan   karakteristik   material   penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional.

2.                  Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun

            Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.

3.                  Interaksi antar penyusun

            Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.

3.  Metode Pembuatan Komposit

            Metode pembuatan/manufaktur Komposit dengan serat dibuat dengan berbagai proses, namun umumnya diklasifikasikan sebagai cetak terbuka atau tertutup.

1.        Proses cetak terbuka

            Proses cetak terbuka dengan cetakan berongga tunggal dapat mengahasilkan produk tampa atau dengan tekanan yang rendah. Proses cetak terbuka diantaranya Hand lay-up, Spray-up, dan centrifugal casting. Badan kapal yang menggunakan serat merupakan contoh yang baik karena proses ini dapat diterapkan untuk membuat benda besar dengan satu permukaan yang licin.  Serat dan resin dimasukkan kedalam cetakan kemudian ditekan dengan tujuan menghilangkan udara yang mungkin yang mungkin ada disela serat dan resin.

Benda cetak seperti ini biasanya dimatangkan di udara, tetapi dapat juga digunakan vakum atau tekanan untuk memantapkan produknya. Produk yang dapat dibuat dengan proses cetakan terbuka adalah suku cadang pesawat terbang, koper, komponen kendaraan, dan lain-lain. Salah satu teknik komersial lain yang banyak digunakan untuk membuat komposit yang diperkuat resin yaitu dengan proses semprot. Pada proses ini, serat dan resin disemprotkan sebagai lapisan berselang-seling. Perahu dan benda-benda besar lainnya dibuat dengan cara ini.

2.        Proses cetakan tertutup

            Menggunakan cetakan yang terdiri dari dua bagian yang umumnya dibuat dari logam. Karena kedua sisinya diselesaikan dengan baik, detail permukaan sangat jelas. Proses cetakan tertutup diantaranya compression moulding, injection moulding, transfer moulding. Umumnya produk kecil yang dibuat dengan proses ini karena harga cetakan tertutup mahal.

4. Komposit Berpenguat Serat Enceng Gondok

            Komposit adalah kombinasi dari dua material atau lebih yang mana salah satu dari material tersebut dinamakan material penguat dan material lainnya disebut dengan matriks. Material penguat yang akan digunakan dalam penelitian ini berupa komposit alam yaitu serat enceng gondok dan semen putih serta matriksnya berupa resin polyester yang merupakan turunan dari resin thermosetting.

            Komposit digunakan dengan bertitik tolak mempunyai sifat mekanik yang lebih unggul dibandingkan dengan material dasarnya. Material penguat mempunyai sifat yang berbeda dengan matriknya. Oleh karena itu penggabungan dari beberapa jenis material tersebut pada penelitian ini akan dicoba untuk menggabungkan sifat elastis dari serat enceng gondok dengan sifat kaku dan keras dari resin polyester. Diharapkan material paduan ini akan memiliki sifat yang tangguh terhadap tekanan dari luar. Tujuan membuat komposit berpenguat serat adalah untuk mendapatkan kekuatan dan kekakuan yang tinggi berdasarkan pertimbangan terhadap serat. Karakteristik dari sifat-sifat ini ditunjukkan oleh kekuatan spesifik dan modulus spesifik. Selain parameter tersebut, juga pertimbangan terhadap rasio kekuatan tarik terhadap berat jenis dan rasio modulus elstisitas terhadap berat spesifik. Selain mempunyai kekuatan spesifik yang tinggi, komposit berpenguat serat juga ringan dengan rapat serat yang rendah.

5. Pengaruh Panjang Serat

            Sifat mekanik komposit berpenguat serat tergantung pada sifat serat dan derajat perpindahan beban dari matriks ke serat. Kekuatan efektif sangat tergantung kepada panjang kritik serat. Sedangkan panjang kritis tergantung pada diamaeter serat dan kekuatan tarik maksimum  serta panjang ikatan antar serat dan matriks pada permukaan material tersebut.

6. Pengaruh Konsentrasi dan Orientasi Serat

            Susunan dari orientasi dan konsentrasi dari masing-masing arah serat relative terhadap yang lainnya. Konsentrasi serat dan distribusinya didalam suatu matriks sangat mempengaruhi sifat mekanik dari suatu material komposit.

Karburisasi

Karburisasi adalah proses perlakuan panas termokimia yang dilakukan untuk menambah komposisi karbon dipermukaan baja. Dengan demikian agar baja tersebut dapat dikeraskan permukaanya perlu dilakukan pengubahan komposisi dari baja tersebut. Pengubahan  komposisi dilakukan dengan cara melarutkan karbon pada permukaan baja. Prinsip karburisasi tidak lain hanyalah mendifusikan karbon ke permukaan benda kerja. Proses karburisasi dilakukan pada temperatur berkisar 850^oC sampai dengan 950^o C. Proses karburisasi ini biasanya dilakukan pada baja karbon rendah dan baja karbon sedang.

Beberapa komponen mesin mempunyai masalah dalam soal keausan permukaan. Untuk mengatasi masalah tersebut perlu dilakukan pengerasan permukaan, dan salah satu proses pengerasan permukaan adalah dengan metode karburisasi. Reaksi dari proses karburisasi adalah :

CO₂  + C (arang)     -->              2 CO

                                                          2 CO               -->   CO₂ + C (larut dalam baja)

Media karbon yang dibutuhkan dalam proses ini didapatkan dari media yang berbentuk gas, cair, ataupun padat. Pemanasan dengan temperatur rendah mengakibatkan karbon tidak dapat melebur didalam baja. Baja dan media  karburisasi harus dipanaskan secara bersama-sama selama berlangsungnya  proses karburisasi pada suhu tinggi. Dalam prakteknya karburisasi berkerja pada temperatur 870^oC -950^oC dan setelah dikarburisasi biasanya logam langsung diquenching atau didinginkan cepat.

Proses karburisasi bertujuan untuk :

1.      Meningkatkan kandungan karbon.

2.      Meningkatkan ketahanan aus.

3.      Meningkatkan ketahanan fatik.

4.      Menambah kekerasan pada permukaan baja.

A.   Karburisasi Padat (Pack Carburizing)

Proses ini memerlukan komponen-komponen padat sebagai media karburisasi. Material yang ingin diproses dimasukkan kedalam kotak tertutup kemudian ditaburi dengan media karbon seperti briket batubara yang terlebih dahulu telah dicampur dengan bahan kimia barium karbonat (BaCO₃) sebagai katalisator yang berfungsi sebagai pengubah bentuk karbon sehingga menjadi gas CO₂ secara keseluruhan. Gas ini bereaksi dengan karbon yang ada sehingga menghasilkan karbon monoksida yang bereaksi dengan permukaan baja dan membentuk atom karbon didalam baja. Reaksi-reaksi kimia yang terjadi selama dilakukannya proses karburisasi padat adalah  :

·         Pada temperatur rendah oksigen didalam udara bercampur dengan karbon yang terdapat pada media dan akan menghasilkan karbon dioksida dengan reaksi sebagai berikut :

CO₂ + C       -->            2 CO

·         Bila temperatur meningkat, reaksi keseimbangan kearah kanan dan menghasilkan karbon monoksida. Karbon monoksida berubah pada permukaan baja untuk menghasilkan karbon dioksida dan atom karbon, hal itu ditunjukkan dalam reaksi berikut ini :

       2 CO     -->            CO₂ + C

Atom karbon yang dihasilkan dari reaksi diatas kemudian larut dengan mudah kedalam fasa austenit pada baja dan berdifusi. Sedangkan karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi diatas bereaksi kembali dengan karbon yang terdapat pada media, diikuti kembali dengan penguraian CO pada permukaan logam. Siklus ini terjadi berulang-ulang selama proses karburisasi berlangsung.

Pada proses pembentukan gas CO₂ dan CO seperti yang telah diuraikan diatas, berlangsung dalam waktu yang sangat lambat. Untuk mengatasi hal tersebut maka didalam media ditambahkan katalisator. Katalisator yang dapat ditambahkan dalam proses ini antara lain adalah BaCO₃, BaCl, BaO, CaO dan dalam penelitian ini katalisator yang digunakan adalah BaCO₃ (Barium Karbonat). Media karbon yang digunakan dalam penelitian ini adalah briket batubara, dengan komposisi 95% briket batubara dan 5% barium karbonat. Pada temperatur yang tinggi, penambahan barium karbonat pada proses karburisasi berfungsi untuk mampercepat pembentukan gas CO seperti yang ditunjukkan oleh reaksi  berikut :

                                       BaCO₃ + C       -->         BaO + 2 CO

Karbon dioksida yang terbebas selama karburisasi dikeluarkan lebih cepat daripada kecepatan pembentukan. Hal ini disebabkan tekanan pengurainya lebih rendah dari barium karbonat ketika bereaksi dengan karbon dioksida, reaksinya sebagai berikut :

                                      BaO + CO₂          -->           BaCO₃      

·         Setelah temperatur karburisasi dicapai dengan waktu yang singkat, kondisi perubahan keseimbangan terjadi secara serentak dan terus menerus. Kerja katalis sebenarnya adalah untuk memisahkan oksida logam dengan karbon dioksida sesuai dengan reaksinya :

                                       BaCO₃       -->            BaO + CO₂

Karbon dioksida kemudian terbebas, reaksi dengan karbon yang timbul membentuk karbon monoksida. Reaksinya adalah :

CO₂ + C      -->             2 CO                                          

                                                 2 CO       -->                CO₂ + C

Karbon monoksida yang terbentuk kemudian akan larut dalam fasa austenit dan akan bereaksi dengan Fe, reaksinya :

                                     3 Fe  +   2 CO       -->              Fe₃C  +  CO₂

B   Karburisasi Gas

Karburisasi gas menggunakan media gas yang berasal dari butan, propan, lalu dicampur dengan udara dan Ni sebagai katalis. Pada pengkarbonan dengan gas, kadar karbon  yang terbentuk di permukaan baja dapat dikontrol. Proses ini biasanya dilakukan untuk pengerjaan pada komponen-komponen yang kecil. Benda kerja diletakkan pada suatu jenis tungku tertentu dimana proses karburisasi berlangsung dengan jalan mengalirkan gas. Gas yang digunakan adalah gas CO dan gas hidrokarbon.

Gas untuk karburisasi dapat diperoleh dengan cara :

·   Mengalirkan cairan karburisasi kedalam tungku. Cairan ini kemudian diteteskan pada suatu pelat dalam tungku sehingga cairan tersebut berubah menjadi uap.

·    Mengalirkan gas yang dibuat dalam suatu generator.

·    Mengalirkan gas hidrokarbon dan udara secara langsung kedalam tungku.

· Melaksanakan proses karburisasi dalam tungku vakum dengan cara mengalirkan gas hidrokarbon kedalam tungku. Dengan cara ini pelaksanaan proses karburisasi cair dapat dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi sehingga waktu proses menjadi lebih singkat.

C   Karburisasi Cair

Media cair yang digunakan adalah berbentuk garam yang mengandung karbon. Penggunaan media cair dalam proses ini memiliki beberapa keuntungan baik dari aspek kualitatif maupun ekonomi. Cara ini sangat cocok diterapkan pada benda kerja yang relatif kecil. Pemanasannya berlangsung homogen dan selama proses karburisasi berlangsung, oksidasi dan dekarburisasi dapat dicegah.

Jenis garam yang digunakan umumnya adalah yang banyak mengandung NaCN atau KCN. Garam ini kemudian dicampur dengan bahan activator seperti NaCl, BaCl, KCl, atau Na₂CO₃. Penambahan activator ini berfungsi sebagai pemercepat reaksi pada proses pengkarburisasian.

Dalam praktek, garam NaCN lebih umum digunakan dibandingkan dengan KCN karena berbagai alasan sebagai berikut :

·         NaCN lebih murah.

·     Mengandung banyak karbon, hal ini mengakibatkan untuk temperatur dan waktu proses yang sama NaCN memberikan lapisan yang lebih tebal.

·         Titik cair NaCN relatif rendah, NaCN mencair mulai suhu 500^oC.

Untuk waktu dan temperatur proses karburisasi sama, penetrasi karbon pada proses karburisasi dengan menggunakan media zat cair lebih besar dibandingkan menggunakan zat padat. Kadar NaCN yang diizinkan untuk proses ini berkisar antara 25% sampai dengan 50%. Komposisi campuran garam sangat berpengaruh terhadap sifat permukaan yang akan diperoleh. Oleh karena itu perlu penelaahan yang teliti sebelum memilih garam yang akan digunakan untuk proses karburisasi.