Pengertian Material Composite dan Fungsinya

Matrial Composite

The Nature of Composite

Material composite memperluas wawasan designer di seluruh cabang teknik. Dengan composite, seseorang dapat membuat material yang lebih tough dan lebih ringan sesuai dengan properties yang dibutuhkan.

Konsep composite bukanlah merupakan penemuan manusia. Sebagai contoh: wood merupakan composite yang terdiri dari satu spesies polymer. Bone, teeth, dan molluse shells merupakan composite yang alami, mengkombinasikan hard ceramic reinforcing phases dalam matric polymer organic yang alami. Concret merupakan contoh klasik ceramic composite dengan partikel pasir (sand) dan aggregate of graded sizes dalam matrik hydrated Portland cement.

Perluasan prinsip penggabungan metal, ceramics, dan polymer membentuk fibre composite – reinforced plastics seperti CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastic) dan GRP (Glass Fibre Reinforced Plastics), metal matrix composite (MMC) seperti silicon carbide fibre reinforced aluminium, dan ceramic matrix composite (CMC) seperti carbon fiber reinforced glass.

Conventional Materials and their Limitations

·         Plastic: merupakan material yang low density.  Merupakan chemical resistance yang baik untuk jangka pendek tapi kurang dalam thermal stability. Poor mechanical properties, tapi mudah untuk difabrikasi dan digabung (join)

·         Ceramics: merupakan material yang low density. Memiliki thermal stability yang baik dan tahan terhadap abrasi, korosi dan penggunaan. Mudah pecah (brittle) dan ada kesulitan untuk dibentuk (can be formed and shaped only with difficulty)

·         Metals: high density, good thermal stability, good corrosion resistant by alloying, useful mechanical properties dan high toughness, mudah untuk dibentuk dan digabung. Konsekuensi yang besar terhadap ductility dan resistance to cracking

Strong Fibres

Jika ukuran yang cacat bisa dikurangi pada proses manufaktur, maka tingkat kekuatan bahan dapat ditingkatkan dan variabilitasnya dapat dikurangi. Elemen yang banyak memenuhi kebutuhan adalah carbon, boron, dan silicon. Penemuan carbon fibres pada Royal Aircraft Establishment, Farnborough, UK, dan pengembangan boron fibres yang berkekuatan tinggi di Texaco, USA, menghasilkan penelitian yang cepat dan luas untuk mengeksploitasi material filament dalam engineering composite. High performance reinforcing filaments diantaranya Al2O3, silicon carbide (SiC) dan silicon Nitride (Si3N4), dan merupakan ceramic fibres yang penting. Sedangkan polymeric fibres adalah polyethylene dan polyamides. Reinforcing fibres memberikan composite material yang berkekuatan dan berkakuan tinggi dengan dikombinasikan dengan low density.

Table 1. Properties of Reinforcing Fibres

Bagian ini membahas beberapa jenis strong fibres yakni:

a.    Glass fibres dibuat dengan proses molten glass kemudian melindungi dengan hard surface atau atmosphere agar tidak mengalami struktur cacat. Penggunaan volume yang paling besar dari composite material melibatkan E-glass sebagai reinforcement. S-glass (R-glass di France) memiliki properties yang lebih baik dibandingkan dengan E-glass, termasuk thermal stability yang lebih baik, tapi dari segi biaya memang lebih mahal.

b.    Carbon fibres dibuat dengan cara mengoksidasi dan pyrolysing textile fibres seperti polyarcrylonitrile (PAN) dan menghindari penyusunan paa tahapan awal dari proses degradasi, kemudian dilakukan hot-stretching à didapatkan carbon filament dengan elastic modulus. Sebelum dijual, fibres biasanya dilakukan surface treated dengan chemical atau electrolytic oxidation method agar meningkatkan kualitas adhesi antara fibre dengan matrix dalam composite. Dengan bergantung pada kondisi proses, mechanical properties yang beraneka ragam bisa didapatkan, dan fibres dapat dipilih sesuai dengan composite properties yang diinginkan. Carbon fibre biasanya mahal.

c.    Silicon carbide: continuous SiC monofilament pertama kali dihasilkan oleh pyrolytic decomposition of gaseous sialnes ke fine filament dari carbon atau tungsten. Ini merupakan fibres yang tebal dengan ukuran diameter 100µm, dan ini merupakan ketertarikan utama pabrikan (manufacturer) metal dan ceramic matrix composite. Memiliki permukaan yang kasar (rough surface), membuat good fibre/matrix adhesion. Stabil sebagai reinforcement untuk MMC yang berbasiskan aluminium dan copper meskipun thermal stabilitynya akan berkurang dalam jangka waktu yang cukup panjang. . Hal ini dapat diatasi dengan mengurangi oksigen dan menambahkan titanium

d.    Alumina dan alumina/silica compounds, seperti halnya SiC, fibre ini memiliki permukaan yang kasar dan berpotensi sebagai reinforcement yang cocok untuk logam seperti aluminium dan magnesium karena chemical inertness (lambat dalam proses kimia), high temperature stability, dan kemampuannya untuk membnetuk ikatan yang baik dengan matrix alloys. Alternative lain untuk alumina based reinforcement dikenal dengan Saffil, δ-Al₂O₃. Saffil ini mengandung impurities (ketidakmurnian) sehingga memiliki keuntungan dalam memproses MMC dalam merespon kebutuhan reinforcing filament yang lebih murah.

e.    Organic fibres, bulk polymer memiliki elastic moduli tidak lebih besar dari 100 MPa, tetapi bila polymer dituang dalam fibre dan cold drawn, maka akan menuju ke high degree of molecular orientation dalam kekuatan dan rigidity dapat dicapai. Organic fibres memiliki mechanical properties yang lebih baik dibandingkan dengan inorganic fibre, dan juga tidak mudah patah (brittle). Organic fibre lainnya adalah aramid yang dikenal dalam dunia industry sebagai Kevlar-49. Keterbatasan aramid adalah sensitive terhadap kelembaban.

Composite material merupakan alternative yang menarik karena lebih murah dibandingkan dengan conventional materials. Fibre dalam bentuk chopped form dapat diatur dalam composite sehingga bisa memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi.

The Scope for Reinforcement of Conventional Materials

Functions of the Matrix

·         Matrix mengikat fibre secara bersama – sama

·         Matrix harus mengisolasi fibre satu sama lain sehingga bisa bertindak sebagai entity yang terpisah, dengan ini crack tidak bisa terjadi

·         Matrix melindungi reinforcing element dari kerusakan secara mekanis seperti abrasi dan dari kerusakan lingkungan

·         Ductile matrix akan memberikan efek perlambatan atau pemberhentian crack yang bisa menyebabkan fibre patah

·         Matrix dapat meningkatkan toughness composite

·         Dibandingkan dengan reinforcing filament lainnya, matrix adalah bahan yang lemah dan fleksible; kekuatannya dan modulinya sering diabaikan dalam menghitung composite properties.

The Combining of Materials

Masalah yang dihadapi oleh pabrikan dalam memproduksi composite adalah mengembangkan metode yang sesuai untuk mengkombinasikan matrix dan reinforcement agar didapat bentuk yang diinginkan dari komponen dengan properties yang tepat untuk kebutuhan design

Reinforcement architecture yang menentukan karakteristik beban dari composite fibred an perancangan composite yang modern dapat dibuat dan difinalkan dengan sebuah proses manufaktur. Contoh proses ini adalah Resin Transfer Moulding (RTM).

Saat ini banyak logam, polymer dan creaming proses yang diadaptasi untuk composite yakni:

a.    FRP – fibre reinforced plastics

b.    MMC – metal matrix composite

c.    CMC – ceramic matrix composite

RTM proses untuk FRP berhubungan dengan liquid – metal infiltration process yang digunakan untuk poroses MMC; sedangkan yang berhubungan dengan sol-gel process untuk CMC.

Manufacturing Processes

Polymer – matrix composites

Permasalahan utama untuk menggabungkan fibre dengan matrix tergantung pada kombinasi skala dan geometri struktur yang akan diproses manufaktur.

Material thermoplastics dibuat dengan injection moulding of granules of material dimana chopped fibres dan matrix telah disenyawakan.

Continuous fibre thermoset dihasilkan dengan metode yang berbeda, dapat dibuat dengan winding fibres atau tapes soaked dengan pre-catalysed resin ke dalam mandrel.

Large panels and relatively complex open structural shapes secara mudah dibentuk dengan hot pressing sheets of pre-impregnated fibres atau cloth between flat or shaped planes, atau by vacuum autoclaving dengan bantuan tekanan atmosfir untuk mengkonsolidasikan tumpukan prepreg sheets against a heated, shaped die

Untuk struktur yang kompleks seperti aeronatuctical / kedirgantaraan,hubungan antara computer based design procedures dan robotic atau computer controlled manufacturing process telah memperbaiki / meningkatkan production engineering composites

Proses lain untuk menghasilkan moulding yang berkualitas tinggi yang berbentuk rumit adalah dengan resin transfer moulding (RTM).

Jenis senyawa moudling thermoset yang penting dalam perdagangan adalah polyester dough moulding compounds (DMC) yang terdiri dari chopped glass fibres yang dicampurkan ke dalam adonan dengan pre-catalysed resin dan jumlah yang cukup banyak inert filler seperti kapur.

Metal Matrix Composite (MMC)

Atribut dasar metal reinforced dengan partikel hard ceramic atau fibre dapat meningkatkan kekuatan dan kekakuan, improved creep dan fatigue resistance, meningkatkan kekerasan, resistance terhadap pemakaian dan abrasi, dapat memungkinkan beroperasi pada suhu tinggi dibandingkan dengan unreinforced metal atau competing reinforced plastics. Properties ini menawarkan potensi untuk eksploitasi dalam aplikasi mesin dan pipa termasuk compressor, vane dan rotor, piston sleeves dan inserts, connecting rods, dsb.

Teknik yang ada adalah:

-       Unidirectional solidification of eutectics or other constitutionally appropriate alloy

-       Liquid metal infiltration, often under vacuum, of pre packed fibre bundles or other performs

-       Liquid phase infiltration during hot pressing of powder compacts container whiskers or fibre bundles

-       Hot pressing of compacts consisting of matrix alloy shets wrapped of interleaved with arrays of reinforcing wires

-       Hot pressing or drawing of wires pre-coated with the matrix alloy (eq. by electroplating, plasma spraying or chemical vapor deposition (CVI))

-       Co-extrusion of prepared composite billets

Produk yang membutuhkan continuous reinforcement, seperti boron / aluminium composite panels masuk dalam pertimbangan aplikasi aerospace lebih cenderung untuk diproduksi solid state processes, seperti diffusion bonding atau hot pressing dimana critical pressure/time/temperature diperlukan untuk mendapatkan kualitas yang diinginkan.

Ceramic Matrix Composite (CMC)

Proses fabrikasi merupakan proses yang kompleks dan diperlukan untuk dioptimasi karena kesensitifan material properties terhadap microstructure controlled dengan kondisi proses dan interaksi. CMC di US, Japan, dan Europe mencoba untuk reinforce glasses (seperti borosilicates) dan glass ceramic seperti lithium aluminosilicate (LAS) dan calcium aluminosilicate (CAS) dengan fibre seperti Nicalon dan Tyranno Silicon Carbide.

Peningkatan yang penting dalam mechanical properties telah dicapai dengan perbandingan carbon fibre / glass composites. Fibre ini biasanya diisi dengan fine glass powder dan di-hot press.

Hybrid Composites

Composite ini kebanyakan berhubungan dengan fibre reinforced materials, biasanya resin based, dimana 2 type fibre digabung menjadi sebuah matrix agar diperoleh mutu yang lebih baik. Kombinasi material yang tidak serupa dapat digolongkan sebagai hybrid. Contohnya adalah kombinasi lembaran aluminium alloy dengan laminate of fibre reinforced resin à ARALL (aramid-reinforced aluminium) merupakan contoh layered hybrid, dan percampuran fibrous dan particulate filler dalam sebuah resin atau metal matrix menghasilkan jenis hybrid composite yang lain.

Beberapa hybrid dicoba untuk mengurangi biaya composite yang mahal seperti carbon fibre tanpa mengurangi mechanical properties dari original composite.

Defects in Manufactured Polymeric Composite

Semua reinforced plastics composite mengandung defect yang timbul dari berbagai proses manufaktur. Oleh karena itu composite cenderung banyak variabilitas mechanical properties sehingga harus dilakukan control terhadap kondisi proses secara ketat.

Jenis – jenis defect yang dihasilkan pada manufaktur composite:

-       Incorrect state of resin cure, khususnya variasi local exotherm temperature dalam section yang tebal atau complex selama autoclaving

-       Incorrect overall fibre volume fraction

-       Misaligned or broken fibre

-       Non-uniform fibre distribution with resultant matrix rich regions

-       Gaps, overlaps or other faults in the arrangement of plies

-       Pores or voids in matrix rich regions

-       Disbanded interlaminar regions

-       Resin cracks or transverse ply cracks resulting from thermal mismatch stresses

-       Disbands in thermoplastics composites resulting from failure of separated flows to re-weld during moulding

-       Mechanical damage around machined holes

-       Local bond failures in adhesively bonded composite components

Methods of Non Destructive Evaluation (NDE) for Polymer Composites

Pabrikan menggunakan metode NDE ini karena membutuhkan metode yang sensitive terhadap defects dan kerusakan.

1.    Optical Inspection: pada translucent GRP, inspeksi dilakukan dengan transmisi cahaya yang memberikan indikasi adanya pori, poor wetting out, delaminations, dan gross inclusion

2.    Radiographic method: informasi mengenai kualitas composite didapat dengan x-ray inspection. Contact radiographs menunjukkan distribusi fibre telah dianalisis dengan metode difraksi optic untuk memberikan informasi kuantitatif mengenai fibre distribution. Dengan metode ini, resolusi cracks yang panjangnya hanya beberapa mm dan ketebalan 0.1 mm sangat mungkin dalam GRP dan CFRP, dan delaminations sangat mudah untuk dipecahkan

3.    Thermal imaging: dengan deteksi perbedaan temperature sebesar 0.2 derajat celcius dapat dengan mudah dilakukan dengan infra red television photography. Thermal imaging banyak digunakan dalam industry luar angkasa. Teknik ini memiliki keuntungan dibandingkan dengan metode lain : remote monitoring techniques.

4.    Ultrasonic techniques: merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam NDE method untuk composite. Kecepatan dan kondisi lemah dari ultrasonic pulse melewati bahan dan memberikan informasi mengenai physical properties secara umum seperti kekakuan bahan dan struktur seperti kondisi rusak atau cacat dalam bahan. Metode NDE yang paling banyak dikembangkan  adalah C-scan technique yang secara rutin digunakan untuk inspeksi panel besar

5.    Optical fibre sensor: memiliki banyak keuntungan dibandingkan type sensor yang lain karena memiliki immune dari electromagnetic interference, dapat digunakan untuk memonitor beberapa parameter termasuk temperature, pressure, strain dan chemical characteristics dan metode ini juga memberikan kemungkinan yang penting untuk aplikasi on line baik proses optimisasi dan monitoring pelayanan kesehatan.

6.    Microwave methods: dielectric constant of glass lebih besar daripada resin di frekuensi microwave dan teknik untuk mengukur dielectric rata – rata GRP composite dapat dikorelasikan secara memuaskan dengan kandungan kaca pada material. Cacat apapun yang mempengaruhi microwave penetration akan menyebabkan perubahan resonansi, metode ini mampu untuk memonitor kerusakan struktur pada saat pembebanan.

7.    Dynamic mechanical analysis: pada saat stress dan strain dapat dimonitor, maka diharapkan perubahan yang terjadi pada elastic modulus akan memberikan indikasi non destructive kerusakan properties yang disebabkan oleh akumulasi kerusakan. Kerusakan apapun pada struktur akan merubah karakteristik spectrum dan memberikan basis coin tap test yang dapat digunakan untuk memonitor kerusakan composite

8.    Acoustic emission method: perubahan struktur yang tiba – tiba dalam composite, seperti resin cracking, fibre facture, rapid debonding atau interlaminar bonding menyebabkan energy yang tidak berguna yang menyebar ke semua arah. Dengan teknik ini, AE (Acoustic emission) dapat mendeteksinya.

Metode tertua pada NDE method adalah Fokker debond tester yang diproduksi oleh Wells-Krautkramer.

The Use of Composites

Untuk membuat material yang baik dalam engineering materials, maka harus mengerti behavior secara cukup dan mampun memprediksi kinerja pada jangka pendek dan jangka panjang. Jika kita dapat memprediksi behavior ini, maka kita memiliki keyakinan bahwa material yang dirancang akan dapat memenuhi kebutuhan.

Selain itu penting untuk mempertimbangkan penyeleksian bahan dan proses manufaktur.

Environmental Effects

Kondisi lingkungan seringkali berbeda dengan kondisi laboratorium. Tetapi normal performance harus dibuat sebelum efek lingkungan yang agresif, seperti temperature, radiasi ultra violet, lingkungan kimia termasuk oxidizing atmosphere. Ironisnya, lingkungan yang lembab seringkali menjadi penyebab utama untuk designer dalam banyak aplikasi.

Aplikasi Composite

-       Aerospace: fixed wing dan rotary wing aircraft. Pada aerospace membutuhkan material yang ringan dan struktur dengan rigidity yang tinggi.

-       Automotive Engineering: car and truck body mouldings, panel, dan pintu, truck drive shaft, GRP wheel rim, dsb

-       Bio engineering: digunakan untuk tujuan prosthetic seperti orthopaedic fracture fixation plates, femoral stems untuk penggantian bagian paha (hip).

-       Chemical engineering: sudah banyak digunakan untuk container, pressure vessels, pipe-work, valves, centrifuges, etc.

-       Civil / Structural engineering: glass reinforced cement (GRC) dibuat dengan Cem-Fil (alkali resistant glass fibres) terus ditingkatkan penggunaanya sebagai composite structural cement. Contoh penggunaan: folded plate structure, cladding panels, decorative sculptured panels, services mouldings and ducting, racking, pipework, rainwater moulding, domestic and industrial water tanks, form-work for concrete, complete small structures seperti foot bridges

-       Domestic: mouldings semua jenis seperti peralatan dapur dan listrik, helm, televise dan computer casing dan furniture

-       Electrical engineering: valves, insulator, printed circuit board, casing untuk perlengkapan elektronik

-       Marine engineering: superstructure construction of passenger transport vessel, fishing boats dan military vessel

-       Sport: tennis racket, cricket bats, golf clubs, fishing rods, boats, oars, perlengkapan memanah, canoes, dan canoeing gear, surf boards, wind surfers, skateboards, skis, ski-poles, bicycles, protective equipment.

DAFTAR PUSTAKA

-       Groover, M.P. 2002. Fundamentals of Modern Manufacturing: Physical Properties of Materials. John Wiley and Sons.

-       Harris, Bryan. 1999. Engineering composite material. Institute of Material, London.

-       Idol, James D., Lehman, Richard L. 2004. Chapter 12: Materials: Polymer. CRC Press

-       Kailas, S.V. Material Science: Chapter 02, Indian Institute of Science, Bangalore, India.

-       Roylance, D. 2008. Mechanical Properties of Material, Massachussets Institute of Technology (MIT).

-       Shelby, Chapter 3: Glass Making.

-       The Army Institute for Professional Development, Metal Properties, Characteristics, Uses, and Codes, Army Correspondence Course Program, 7^th edition.

-       Tuttle, Mark E. 1992. A Brief Introduction to Polymeric Materials, Department of Mechanical Engineering, University of Washington, Seattle, Washington.

-       U.S. Department of Energy, Pacific Northwest National Laboratory, Introduction to Materials Science and Technology.

-       University of Tennessee, Department of Material Science and Engineering, Introduction to Material Science and Engineering, Chapter 01 & Chapter 13.

-       Van Vlack, L.H. Elements of Material Science and Engineering. Addison Wesley, Massachussets

-       White, Rachel L. 2007. Glass as a Structural Material, a Report for Master of Science, Kansas State University, Manhattan, Kansas

-       -, Chapter 3: Properties of Wood and Structural Wood Product