08/09/2015 1 Composite Materials Nurun Nayiroh, M.Si Pertemuan ke-1 The world of materials PE, PP, PC PA (Nylon) Polymers, elastomers Butyl rubber Neoprene Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton GFRP CFRP Composites KFRP Plywood Alumina Si-Carbide Ceramics, glasses Soda-glass Pyrex Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys Introduction • A Composite material is a material system composed of two or more macro constituents that differ in shape and chemical composition and which are insoluble in each other. The history of composite materials dates back to early 20th century. In 1940, fiber glass was first used to reinforce epoxy. • Advantages – High strength and stiffness – Low weight ratio – Material can be designed in addition to the structure • Applications: – Aerospace industry – Sporting Goods Industry – Automotive Industry – Home Appliance Industry Pengertian Komposit Komposit merupakan kombinasi dari dua material atau lebih yang memiliki fasa yang berbeda menjadi suatu material baru yang memiliki properti lebih baik dari keduanya. Jika kombinasi ini terjadi dalam skala makroskopis maka disebut sebagai komposit. Jika kombinasi ini terjadi secara mikoroskopis (molekular level) maka disebut sebagai alloy atau paduan.
18
Embed
The world of materials Composite Materials - cahaya ilahinurun.lecturer.uin-malang.ac.id/wp-content/uploads/sites/7/2015/09/... · matrix: ferrite (α) (ductile) particles: cementite
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
08/09/2015
1
Composite Materials
Nurun Nayiroh, M.Si
Pertemuan ke-1
The world of materials
PE, PP, PC
PA (Nylon)
Polymers,
elastomersButyl rubber
Neoprene
Polymer foams
Metal foams
FoamsCeramic foams
Glass foams
Woods
Natural
materialsNatural fibres:
Hemp, Flax,
Cotton
GFRP
CFRP
CompositesKFRP
Plywood
Alumina
Si-Carbide
Ceramics,
glassesSoda-glass
Pyrex
Steels
Cast irons
Al-alloys
MetalsCu-alloys
Ni-alloys
Ti-alloys
Introduction• A Composite material is a material system composed of two or more
macro constituents that differ in shape and chemical composition
and which are insoluble in each other. The history of composite
materials dates back to early 20th century. In 1940, fiber glass was
first used to reinforce epoxy.
• Advantages– High strength and stiffness
– Low weight ratio
– Material can be designed in addition to the structure
• Applications:
– Aerospace industry
– Sporting Goods Industry
– Automotive Industry
– Home Appliance Industry
Pengertian Komposit
�Komposit merupakan kombinasi dari dua
material atau lebih yang memiliki fasa yang
berbeda menjadi suatu material baru yang
memiliki properti lebih baik dari keduanya.
� Jika kombinasi ini terjadi dalam skala
makroskopis maka disebut sebagai komposit.
� Jika kombinasi ini terjadi secara mikoroskopis
(molekular level) maka disebut sebagai alloy
atau paduan.
08/09/2015
2
Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya
komposit, yaitu sebagai berikut:
• Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat
spesifik tertentu.
• Mempermudah design yang sulit pada
manufaktur.
• Keleluasaan dalam bentuk/design yang
dapat menghemat biaya
• Menjadikan bahan lebih ringan
Penyusun KompositKomposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa: Matriks dan
Reinforcement/Filler/Fiber
1. Matriks• Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau
fraksi volume terbesar (dominan).
• Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut :
a) Mentransfer tegangan ke fasa yang lain (serat).
b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat.
c) Melindungi fasa serat dari lingkungan.
d) Memisahkan serat.
e) Melepas ikatan.
f) Tetap stabil setelah proses manufaktur.
• Classification: MMC, CMC, PMC
metal ceramic polimer
2. Reinforcement atau Filler atau Fiber
• Salah satu bagian utama dari
komposit adalah reinforcement
(penguat) yang berfungsi sebagai
penanggung beban utama pada
komposit.
• Merupakan fasa terdispersi yang
tujuannya untuk mempertinggi
sifat fasa matriks.
– MMC: increase σy, TS, creep resist.
– CMC: increase Kc
– PMC: increase E, σy, TS, creep resist.
• Classification: Particle, fiber,
structural
woven fibers
cross section view
0.5mm
0.5mmReprinted with permission from
D. Hull and T.W. Clyne, An
Introduction to Composite Materials,
2nd ed., Cambridge University Press,
New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.
Jenis Komposit Berdasarkan
Reinforcement/Filler-nya
Large-
particle
Dispersion-
strengthened
Particle-reinforced
Continuous
(aligned)
Aligned Randomly
oriented
Discontinuous
(short)
Fiber-reinforced
Laminates Sandwich
panels
Structural
Composites
Adapted from Fig.
16.2, Callister 7e.
Gambar Ilustrasi komposit berdasarkan reinforcement-nya
08/09/2015
3
Composite Structural Organization: the design variations • Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan
beberapa daerah dan istilah penyebutannya;
– Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar),
– Fiber (Penahan beban utama),
– Interphase (pelekat antar dua penyusun),
– interface (permukaan phase yang berbatasan dengan phase
lain).
• Secara strukturmikro material komposit tidak merubah material
pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan
material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena
terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler.
• Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara
matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya
gaya adhesi dan kohesi.
• Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara
utama:
– Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena
kekasaran bentuk permukaan partikel.
– Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya
tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion).
– Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya
pengutupan antar partikel.
• Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh
beberapa variabel antara lain:
o Ukuran partikel
o Rapat jenis bahan yang digunakan
o Fraksi volume material
o Komposisi material
o Bentuk partikel
o Kecepatan dan waktu pencampuran
o Penekanan (kompaksi)
o Pemanasan (sintering)
08/09/2015
4
Properties Komposit
Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh:
• Material yang menjadi penyusun komposit.
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan
karakteristik material penyusun menurut rule of mixture
sehingga akan berbanding secara proporsional.
• Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun.
Bentuk dan cara penyusunan komposit akan
mempengaruhi karakteristik komposit.
• Interaksi antar penyusun
Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan
sifat dari komposit.
Perbedaan Komposit dan Alloy
Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal
sistem proses pemaduannya:
o Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih
menampakkan adanya komponen matrik dan komponen
filler, sedangkan alloy telah terjadi perpaduan yang
homogen antara matrik dan filler
o Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan
kekuatan material yang diinginkan dengan mengatur
komposisi dari matrik dan filler, sifat material yang menyatu
dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.
1. Particulate composites
Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement
berbentuk partikel:
a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah
b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan
kekerasan material
c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan
menghalangi pergerakan dislokasi.
Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement
berbentuk partikel:
a) Metalurgi Serbuk
b) Stir Casting
c) Infiltration Process
d) Spray Deposition
e) In-Situ Process
Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu
1)Large particle
2)Dispersion strengthened particle
a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.
b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.
Partikel sebagai penguat
(Particulate composites)
Large particle�Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam
skala atomik atau molekular
�Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi
merata
�Contoh dari large particle composit: cement dengan
sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand
sebagai partikel
08/09/2015
5
• Other examples:Adapted from Fig.
10.19, Callister 7e.
(Fig. 10.19 is
copyright United
States Steel
Corporation, 1971.)
- Spheroidite
steelmatrix: ferrite (α)
(ductile)
particles: cementite(Fe3C)
(brittle)60µm
Adapted from Fig.
16.4, Callister 7e.
(Fig. 16.4 is courtesy
Carboloy Systems,
Department, General
Electric Company.)
- WC/Co
cemented carbide
Matrix : cobalt (ductile)
particles: WC (brittle, hard)Vm:
5-12 vol%! 600µm
Adapted from Fig.
16.5, Callister 7e.
(Fig. 16.5 is courtesy
Goodyear Tire and
Rubber Company.)
- Automobile
tiresmatrix: rubber (compliant)
particles: C (stiffer)
0.75µm
(CERMET)
Concrete – gravel + sand + cement
- Why sand and gravel? Sand packs into gravel voids
Reinforced concrete - Reinforce with steel rebar or remesh
- increases strength - even if cement matrix is cracked
Prestressed concrete - remesh under tension during setting of
concrete. Tension release puts concrete under compressive force
- Concrete much stronger under compression.
- Applied tension must exceed compressive force
threaded
rodnut
Post tensioning – tighten nuts to put under rod under tension