Pengertian Komposit
Material komposit didefinisikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matriks yang bertujuan untuk menghasilkan suatu material baru yang memiliki sifat dan arakteristik yang berbeda dari unsur penyusunnya. Dengan perbedaan material penyusun komposit, maka antara matriks dan penguat harus saling berinteraksi antarmuka (interface), sehingga perlu ada penambahan material katalis berupa wetting agent. Pada material komposit serat berfungsi untuk memperkuat matriks karena pada umumnya serat jauh lebih kuat dibandingkan dengan matriks, sedangkan matriks berfungsi untuk melindungi serat dari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact).
Beberapa defenisi dasar dari komposit sebagai berikut:
- Sub-Mikro (nano): Pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh: senyawa, paduan (alloy), polimer, dan keramik).
- Mikrostruktur: Pada kristal, fase, dan senyawa, bila material disusun dari dua fase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh: paduan Fe dan C).
- Makrostruktur: Material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makro ini yang biasa dipakai dalam mendefinisikan komposit).
Secara umum, penyusun komposit terdiri dari dua atau lebih material yang menimbulkan beberapa istilah dalam komposit, seperti: matriks (penyusun dengan fraksi volume terbesar), penguat (penahan beban utama), interphase (pelekat antara matrik dan penguat), dan interface (permukaan fase yang berbatasan dengan fase lain).
Sifat dan Karakteristik Komposit
Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh beberapa faktor:
a. Material yang menjadi penyusun komposit.
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoretis dengan pendekatan metode rule of mixture (ROM), sehingga akan berbanding secara proporsional.
b. Bentuk dan struktur penyusun dari komposit.
Bentuk (dimensi) dan struktur (ikatan) penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.
c. Interaksi antar penyusun.
Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.
Klasifikasi Komposit
Pada umumnya komposit dapat dibagi menjadi tiga kategori, antara lain:
1. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC). Bahan ini merupakan bahan yang paling sering digunakan atau sering disebut dengan Polimer Berpenguatan Serat (Fibre Rainforced Polymers or Plastics – FRP). Komposit ini menggunakan suatu polimer berbasis resin sebagai matriksnya, dan jenis serat tertentu sebagai penguat, seperti: serat kaca, karbon, dan aramid (kevlar).
2. Kompsit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC). Material komposit ini biasanya digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) yang terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida.
3. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC). Ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini pada umumnya menggunakan suatu logam seperti aluminium (Al) sebagai matrik dan penguatnya dengan serat silikon karbida (SiC).
Komposit berdasakan jenis penguat yang digunakan dapat dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel.
b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat.
c. Structural composite, cara penggabungan material komposit berbentuk laminat (panel).
Komposit Matrik Logam
Komposit Matrik Logam (KML) adalah kombinasi rekayasa material yang terdiri dari dua atau lebih bahan material (salah satunya logam), dengan berbagai bentuk dan sifat yang dilakukan secara kombinasi dan sistematik pada kandungan-kandungan yang berbeda pada material tersebut sehingga menghasilkan suatu material baru yang memiliki sifat dan karakteristik yang lebih baik dari bahan dasar penyusunnya.
Penelitian dan pengembangan mengenai komposit matrik logam (KML) sudah mulai dilakukan pada tahun 1960-an, akan tetapi masih banyak mengalami kendala karena pembuatan komposit matrik logam memerlukan biaya yang relatif tinggi, minimya pengembangan tentang pengetahuan tentang komposit matrik logam dan lain-lain. Namun dewasa ini, karena kebutuhan akan suatu material yang memiliki karakteristik yang lebih baik dari bahan konvensional serta perkembangan teknologi rekayasa material yang berkembang sangat pesat, sehingga kendala-kendala yang selama ini ditemukan dalam proses pembuatan komposit matrik logam dapat diatasi terlebih karena didukung oleh tersedian bahan baku seperti: serat karbon dan boron, kristal whisker dan secara tak langsung oleh keberhasilan komposit matrik polimer. Industri ruang angkasa (aerospace) dan teknologi pertahanan tertarik dengan prospek material konstruksi jenis komposit matrik logam tersebut, karena memiliki kekuatan, kekakuan, dan spesifik yang tinggi.
Berbeda dengan material matriks tanpa penguat dan bahan konvensional, komposit matrik logam diharapkan menjadi suatu material yang tahan terhadap temperatur yang relatif tinggi. Selain itu, dalam konsep pembuatan komposit matriks logam mempunyai prospek yang lebih menjanjikan karena karakterisrik bahan yang tahan terhadap suhu tinggi, memiliki batas kelelahan yang baik (fatigue), sifat redaman, daya hantar listrik, kondiktivitas termal, ketahanan terhadap korosi, kekerasan yang cukup baik, memiliki bobot yang ringan, ketahanan aus (wear resistance), dan koefesien muai termal (CTE) yang lebih baik.
Dewasa ini, pembuatan komposit matriks logam telah dikembangkan dengan menggunakan penguat partikel, dan yang dapat diaplikasikan untuk berbagai industri karena penguat partikel merupakan komposit jenis Discontinous Metal Matrix Composite’s (DMMC), dan komposit jenis ini sering disebut dengan komposit isotropik yang artinya semua arah penguat memiliki nilai yang sama dan komposit dengan penguat jenis partikel juga mudah diproses. Matrik berbasis logam dengan kerapatan (densitas) yang rendah secara bertahap telah banyak dikembangkan. Material utama matriks yang umum dikembangkan adalah aluminium, titanium, dan magnesium. Dalam pembuatan komposit matriks logam, yang paling banyak dikembangkan adalah komposit matrik logam berbasis aluminium, dan penguat yang digunakan adalah partikel SiC karena disamping harga bahan baku yang relatif murah juga mudah didapat, sehingga partikel SiC banyak digunakan untuk penguat dalam pembuatan komposit matriks logam. Disamping itu, pembuatan komposit matriks logam juga sering menggunakan penguat alumina.
Dibandingkan dengan logam monolitik, komposit matrik aluminium berpenguat partikel SiC memiliki sifat-sifat, sebagai berikut:
a) Memiliki kekuatan yang lebih tinggi.
b) Memiliki sifat kekakuan yang lebih tinggi.
c) Memiliki ketahanan lelah yang baik.
d) Lebih tahan terhadap suhu yang relatif tinggi.
e) Memiliki koefesien ekspansi termal dan konduktivitas termal yang baik.
f) Umur pemakain lebih lama karena tahan terhadap korosi.
Kelebihan komposit matriks aluminium berpenguat partikel SiC dibandingkan dengan komposit matriks polimer:
a) Ketahanan terhadap suhu yang tinggi.
b) Tahan terhadap api.
c) Memiliki tingkat kekakuan dan kekuatan yang lebih tinggi.
d) Tahan terhadap suhu yang lembab.
e) Memiliki sifat listrik dan sifat termal yang baik.
f) Ketahanan terhadap radiasi.
g) Pembuatan komposit matrik logam yang menggunakan penguat whisker maupun partikel dapat dibuat dengan cara konvensional.
Dalam proses pembuatan komposit matrik logam dengan menggunakan matriks Al dan penguat SiCp, telah dilakukan dan dikembangkan dengan beragam metode, baik untuk komponen siap pakai maupun setengah jadi untuk pemerosesan lebih lanjut (seperti bilet untuk ekstrusi, pengerolan, dan pengempaan) berbagai metode proses pembuatan (manufacturing) komposit matriks logam masih terus dilakukan dalam tahap penelitian di laboratorium atau skala pengembangan industri.
Secara umum, metode proses pembuatan komposit matriks logam, meliputi: peleburan logam matriks (proses liquid), pencampuran serbuk (metalurgi serbuk atau solid), atau deposisi uap (vapor deposition). Komposit matrik aluminium berpenguat keramik SiC umumnya diproses dengan metode metalurgi serbuk (Powder Metallurgy), proses pembuatan komposit dengan metode serbuk memiliki tiga tahapan yaitu pencampuran (mixing), penekanan (compaction), dan proses pensinteran (akan dibahas secara rinci pada sub berikutnya, pada proses pabrikasi. komposit logam Al/SiCp). Campuran serbuk matriks logam aluminium dan partikel penguat SiC juga dapat dilakukan dengan cara: pencampuran mekanik (mechanical alloying), pencampuran partikel dengan logam cair (pengadukan lelehan), pencoran kempa (compachasting), rheocasting, dan spray deposition (Smallman, 1995).
Pada era 1980-an, komposit matriks aluminium dengan menggunakan penguat tak kontinu telah dikembangakan dan diaplikasikan dibidang transportasi. Komposit matriks logam dengan menggunakan penguat tak kontinu merupakan jenis komposit yang isotropik dan memiliki sifat mekanik yang lebih baik (dibandingkan dengan logam tanpa penguat) dan memiliki harga yang relatif murah (proses pembuatan murah karena penguat tak kontiniu banyak tersedia di alam seperti partikel SiC dan Al2O3).
Aluminium
Aluminium merupakan material mineral yang melimpah di permukaan bumi, yaitu sekitar 7,6 %. Dengan jumlah sebesar itu, aluminium merupakan unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silikon, serta merupakan unsur logam yang paling melimpah. Namun, Aluminium tetap merupakan logam yang mahal karena pengolahannya sukar. Mineral aluminium yang bernilai ekonomis adalah bauksit yang merupakan satu-satunya sumber aluminium. Kriloit digunakan pada peleburan aluminium, sedangkan tanah liat banyak digunakan untuk membuat batu bata dan keramik.
Beberapa penggunaan aluminium, antara lain:
a. Sektor industri otomotif, untuk membuat bak truk dan komponen kendaraan bermotor.
b. Untuk membuat badan pesawat terbang.
c. Sektor pembangunan perumahan; untuk kusen pintu dan jendela.
d. Sektor industri makanan, untuk kemasan berbagai jenis produk.
e. Sektor lain, misal untuk kabel listrik, perabotan rumah tangga dan barang kerajinan.
f. Membuat termit, yaitu campuran serbuk aluminium dengan serbuk besi (III) oksida, digunakan untuk mengelas baja in-situ, misalnya untuk menyambung rel kereta api.
Logam aluminium tergolong logam yang ringan dan memiliki massa jenis 2,78 gr/cm3. Sifat-sifat fisis yang dimilki aluminium, antara lain :
a. Ringan, tahan korosi dan tidak beracun maka banyak digunakan untuk alat rumah tangga seperti panci, wajan dan lain-lain.
b. Reflektif, dalam bentuk aluminium foil digunakan sebagai pembungkus makanan, obat, dan rokok.
c. Daya hantar listrik dua kali lebih besar dari Cu, maka Al digunakan sebagai kabel tiang listrik.
d. Paduan Al dengan logam lainnya menghasilkan logam yang kuat seperti Duralium (campuran Al, Cu, Mg) untuk pembuatan badan peswat.
e. Al sebagai zat reduktor untuk oksida MnO2 dan Cr2O3.
Silicon Carbida (SiC)
Silicon Carbida (SiC) adalah material keramik non oksida yang dibuat dengan memanaskan karbon dengan silika di dalam tungku listrik. Politipe silicon karbida yang paling sederhana adalah struktur intan. Dikenal beberapa fase dalam dari SiC, antara lain: fase kristalin yang terdiri dari α-SiC dengan truktur heksagonal dan β-SiC dengan struktur kubus.
Dalam β-SiC atom Si dan C teletak pada posisi berselang-seling dari tipe intan kubus, sedangkan α-SiC mempunyai susunan heksagonal dan rhombohedral dan mempunyai tetrahedral. Pada suhu 2700 oC SiC terdekomposisi menjadi gas Si dan grafit. Pada temperatur oksidatif SiC senderung membentuk lapisan oksida SiO2, sehingga pada atmosfer oksidatif SiC tahan hingga suhu 1500-1699 oC, serta tahan hingga suhu 2200 oC pada temperatur inert. Sifat SiC yang istimewa, antara lain: memiliki densitas 3,22 g.cm-3, memiliki hantaran panas yang tinggi, tahan pada temperatur yang tinggi, nilai kekerasan yang tinggi, tahan kejutan termal yang baik karena merupakan kombinasi dari hantaran panas yang tinggi dan koefesien muai panas yang rendah, serta tahan koros.
