Post on 11-Dec-2014
MAKALAH KOMPOSIT MATRIK KERAMIK UNTUK INDUSTRI GAS TURBIN
Oleh :Ella Nurkumala (1110 100 011)Anggriz Bani Rizka (1110 100 014)
DOSEN :
Dr. Mahuri, S.Si., M.Si.
NIP. 19691219 199402.1.001
Jurusan FisikaFakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya
2013
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
BAB IPENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang material
menunjukkan inovasi yang luar biasa terutama untui material maju (advanced
materials) seperti komposit keramik. Suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang
terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu
sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil
akhir bahan tersebut atau yang lebih dikenal dengan nama bahan komposit.
Memiliki banyak keunggulan diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yang
lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena
berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari
komposit serat karbon lebih tinggi daripada semua paduan logam. Salah satu jenis
komposit yang banyak menarik perhatian adalah komposit matriks keramik
(Composit Matrik Ceramics /CMC ) karena sifatnya yang tahan pada temperature
tinggi. Komposit matrik keramik merupakan komposit yang menggunakan
keramik sebagai matrik atau resinnya. Inovasi komposit keramik meng Uat
disebabkan oleh munculnya tantangan-tantangan dalam penggunaan material
keramik, seperti diketahui bahwa keramik mempunyai keunggulan tahan aus,
tahan suhu tinggi serta berat jenis yang lebih rendah disbanding dengan material
lain seperti logam dan polimer. Sedangkan kelemahannya adalah antara lain
rendahnya tahan kejut termal dan rapuh Komposit matrik keramik ini dapat
diaplikasikan pada berbagai komponen mesin salah satunya seperti gas turbin.
Pengembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yaitu
sampai bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang dan
untuk instalasi darat yang dapat dipakai untuk membangkitkan tenaga listrik, sudah
menghabiskan waktu yang cukup lama. Sejak abad yang lalu sudah dimulai usaha
untuk mengembangkan turbin gas, tetapi kurang berhasil dan perkembangan
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 2
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
selanjutnya pun dapat dikatakan agak lambat bila dibandingkan dengan tenaga uap
yang mencapai kemajuan pesat dengan makin tingginya tekanan dan temperatur uap.
Konstruksi dan cara kerja turbin gas sangat mudah bila hanya dilihat dari kertas
gambar desain, tetapi kenyataannya bila diwujudkan menjadi sangat sukar karena
pemakaian bahan bakar turbin harus dibuat hemat.
Temperatur gas untuk turbin yang dipakai diindustri adalah 950oC, dan di
pesawat terbang bisa mencapa 12000 oC. Karena itu turbin gas sudah mempunyai arti
yang sangat besar, karena untuk penggerak pesawat terbang dengan daya yang besar
harus memakai turbin gas dan sudah tidak ada alternatif pembangkit daya yang lain,
sebab ukuran luar dan berat turbin gas tidak bisa disaingi oleh mesin-mesin yang lain.
Karena turbin gas ini sangat efisien dalam menghasilkan daya, dengan berat dan
ukuran turbin gas yang tidak terlalu besar, maka turbin gas ini menjadi salah satu
sumber energi yang efisien yang biasanya dipakai di pesawat terbang atau
pembangkit tenaga listrik. Tetapi masalahnya adalah, gas yang berada di dalam turbin
gas mempunyai suhu yang sangat tinggi dan tekanan yang sangat tinggi pula,
sehingga tidak sembarang material bisa digunakan untuk membuat turbin ini. Salah
satu material yang berpotensi adalah komposit matriks keramik, keramik dipilih
sebagai matriks karena ketahanan terhadap tekanan tinggi dan titik leleh yang juga
cukup tinggi, dan jika dibuat menjadi komposit maka akan bisa dikombinasikan sifat
keras tersebut dengan bahan lain sebagai filler, sehingga bisa dibuat material yang
kuat, keras, tahan panas dan tekanan, serta tidak mudah patah. Oleh karena itu, akan
pada makalah ini akan dibahas tentang komposit matrik keramik untuk industri
gas turbin.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 3
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
BAB IITINJAUAN PUSTAKA
KOMPOSIT
2.1 Definisi 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 dengan sifat material dasar
sebelum dicampur dan terjadi ikatan antar 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 definisi komposit ini dari beberapa tahap seperti yang telah
digariskan oleh Schwartz :
Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang
disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa, pad-
uan, polymer dan keramik).
Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun
dari dua phase 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 atau komposisi dan tidak
larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara
makro ini yang biasa dipakai. Secara umum material komposit didefin-
isikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matriks. Serat
berfungsi memperkuat matriks. Matriks berfungsi melindungi serat dari
efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact)
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 4
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Kroschwitz dan rekan telah menyatakan bahwa komposit adalah bahan
yang terbentuk apabila dua atau lebih komponen yang berlainan digabungkan.
Rosato dan Di Matitia pula menyatakan bahwa plastik dan bahan-bahan penguat
yang biasanya dalam bentuk serat, dimana ada serat pendek, panjang, anyaman
pabrik atau lainnya. Selain itu ada juga yang menyatakan bahwa bahan komposit
adalah kombinasi bahan tambah yang berbentuk serat, butiran atau cuhisker
seperti pengisi serbuk logam, serat kaca,karbon, aramid (kevlar), keramik, dan
serat logam dalam julat panjang yang berbedabeda didalam matriks.
Definisi yang lebih bermakna yaitu menurut Agarwal dan Broutman, yaitu
menyartakan bahwa bahan komposit mempunyai ciri-ciri yang berbeda untuk dan
komposisi untuk menghasilkan suatu bahan yang mempunyai sifat dan ciri ter-
tentu yang berbeda dari sifat dan ciri konstituen asalnya. Disamping itu kon-
stituen asal masih kekal dan dihubungkan melalui suatu antara muka. Konstituen-
konstituen ini dapat dikenal pasti secara fisikal. Dengan kata lain, bahan komposit
adalah bahan yang heterogen yang terdiri dari darifasa tersebar dan fasa yang
berterusan. Fasa tersebar selalunya terdiri dari serat atau bahan pengukuh, man-
akala yang berterusannya terdiri dari matriks.
2.2 Penyusun Komposit
Komposite tersusun oleh matriks dan filler. Filler adalah bahan pengisi
yang digunakan dalam pembuatan komposit, biasanya berupa serat atau serbuk.
serat yang sering digunakan dalam pembuatan komposit antara lain serat E-Glass,
Boron, Carbon dan lain sebagainya. Bisa juga dari serat alam antara lain serat
kenaf, jute, rami, cantula dan lain sebagainya. Menurut Gibson R.F, (1994)
mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan
polimer, logam, maupun keramik. Matrik secara umum berfungsi untuk mengikat
serat menjadi satu struktur komposit. Matrik memiliki fungsi sebagi berikut :
a. Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur.
b. Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan.
c. Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 5
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
d. Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dan
tahanan listrik.
Ada dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah
penyebutannya. Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Penguat (pena-
han beban utama), Intherphase (pelekat antar dua penyusun), Interface (per-
mukaan phase yang berbatasan dengan phase lain).
Gambar 1. Penyusun Komposit
2.3 Karakteristik Komposit
Sifat maupun karakteristik 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
Bentuk dan cara penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik
komposit
Interaksi antar penyusun
Bila terjadi interaksi antar penyusun maka akan meningkatkan sifat
dari komposit
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 6
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Sifat bahan komposit tidak hanya ditentukan oleh komposisi bahan pembangun-
nya, melainkan juga geometri (ukuran partikel, distribusi dan orientasi) dan kon-
sentrasi bahan pembangunnya.
2.4 Klasifikasi Komposit
Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga
kelompok besar yaitu:
a. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik
b. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik
c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik
Bahan komposit dapat dikelompokkan kedalam empat bagian utama yaitu:
1. Matriks merupakan penyusun dasar komposit yang memiliki jumlah besar.
Matriks dapat berupa logam, keramik atau polimer.
2. Bahan penguat (Reinforcement) merupakan penyusun komposit yang
memperkuat dan meningkatkan sifat-sifat mekanik matriks.
3. Bahan pengisi (filter) merupakan bahan untuk meningkatkan sifat dan jum-
lah bahan komposit sehingga mengurangi biaya produksi.
4. Bahan penambah (Additive) merupakan bahan untuk meningkatkan rekatan
antar matriks dan penguat.
2.5 Keunggulan Komposit
Bahan komposit memiliki banyak keunggulan. Diantaranya berat yang
lebih ringan, kekuatan dan kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki
biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan
baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari komposit serat karbon lebih tinggi
daripada semua paduan logam (William, 2003).
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 7
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
KERAMIK
2.6 Pengertian Keramik
Pengetahuan dan seni menggunakan dan membuat benda padat dari bahan
anorganik non metalik dikenal sebagai keramik. Kata keramik berasal dari kata
Yunani keramos yang artinya seni dan pengetahuan membuat dan menggunakan
bahan padat yang dibentuk dengan aksi panas dari bahan baku tanah (earthy raw
materials). Dari pengertian keramik diatas, yang termasuk didalamnya tidak hanya
bahan-bahan seperti gerabah, porselen, semen dan gelas, akan tetapi termasuk
juga magnet non metal, feroelektrik, bahan kristal tunggal, superkonduktor dan
bahan lain yang akan ditemukan pada saat mendatang. Karena variasi jenis bahan
keramik banyak, maka dapat dibuat produk-produk keramik yang banyak pula
variasinya. Dari ukuran mikroskopik whisker, magnet yang tipis, substrat chips
hingga ukuran dalam orde ton seperti blok-blok bahan tahan panas (refractory)
tungku, demikian juga bahan transparan yang tidak berporositas seperti kristal
gelas.
Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk
berbagai aplikasi termasuk :
kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
Tahan korosi. Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor,
konduktor bahkan superkonduktor.
Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik.
Tahan kejut termal, keras dan kuat, namun rapuh.
Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik , yakni ikatan ionik dan
kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan.
Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan
amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturanjarak dekat
maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 8
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
pendeknya ada, namun jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik
dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2.
Jenis ikatan yang dominan (ion dan kovalen) dan struktur internal
(kristalin atau amorf) mempengaruhi bahan-bahan keramik. Umumnya senyawa
keramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia dibandingkan elemennya.
Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball clay, kuarsa, kaolin,
dan air.Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia, dan
mineral. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung lingkunan geologi dimana
bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron
bebas. Kurangnya beberapa elektron bebas kermaik membuat sebagian besar
bahan keramik secara kelistrikanbukan merupakan konduktor dan juga mejadi
konduktor panas yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh,
keras, dan kaku. Keramik secara umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik
dibanding dengan kekuatan tariknya.
2.7 Klasifikasi Keramik
Dari pandangan sejarah perkembangannya, keramik dapat dikelompokkan
menjadi dua kelompok besar, yaitu keramik tradisional dan keramik baru.
Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan mengguanakan
bahan alam, seperti kuarsa, kaolin, dll. Keramik ini merupakan hasil
produk silikat, produk lempung (clay), semen, dan gelas silikat. Ynag
termasuk keramin ini adalah : barang pecah belah (dinnerware), keperluan
rumah tangga (tile, bricks), dan untuk industri (refactroy).
Keramik Baru
Fine Ceramics (keramik modern atau bisa disebut keramik teknik,
advanced ceramic, engineering ceramic) adalah keramik yang dibuat
dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti : oksida
logam (Al2O3, ZrO2, MgO, dll). Pengguananya : semikonduktor,elemen
pemanas, komponen turbin, dan pada bidang medis. Keramik modern
mempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadap
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 9
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
temperatur tinggi, sifat mekanis yang lebih baik, sifat listrik yang spesifik,
tahan terhadap bahan kimiawi, menjadikan keramik menjadi berkembang.
GAS TURBIN2.8 Turbin Gas
Ada beberapa jenis turbin gas, yang pertama adalah steam turbine.
Hampir kebanyakan pembangkit atau power plant menggunakan batubara, gas
alam, minyak atau reaktor nuklir untuk memproduksi uap / steam. Uap tersebut
akan dialirkan melalui turbin bertingkat dengan ukuran yang sangat besar dan
dengan desain yang rumit, untuk memutar poros output turbin dimana poros inilah
yang biasa digunakan untuk memutar generator pembangkit.
Kedua adalah turbin air, digunakan PLTA dengan menggunakan prinsip
yang hampir sama dengan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Turbin air
secara desain atau bentuk berbeda dengan apa yang terlihat pada turbin uap,
dikarenakan fluida kerja yang berupa air ini memiliki densitas yang lebih besar
( bergerak lebih lambat ) dibandingkan uap, namun secara prinsip kerja adalah
sama. Kemudian turbinangin, menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya.
Turbin angin ini sama sekali berbeda dengan kedua turbin di atas karena angin
yang digunakan angin alam yang bergerak sangat lambat, ringan , namun sekali
lagi turbin angin juga menggunakan prinsip yang sama.
Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesin
turbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanan
sendiri dengan membakar bahan seperti propana, natural gas, kerosene atau bahan
bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan
udara, sehingga udara panas dengan kecepatan sangat tinggi ini mampu
memutarkan turbin.
Turbin gas ini dipilih sebagai mesin tank ataupun mesin pesawat terbang.
Ada dua hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungan
daripada turbin gas. Mesin turbin gas memiliki rasio power-to-weight yang besar
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
dibandingkan dengan mesin diesel lainnya. Tentu ini sangat bermanfaat untuk
meminimaliskan bobot daripada tank namun tetap memiliki tenaga yang
besar. Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan
mesin lainnya dengan daya yang sama.
Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibanding
mesin lainnya, kelemahan tersebut yaitu masih mahalnya biaya rakit dan material
komponennya. Hal ini wajar mengingat bahwa turbin gas beroperasi pada
kecepatan dan pada temperatur yang sangat tinggi sehingga diperlukan
perencanaan yang rumit sekaligus proses produksinya yang tidak mudah. Selain
itu turbin gas juga cenderung lebih banyak menghabiskan bahan bakar saat
mesin diam/idle karena memang lebih banyak beroperasi pada beban konstan
daripada fluktuatif. Hal – hal yang telah dikemukakan tadi menjadi alasan kenapa
turbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang dan juga pada
pembangkit listrik.
2.9 Proses Singkat pada Turbin gas
Turbin gas secara teori tidak begitu rumit. Terdapat 3 komponen atau bagian
utama yaitu :
1. Compressor
Menaikkan tekanan udara yang masuk
2. Combustion Area
Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangat
tinggi begitu pula dengan kecepatannya.
3. Turbin
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasil
dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbi
Gambar 1. Komponen utama turbin gas
COMPRESSOR
Pada Mesin Turbin seperti dibawah, udara dengan tekanan normal masuk
dengan cara dihisap oleh compressor yang biasanya berbentuk silinder kerucut
dengan beberapa fan blade yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udara
tersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbin
kenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yang
digunakan yaitu axial flow dan radial flow.
Gambar 2. Radial flow compressor.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Gambar 3. Axial flow compressor
RADIAL FLOW AXIAL FLOW
KEUNTUNGAN · Efisien· Rasio kompresi tinggi
(20:1)
· Simple dan tidak mahal
· Relatif ringan bobotnya.
KELEMAHAN · Desain kompleks
· Mahal
· Kurang efisien
· Frontal Area yang besar
· Rasio Kompresi terbatas (4:1)
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Gambar 4. Combustion Area
Udara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke
bagian Combustian Area dimana sebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan
bakar dengan aliran konstan. Bahan bakar yang biasa digunakan disini adalah
karosene, jet fuel, propana dan gas alam. Udara yang memasuki area ini adalah
udara bertekanan tinggi dan mempunyai kecepatan hampir pada 100 mil per jam,
sedangkan kita tetap ingin mempertahankan nyala api secara kontinyu di area
tersebut. Komponen yang menjadi solusi permasalahan tersebut adalah
sebuah flame holder atau can. Can ini berupa komponen pelindung api yang
terbuat dari baja berat yang bentuknya berlubang-lubang. Setengah bagian dari
can dapat dilihat pada gambar pandangan cross section di atas, dimana Injector di
sebelah kanan. Udara bertekanan tinggi masuk melalui lubang-lubang can. Gas
keluar di sebelah kiri dan memasuki turbin. Turbin ini merupakan satu set / satu
unit dengan kompresor dan poros.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Gambar 5. Turbin seporos dengan compresor tetapi tidak saling
berhubungan
Di bagian paling kiri sendiri pada gambar di atas adalah yang disebut final
turbine stage. Turbin ini memutarkan poros keluaran / output. Kedua bagian
terakhir ini tidak terkoneksi dengan apapun, jadi unit bebas, tidak terkait dengan
komponen turbin lainnya. Sedangkan pada kasus penggunaan turbin pada
kendaraan tempur tank atau sebuah pembangkit listrik, gas buang tidak berguna
sehingga akan dibuang melaui sebuah saluran pipa buang. Namun terkadang
energi panas gas buang bisa berguna untuk alat penukar kalor atau untuk
preheating sebelum udara masuk kompresor.
Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin
mengingat turbin gas beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang
sangat tinggi. Sehingga material yang digunakan untuk membuat turbin tidak
sembarangan. Salah satu solusinya adalah CMCs (Komposit matrik keramik) yang
akan dijelaskan pada subbab berikutnya.
KOMPOSIT MATRIK KERAMIK 2.10 Komposit Matrik Keramik
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Ceramic Matrik Composite (menggunakan matriks keramik). CMC
merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement dan 1
fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Reinforcement
yang mum digunakan pada CMC adalah: oksida, carbide, nitride. Salah satu
proses pembuatan dari CMC yaitu dengan proses DIMOX yaitu proses
pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbhan
matriks keramik disekeliling daerah filler.
Istilah Metal Matrix Composite (MMC) mencakup berbagai macam sistem
dan juga struktur mikro yang berjangkauan luas, pada umumnya adalah matriks
yang bersifat logam dengan bahan penguatnya adalah keramik walaupun terdapat
juga berbagai jenis bahan penguat yang lain. MMC bisa juga meliputi bahan-
bahan yang diperkuat fasa lemah seperti serpihan grafit, serbuk partikel atau
bahkan gas. Dimungkinkan juga untuk menggunakan logam refraktori,
intermetalik atau semikonduktor. Tipe- tipe MMC biasanya dikelompokkan
berdasarkan penguatnya menjadi sebagai berikut:
a. Partikulasi
Partikulasi yaitu MMC yang mempunyai sudut hampir sama. Partikulasi
MMC digunakan secara luas dalam aplikasi industri. MMC jenis infokus
pada matrik Al dengan bahan penguat yang paling umum adalah SiC atau
Al2O3. Penguat lain seperti TiB2B4C, SiO2, TiC, Wc, BN, ZrO2, W
danlain- lain juga telah diteliti.
b. Serat pendek (dengan atau tanpa pensejajaran)
Pada pertengahan 1980-an, MMC serat pendek mendapat perhatian luas
dengan dikembangkannya piston- piston mesin diesel yang diperkuat
dengan serat-serat alumina pendek (Contohnya ICI “saffil”). Serat lain
yang mirip (alumino-silicate) juga sudah digunakan untuk aplikasi ini.
Serat- serat ini memiliki kristal majemuk berstruktur mikro dengan butiran
halus, panjang serat berukurann beberapa mikro. Komponen- komponen
tersebut biasanya diperoleh dengan infiltrasi leburan.
c. Serat Panjang Sejajar
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Beberapa sistem MMC serat panjang telah diteliti dan beberapa
diantaranya telah digunakan dalam aplikasi tertentu. Namun demikian
pemanfaatannya terbatas sebagai konsekwensi dari kesulitan pemrosesan
serta keterbatasan kekenyalan dan kekerasan. MMC serat panjang tersedia
dalam bentuk mutifilamen, yaitu mengacu pada serat yang berdiameter
relatif kecil (~ 5- 30 mµ). Serat ini cukp fleksibel untuk ditangani dalam
bentuk “tows” (serat yang tidak bergulung atau membentuk ikatan
simpul), bisa dengan ditenun, dianyam atau berbentuk lembaran. Material
yang sesuai meliputi SiC dan berbaga oksida. MMC multifilamen
diproduksi dengan cara infiltrasi leburan. Kendat SiC telah berhasil
digunakan dalam partikulasi MMC tetapi multifilament. Serat SiC yang
cocok sebagai bahan pengikat logam tidak tersedia dipasaran. Produk yang
tersedia dipasaran dengan merek Nicalon cenderung mengandung silika
dan karbon bebas dengan kadar tinggi yang menyebabkan reaksi
berlebihan terhadap kebanyakan bahan pengikat selama pemrosesan.
MMC. monofilamen adalah serat berdiameter besar (~ 100- 150 mµ),
biasanya diperoleh dengan cara Chemical Vapor Deposition (CVD)
dengan inti SiC atau Boron (B) ke inti serat karbon atau kawat tungsten.
Monofilamen kurang lentur dibanding multifilamen sehingga ditangani
sebagai serat tunggal dan perlu adanya peringatan akan bahaya permukaan
yang tajam.
MMC merupakan kombinasi dari metal (sebagai matrik) dengan dua atau
lebih material non metal (sebagai reinforcement) yang digabungkan dalam skala
makroskopis untuk membentuk material baru yang berguna. Metal matrik
komposit ini mempunyai sifat-sifat yang terbaik dari unsure-unsur penyusunnya
bahkan seringkali memiliki beberapa sifat lain yang tidak ada pada unsure
penyusunnya itu. Sifat yang dapat dihasilkan dengan membentuk suatu metal
matrik komposit adalah kekuatan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus,
umur fatik, sifat konduktifitas listrik dan lain-lain.
2.11 Komposit Matrik Keramik untuk Gas Turbin
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Fabrikasi komposit matriks keramik ini, bentuknya meniru dengan bentuk
turbin gas yang sudah ada, karena disini kita hanya bermaksud untuk mengganti
bahan materialnya, bukan untuk mendesign bentuk turbin yang lebih efisien.
Pengembangan bahan suhu tinggi selama empat puluh tahun terakhir telah
menjadi salah satu faktor kunci yang bertanggung jawab untuk perbaikan kinerja
gas turbin. Bahan yang digunakan saat ini adalah paduan nikel dan kobalt, yang
dalam banyak kasus bisa digunakan pada suhu sampai ~1100oC, lebih kecil 50oC
dari temperatur leleh. Akibatnya, ada kebutuhan yang serius untuk
mengembangkan bahan yang dapat digunakan pada suhu yang lebih tinggi dari ~
1100oC.
Keramik adalah bahan tahan api yang dengan demikian memungkinkan
untuk diaplikasikan pada turbin gas. Keramik monolitis, seperti SiC dan Si3N4,
telah ada selama lebih dari 40 tahun tapi belum bisa diaplikasikan dalam gas
turbin karena mereka tidak terlalu tahan terhadap tekanan dan bisa mengalami
retakan serempak. Komposit matriks keramik, terutama yang diperkuat dengan
serat, mengurangi toleransi kerusakan dan dengan demikian memungkinkan untuk
diaplikasikan untuk turbin gas.
Dua kelas CMC yang cukup cocok untuk aplikasi dalam suhu tinggi
adalah oksida serat komposit matriks, disebut oksida / oksida komposit, dan
komposit matrik silikon karbida diperkuat serat silikon, disebut SiC / SiC
komposit. Oksida / oksida komposit terbatas pada suhu ~ 1100oC karena
kurangnya ketersediaan serat oksida yang tahan suhu tinggi. Selain itu, karena
konduktivitas termal rendah dan koefisien ekspansi termal yang tinggi, oksida-
oksida komposit ketika terkena kejutan termal rentan untuk retak, yang jelas tidak
memenuhi persyaratan utama untuk aplikasi di bagian panas turbin gas.
Sebaliknya, SiC / SiC komposit lebih memungkinkan untuk aplikasi suhu tinggi
karena ketersediaan serat yang tahan suhu tinggi dan SiC lebih tahan kejutan
termal.
Selama lebih dari 10 tahun, telah dikembangkan melt infiltrated SiC / SiC
komposit. Komposit ini dibuat oleh infiltrasi lelehan silikon menjadi bentuk yang
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
baru yaitu serat silikon yang terlapisi BN yang tertanam dalam matriks SiC dan /
atau karbon. Pada saat infiltrasi (perembesan), silikon bereaksi dengan karbon
membentuk silikon karbida, dan pori-pori yang tersisa diisi dengan silikon
menghasilkan komposit dengan silikon-silikon karbida matriks dan serat silikon
karbida dilapisi BN. Serat yang terlapisi BN memberikan toleransi kerusakan
pada komposit.
Melt Infiltrated (MI) SiC / SiC komposit sangat menarik untuk aplikasi
turbin gas karena konduktivitas termal tinggi, termal resistensi shock yang baik,
tahan terhadap pemuluran, dan tahan oksidasi dibandingkan dengan CMC lainnya.
2.12 Pengujian Sampel Komposit Matrik Keramik
Pengujian dilakukan dengan alat yang diperlihatkan seperti gambar
dibawah :
Gambar 6. Bentuk SiC/SiC komposit yang sudah difabrikasi.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 1
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
Gambar 7. Pengujian kekuatan dari komposit matrik keramik sampel
turbin.
Pengujian dilakukan dengan memberikan aliran panas dan tekanan tinggi
dari suatu arah, dan dilihat sampai mana bahan tersebut tahan dan berapa tekanan
maksimum dan suhu maksimum yang bisa diampu. Lebih dari 1000 jam pengujian
mesin sukses telah dilakukan. Detilnya tidak akan dibahas disini karena terlalu
panjang dan rumit. Meskipun kemajuan substansial telah dibuat, risiko yang signifikan
dan tantangan masih tetap ada sebelum komposit ini dapat dikomersialisasikan untuk
komponen turbin gas.
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 2
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
DAFTAR PUSTAKAOhio.1993. “Aluminum and Aluminum Alloy”, ASM Specially Handbook
A. W Urquhart, 1991, “Novel Reinforced Ceramic and Metals; a Review of
Lanxide’s Composit Technologies, Mat”. Science and Technology. Vol 7 75-
82
Callister, William. 2007. “Materials Science and Engineering”, New York: Wiley& sons
Gibson, Ronald F, 1994, “Principles of Composite Material Mechanics”, Mc
Graw-Hill. Inc, New York 27-29
Mel. M. Schwartz, 1997, “Composite Material Processing, Fabrication and
Aplication. Vol II”, Prencitice-Hal. Inc, New Jersey 143-201
http://www.scrib.com/doc/3158496/Sifat-sifat-Bahan-Keramik, tanggal akses 25
Februari 2013
http://www.matter.org.uk/matscicdrom/manual/pm.html/keramik, tanggal akses :
25 Februari 2013
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 2
MAKALAH KOMPOSITJURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS 2