1. Ceramic Matrix Composites

download 1. Ceramic Matrix Composites

of 37

description

Komposit

Transcript of 1. Ceramic Matrix Composites

  • SEKOLAH PASCA SARJANA USU MEDAN*Data Pribadi: Nama: Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc. T.Tgl Lahir: Samalanga, 6 Juli 1955 Pekerjaan: Staf Pengajar Fisika FMIPA USUN I P: 130 900 137/195507061981021002 Pangkat/Gol.: Pembina Utama Muda Tk. I /IvcJab. Fungsional: Lektor KepalaJab. Struktural: Ketua Prodi S2 & S3 Ilmu Fisika USUPendidikan: S2. Optoelektroteknika & Aplikasi Laser : (OEAL) Universitas Indonesia Jakarta : S3. Fisiko Kimia USU Medan Alamat Kantor: Jl. Bioteknologi No.1 Kampus USUAlamat Rumah: Jl. Gatot Subroto Gg. Bandung No. 30 Telp: 061-4577655 / 085276657566

    SEKOLAH PASCA SARJANA USU MEDAN

  • OLEHDR. NASRUDDIN MN, M.Eng.Sc

  • OLEHDR. NASRUDDIN MN, M.Eng.Sc

  • KOMPOSITKomposit merupakan sistem material hasil kombinasi dari 2/lebih fasa yang berbeda secara fisika agar didapatkan sifat agregat yang berbeda dari masing-masing konstituennya.

  • MATERIAL KOMPOSIT TERDIRI DARI 2 FASA:PRIMERMembentuk matriks di mana fase sekunder tertanam.Tiga jenis material dasar:polimer, logam, keramik.SEKUNDERTerarah ke fasa yang tertanam (disebut agen penguat).Berfungsi untuk memperkuat komposit (fiber, partikel, dll).Contoh: polimer, logam, keramik, ataupun unsur seperti C, B, dll.

  • KLASIFIKASI MATERIAL KOMPOSITMetal Matrix Composites (MMCs)Terdiri dari matrix logam (Al, Mg, Cu, Fe, Co) yang diperkuat oleh serat dengan kekakuan tinggi (oksida, karbida, Pb, W, Mo).Ceramic Matrix Composites (CMCs)Terdiri dari matrix keramik ditanami oleh serat/fiber keramik lainnya (fasa terdispersi) yang dapat memperbaiki sifat khususnya untuk aplikasi temperatur tinggi.Polymer Matrix Composites (PMCs)Terdiri dari matrix resin Thermoset (Unsaturated Polyester (UP), Epoxy (EP) atau thermoplastic (Polycarbonate (PC), Polyvinylchloride, Nylon, Polysterene) dengan fasa terdispersi glass, carbon, steel atau Kevlar fibers.

  • FUNGSI MATRIX MATERIAL DI DALAM KOMPOSIT:Untuk membentuk produk seperti yang diinginkan.Tempat untuk menyangga fasa yang tertanam.Membagi beban dengan fasa sekunder.

  • CERAMIC MATRIX COMPOSITESKELEBIHAN KERAMIKHigh stiffnessHardnessHot hardnessCompressive strengthRelatively low densityKEKURANGAN KERAMIKLow toughness and bulk tensile strengthSusceptibility to thermal crackingCeramic Matrix Composites (CMC) adalah material yang terdiri dari matriks keramik dikombinasikan dengan fiber/whisker keramik (oksida, karbida) pada fasa terdispersi.

  • Alumina matrix composites (discontinuous-fiber reinforced) Serat SiC menigkatkan strength & toughness Alumina

  • PROSES PEMBUATAN CMC FASA CAIRPolymer impregnation and pyrolysis (PIP) Reactive Melt Infiltration (RMI)Slurry impregnation and hot pressing (SIHP)FASA UAPIsothermal isobaric CVI (I-CVI)Temperature pressure gradient CVI (F-CVI)Pressure-pulsed CVI (P-CVI)SOLID STATE

  • Polymer Impregnation and Pyrolysis (PIP)Dapat digunakan jika fasa cair memiliki viskositas cukup rendah dan dapat membasahi fiber, precursor harus mampu menghasilkan keramik yang tinggi (7085 wt.%) pada tahap pirolisis.Kekurangan proses PIP yaitu:Selama proses pirolisis dapat terjadi penyusutan yang besar karena pembentukan gas. Dapat diatasi dengan menambahkan pengisi inert (serbuk halus dari matrix keramik). Cairan precursor organologam sangat sensitif terhadap kelembaban.

  • ContdPada proses ini, pori-pori fiber diisi dengan cairan organik / organologam yang merupakan pelopor dari matrix. Setelah pemanasan dan terjadi proses kimia, material dipirolisis pada T 700-1000 C. Jika perlu, dilakukan heat treatment (2500-3000 C untuk C) untuk penstabilan mikrostruktur dan optimasi properties. Liquid precursor yang digunakan yaitu lelehan/larutan. Contohnya, polimer thermoset (polyfenol) untuk C, polycarbosilanes untuk SiC, & polycarbosilazanes untuk matrix Si-C-N.

  • Reactive Melt Infiltration (RMI)Dapat digunakan jika salah satu elemen matrix keramik memiliki Titik leleh rendah dan mudah membasahi fiber.Contoh: aluminum (Mp650 C) & silikon (Mp=1410 C)Pembentukan matrix alumina melalui reaksi oksidasi & matrix SiC melalui reaksi kimia dengan fiber karbon.

  • ContdProses DIMOXLelehan Al bereaksi dengan udara, melalui gaya kapiler merambat melalui pori-pori sehingga mengasilkan matriks alumina yang tumbuh melalui mekanisme kompleks melibatkan pelarutan oksigen dan presipitasi alumina. Proses terjadi pada T 1200 C dengan fiber Nicalon Si-C-O.

  • ContdProses SILCOMPFiber keramik bergabung dengan C (proses PIP), lalu diisi oleh Si cair (T 1450 C). Dengan adanya gaya kapiler secara spontan merambat melalui pori-pori dan bereaksi dengan dinding C seingga dihasilkan matrix SiC. Fiber yang digunakan harus memiliki ketahanan/stabilitas temperatur tinggi.

  • Slurry Impregnation and Hot Pressing (SIHP)Proses ini digunakan untuk membuat komposit matrix oksida & nanoksida.Fiber tow (serat pita) diresapi slurry, seperti suspensi stabil dari matrix powder dalam cairan mengandung fugitive organic binder & berbagai aditif. Lalu dikeringkan dan dihasilkan green composite prepreg.Setelah itu melalui proses cutting & stacking, kemudian dilanjutkan dengan pemanasan untuk menghilangkan fugitive organic binder dan hot pressing agar komposit matrix menjadi padat.

  • Contd

  • ContdSyarat proses SIHP:Fiber harus stabil pada kondisi hot-pressing (contoh; oxygen-free SiC fibers).Matrix harus cukup soft dan mengalir selama hot pressing agar fiber tertanam, kemungkinan terbentuk fasa cair (T hot pressing 1200-1400 C). Hal ini biasa terjadi pada matirk dasar silika (glass & keramik-glas).Untuk matrix tersebut, heat treatment dilakukan setelah proses hot pressing untuk mengubah seluruh/sebagian matrix glass ke fasa kristalin yang lebih stabil.

  • FASA UAPDisebut juga Chemical vapour infiltration (CVI).Reaksi kimia harus diaktifkan, dengan cara memanaskan serat pada suhu yang cukup (900-1100 C) di dalam reaktor.CVI berhubungan dengan CVD (hanya berbeda pada temperatur (T), tekanan (P), dan kondisi laju alir gas (Q) yang berbeda, serta tempat terjadinya deposisi. CVDpermukaan luar substrat, CVI di dalam pori-pori substrat.

  • ContdDua fenomena berbeda yang terjadi pada CVI:Terjadi reaksi kimia (baik dalam fasa gas atau pada permukaan serat) yang membentuk deposit.Adanya perpindahan massa dari gas reaktan dan produk di dalam jaringan pori secara konveksi/difusi (T-P-Q). Contoh; reaksi pengendapan C, SiC, BN, & Al2O3.

  • Isothermal Isobaric CVI (I-CVI)Fiber preforms diletakkan di dalam hotwall deposition chamber isotermal.Gaseous precursor di luar preform mengalir secara konveksi dan difusi.Agar tidak terjadi penyumbatan pori-pori maka deposisi dilakukan pada T&P yang relatif rendah (agar gas cukup waktu untuk berdifusi).Jika diperlukan proses densifikasi dihentikan agar pori-pori terbuka kembali.

  • Temperature Pressure Gradient CVI (F-CVI)F menunjukkan gaya (berasal dari T, P gradien) yang dirancang untuk meningkatkan laju deposisi & mempersingkat waktu densifikasi.Reaktan diinjeksikan (dibawah tekanan) melalui permukaan fiber preform yang dingin (dimana deposisi hampir tidak terjadi).Porositas dekat permukaan yang panas secara cepat terisi (laju deposisi tinggi).Hasil deposisi, densifikasi bergerak dari permukaan panas ke dingin (terjadi peningkatansuhu karena adanya konduksi dari deposit).unreacted precursor & hasil reaksi diekstrak dengan memompa melalui permukaan panas sampel kemudian melalui permukaan lainnya.

  • Pressure-Pulsed CVI (P-CVI)Reaktan disuntikkan ke dalam reaktor dalam waktu singkat, kemudian didiamkan selama waktu tertentu sehingga terjadi deposisi.Perlakuan diatas dilangi beberapa kali, dimana pembukaan dan penutupan katup aliran gas dilakukan secara otomatis.Hasil dari P-CVI yaitu depossi multilayer.Ketebalan deposit per pulse < 1 nm.

  • Contd

  • KEUNTUNGAN CVITemperatur proses relatif rendah sehingga kerusakan fiber sangat kecil.Sifat mekanik yang sangat baik karena dihasilkan interphase dan matriks dengan kualitas mikrostruktur yang sangat tinggi.Proses sangat fleksibel dengan bentuk hasil akhir yang akurat.

  • KEKURANGAN CVIMembutuhkan investasi yang besar.Kemungkinan masih terdapat sisa pori-pori yang terbuka pada beberapa bagian, tetapi tidak jadi masalah karena CMCs memiliki ketangguhan yang tinggi.

  • SOLID STATE

  • CONTDPrinsipnya sama seperti proses powder ceramic.Bahan awal yaitu campuran homogen dari serat, matrix, & aditif (fugitive binder, sintering aids, stabilizers, dll). Proses pencampuran menggunakan ball-milling dengan media pelindung cair.Hasil dari ball-milling dikeringkan, dicetak, dan disinter dengan uniaxial hot pressing.Dapat juga menggunakan cold pressed dan dibungkus dengan materialyang cocok (logam/glass) lalu disinter secara isostatik.

  • KEKURANGAN SOLID STATEProses terbatas karena hanya bisa memakai serat pendek (whiskers).Fragmentasi fiber yang brittle dapat terjadi selama proses ball-milling & hot pressing sehingga rasio kemampuan penguat menurun.Diperlukan sintering additive, T & P tinggi sehingga serat haruslah memiliki kestabilan yang tinggi (SiC whiskers).Sifat mekanik jauh lebih rendah dibanding menggunakan continuous fibers.Penggunaan whiskers dalam ukuran kecil menyebabkan gangguan kesehatan yang sama seperti serat asbes.

  • APLIKASI CMCsTurbine engines (Combustors, liners, turbine rotors)Heat recovery equipment (Preheaters, recuperators, heat exchangers)Process equipment (Reformers, reactors, heat exchangers)Aerospace (Thermal protection, thruster nozzles, turbopump components, leading edges) Cutting tools

  • **