Advanced Ceramic - Continous Fiber Ceramic Composite (CFCC)

download Advanced Ceramic - Continous Fiber Ceramic Composite (CFCC)

of 16

Transcript of Advanced Ceramic - Continous Fiber Ceramic Composite (CFCC)

Advanced CeramicContinous Fiber Ceramic Composite (CFCC)

Rhidiyan Waroko0806331935

Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia 2011

Advanced Ceramic Continous Fiber Ceramic Composite (CFCC)1. Definisi Advanced CeramicPada saat ini, material mutakhir berkembang dengan cukup pesat. Sifat dari material tersebut dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang lebih spesifik. Keramik adalah salah satu jenis material yang memiliiki sifat yang sangat beragam. Beberapa sifat dari material keramik ini khusus untuk aplikasi optik, elektrik atau magnetik. Material keramik tersebut sudah bisa disebut dengan advanced ceramic. Selain itu, advanced ceramic memiliki sifat mekanik dan propertis yang sangat baik. Pada suatu aplikasi, dibutuhkan material dengan syarat-syarat tertentu. Untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan aus, harus memiliki sifat kekerasan tinggi seperti pada aplikasi rolling, sliding dan pada aliran fluid atau partikel. Untuk aplikasi yang memiliki harus memiliki sifat ketahanan temeperatur dan sifat mekanik yang baik seperti pada aplikasi bearing, cutting tools dan komponen mesin lainnya. Aplikasi yang lain membutuhkan sifat high-temeperature stability, corrosion resistance dan thremal shick resistance. Teknologi keramik berkambang sangat cepat pada saat ini. Material keramik yang baru tersebut memiliki sifat mekanik dan thermal yang jauh lebih tinggi dari material keramik konvensional.

2. Perkembangan Mechanical Properties dari Advanced Ceramic MaterialPerkembangan yang sangat pesat terjadi selama 20-30 tahun belakangan ini pada peningkatan kemampuan advanced ceramic pada aplikasi suhu tinggi, tahan aus, tahan korosi dan aplikasi struktural. Kekuatan dan ketangguhan adalah sifat yang memiliki pengembangan yang sangat signifikan sehingga dapat bersaing dengan material logam. Gambar 1 menjelaskan tentang perkembangan sifat material keramik selama tiga dekade belakangan ini.

Gambar 1. Kekuatan, ketangguhan dan uniformity dari material keramik yang telah berkembang secara signifikan sejak 1970. (Weibull modulus menjelaskan tentang perbandingan fracture stress dengan kemungkinan material tersebut untuk gagal. Semakin besar nilai weibull modulus, maka kecil material tersebut untuk gagal)

Gambar 2. Perkembangan kekuatan dan ketahanan thermal dari material keramik silikon nitrid

Sifat fracture toughness memiliki perkembangan yang paling pesat diantara sifat yang lainnya. Sifat ini sangat penting pada dunia industri untuk menurunkan risisko dari kegagalan material pada saat proses dan instalasi alat.

Gambar 3. Fracture toughness dari advenced ceramic dibandingkan dengan material lainnya.

Pada Gambar 3, terlihat bahwa continous fiber matrix composite memiliki fracture toughness yang paling tinggi diantara material keramik yang lain dan terus dikembangkan sebagai material masa depan yang memiliki fracture toughness dan sifat mekanik lainnya yang excellent.

3. Ceramic CompositeKomposit adalah rekayasa suatu material dengan memadukan beberapa jenis material yang bertujuan untuk memadukan sifat-sifat terbaik dari material-material pemadu tersebut. Pada keramik, composite microstructure dapat meningkatkan fracture toughness yang akan meningkatkan durability dan reliability. Beberapa metode telah dikembangkan, seperti: self-reinforcement, penambahan fasa logam ductile, penambahan partikel atau whiskers dan penambahan continous fiber

.

4. Continous Fiber Matrix Composite (CFCC)Untuk meningkatkan ketangguhan dari material keramik, peneliti mengembangkan konsep memperkuat keramik dengan menggunakan lembaran kontinyu dari fiber keramik temperatur tinggi. Menanamkan fiber keramik tersebut kedalam matriks keramik dengan cara deflecting atau bridging fracture. Material CFCC memilki sifat yang ringan, keras, tahan panas, tahan erosi dan ketahanan korosi yang baik disamping sifat ketangguhan dan thermal shock yang baik. Material ini banyak digunakan oleh para perekayasa karena dapat mengurangi harga maintenance, biaya operasi yang rendah, dapat meningkatkan temperatur opersai, meningkatkan efisiensi, emisi yang rendah dan dapat menurunkan biaya life-cycle seperti terlihat pada Tabel 1.Tabel 1. Karakteristik CFCC

Monolithic ceramic meskipun memeiliki kekuatan tarik yang tingg, tetapi akan langsung terjadi kegagalan apabila diberikan beban yang berlebih. Pada CFCC, jika diberikan beban yang berlebih, fracture yang terjadi akan menjalar perlahan-lahan hingga beban berlebih tersebut terus ditambahkan sehingga terjadi patahan. Sifat ini sangat mengurangi risiko akibat kegagalan katastropik dan memicu para rekayasa menggunakan CFCC karena hal tersebut.

Gambar 4. Kurva karakteristik tegangan-regangan pada CFCC yang menunjukkan adanya deformasi plastis sebelum terjadinya kegagalan.

CFCC tersusun dari fiber keramik, lapisan fiber-matriks keramik, matriks keramik yang tersusun untuk membentuk material reinforced yang kontinyu. Fiber keramik dibuat dengan cara yang konvensional seperti proses pada textil: single fiber filamen dapat dikelpmpokkan dengan menggunakan tow (pengait), lalu rangkai seperti anyaman, dipotong, dikuatkan dan di laminasi kemudian dibentuk agar memiliki bentuk yang diinginkan (umumnya berbentuk silinder). Fiber tersebut dimasukkan kedalam matriks keramik dengan aplikasi panas dan tekanan. Fiber tersebut memiliki kemampuan untuk menahan laju patahan dan menutup patahan dengan fenomena yang disebut fiber pull-out. Untuk meneruskan rambatan patahan, maka energi harus dikeluarkan. Ketika patahan menuju ke fiber, maka rambatan patahan tersebut akan dialihkan kesekitar fiber. Hal tersebut akan memakan energi lebih dibandingkan rambatan patahan yang linear dan rambatan petahan akan berhenti. Jika energi yang diberikan cukup untuk membuat patahan melewati sekeliling fiber, maka fiber akan menghentikan rambatan tersebut. Jika terus diberikan energi, maka fiber tersebut akan mengalami patah tapi dibutuhkan energi yang lebih besar karena jika fiber tersebut patah maka fiber tersebut akan meninggalkan matriks komposit. Jika hal tersebut terjadi, maka patahan nonkatastropic seperti pada logam akan terjadi. Terlihat pada Gambar 4, bahwa bentuk dari kurva tegangan-regangan memiliki nilai batas elastik yang tinggi, hal tersebut karena kemampuan dari fiber untuk slip melalui matriks. Kemampuan tersebut dapat terjadi karena didukung oleh lapisan pada permukaan fiber.

Gambar 5. Berhentinya rambatan patahan pada struktur CFCC.

Gambar 6. Fiber meninggalkan matrix ketika beban berlebih diberikan.

Pada Tabel 2, dapat dilihat kuantitatif dari propertis-propertis CFCC. Nilai tersebut berupa range yang dihasilkan dari bermacam proses pembuatan CFCC. Tabel tersebut dapat memudahkan para perekayasa untuk mengetahui karakteristik dari CFCC jika akan digunakan sebagai material aplikasi. Untuk kedepannya, nilai kuantitatif dari CFCC akan melebihi range dibawah karena penelitian untuk meningkatkan propertis dari CFCC terus dilakukan. Alasan utama memilih material keramik sebagai material aplikasi adalah ketahanan material tersebut pada suhu tinggi. Gambar 7 menjelaskan perbandingan CFCC dengan material lain pada variabel suhu.

Tabel 2. Karakteristik CFCC pada suhu ruangan.

Gambar 7. Perbandingan propertis CFCC dibandingkan dengan paduan logam pada variabel suhu

Penguat Fiber Kontinyu yang digunakan adalah berupa benang-benang monofilament atau multifilament. Penggunaan benang-benang fiber tersebut karena mudah diproses menjadi bentuk-bentuk yang kompleks. Material fiber yang digunakan biasanya oksida (alumina dan mullite) dan nonoksida (silikon karbid dan silikon nitrid). Pada pemakaian dibawah suhu 1100 0C atau suhu yang lebih tinggi lagi tetapi pada waktu yang sempit, fiber mullite banyak digunakan karena material cost-nya yang rendah. Silikon karbid adalah fiber yang digunakan para perekayasa untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan tinggi, kekerasan dan kestabilan thermal yang tinggi. Matriks keramik yang digunakan pada CFCC adalah material logam oksida atau nonoksida. Logam oksida yang lebih disukai karena sifat oxidative stability-nya. Matriks oksida seperti alumina, silika, mullite, barium aluminosilikat, lithium aluminosilikat dan kalsium aluminosilikat. Alumina dan mullite adalah yang paling sering digunakan karena

kestabilannya terhadap suhu tinggi, chemical resistance dan compatibility-nya dengan berebagi reinforcement. Matrik dengan material nonoksida memiliki kekuatan, kekerasan dan ketahanan terhadap lingkungannya yang lebih tinggi dibandingkan dengan material oksida lainnya. Material nonoksida contohnya adalah silikon karbida dan silikon nitrida. Fiber dan matriks pada komposit dapat saling dikombinasikan. Fiber oksida bisa digunakan pada matriks nonoksida atau sebaliknya. Fiber yang paling banyak digunakan adalah silikon karbida karena compatibility-nya dengan matriks oksida atau nonoksida manapun.Tabel 3. Material CFCC dan prosesnya

.

5. Material dan Proses5.1. Fiber KeramikJenis fiber yang paling banyak digunakan adalah alumina, mullite dan silikon karbida. Silikon karbida diproduksi oleh beberapa perusahaan, yaitu Nippon Carbon, COI Ceramic, Textron dan Ube. COI Ceramic mendistribusikan fiber dari Nippon Carbon dengan nama dagang Nicalon. COI Ceramic juga memproduksi silikon karbida dengan nama dagang Sylramic. Textron memproduksi silikon karbida dengan nama dagang SCS. Ube menjual fiber silikon karbida dengan nama dagang Tyranno. 3M Corporation menjual fiber alumina dan fiber mullite dengan nama dagang Nextel. Nicalon ceramic fiber diproduksi dengan proses polymer pyrolysis. Fiber, secara homogen dibentuk dari ultrafine kristal beta-SiC dan campuran amorf yang tersusun dari silikon, karbon dan oksigen. Fiber ini diproduksi dengan beberapa grade, yaitu Ceramic, LVR, HVR dan Carbon-Coated Ceramic dengan masing-masing propertis seperti pada Tabel 4. Carbon-Coated Ceramic dibuat dengan cara pyrolysis untuk melapisi fiber supaya slip bisa terjadi pada fiber dalam matriks. Fiber Sylramic diproduksi dengan ketebalan 10mm yang dibuat dengan material silikon, karbon, oksigen dan nitrogen. Semua fiber dilapisi agar meningkatkan kemampuan fiber untuk mampu slip dalam matriks. Selain itu, pelapisan tersebut juga berguna untuk melindungi fiber pada saat proses pembentukkan dan juga untuk menghindari serangan korosi pada saat penggunaan.

Tabel 4. Karakteristik Fiber Nicalon .

TM

Tabel 5. Persen keregangan fiber Nicolon pada suhu ruang setelah di thermal exposure

Tabel 6. Karakteristik Fiber Textron

5.2.

Komposit

Textron System Corporation membuat material CFCC turbular dengan cara gasphase reaction, mengkombinasikan elemen dengan ceramic slip casting, filament winding, dan nitridisasi dalam fasa gas, Hasilnya berupa ikatan nitrid-silikon karbid atau nitrid-silikon nitrid yang tergantung dari material dan prosesnya. Textron tubular dibentuk dengan cara men-drawing monofilament silikon karbid dengan cara melewatkannya ke larutan berbasis lumpur silikon karbid yang mengandung binder (polymer), bubuk silikon dan partikel silikon karbid. Setelah binder dihilangkan, maka serbuk silikon tersebut dikonversi menjadi silikon nitrid dengan cara nitridisasi dalam gas yang memuat nitrogen, ammonia dan hidrogen. Konversi tersebut akan membuat matriks silikon nitrid untuk berikatan dengan bubuk silikon karbid dan fiber yang akan memperkuat komposit.

Gambar 8. Cylinders shape yang dibentuk dengan winding fiber keramik.

Honeywell Advanced Composites Corporation membuat CFCC dari silikon karbida dan fiber oksida, silikon karbida dan alumunium oksida dalam berbagai kombinasi tergantung dari karakteristik CFCC yang diinginkan. Dalam manufakturnya, CFCC dibuat dengan beberapa step: Chemical Vapour Infiltration (CVI), melt infiltration, dan oksidasi langsung. Sebelum di proses dengan metode CVI, fiber dilapisi dengan boron nitrida dan silikon karbida. Tabel 6 dan Tabel 7 menjelaskan karakteristik dari produk Honeywell Advanced Composites Corporation.Tabel 7. Karakteristik CFCC Honeywell dengan fiber plain weave Nicalon. Tabel 7. Karakteristik CFCC Honeywell dengan fiber harness satin Nicalon.

COI Ceramic Corporation memproduksi material CFCC dengan cara polymer infiltration dan proses pyrolysis (PIP). Metode ini bagus untuk digunakan pada produksi skala besar dan bentuk yang kompleks. Proses pembentukkan dan pencetakkan pada temperatur rendah seperti pada proses plastic matrix composite. Pertama, pembentukkan fiber silikon karbida atau fiber dari polymer yang disusun dari silikon, oksigen, karbon dan nitrogen. Komposit di pyrolisis pada temeperatur sekitar 980oC sampai terjadi konversi dari preceramic matrix polymer menjadi keramik. Continous fiber reinforced ceramic composite difabrikasi dengan proses PIP menggunakan bermacam material fiber, pelapis permukaan dan matriks. Salah satu aspek yang penting dalam proses PIP adalah kemampuan material tersebut untuk diproses dengan alat pemrosesan matriks polimer.

COI Ceramic memproduksi silinder dengan dua metode. Salah satu metodenya yaitu dengan memasukkan fiber silikon karbida kedalam silinder mandrel dengan teknik liquid infiltration dan panas. Metode yang lain hampir sama dengan metode sebelumnya, hanya fiber yang digunakan dibungkus dan dibungkus ke dalam mandrel. Proses PIP pada pembuatan CFCC oleh COI tersedia kedalam dua kelas. Sylramic seri 100, Fiber Nicalon yang dilapisi karbon dalam matriks SiOC amorf untuk penggunaan maksimum pada temperatur