KLASIFIKASI DAN KARAKTERISTIK MATERIAL KERAMIK

Drs. M. Gade, M.Si

Dosen Kopertis Wilayah I dpk pada FKIP UMN Al – Washliyah Medan

Abstrak

Untuk mengetahui sifat – sifat dan kemampuan suatu bahan keramik maka perlu dilakukan pengujian atau

analisa. Beberapa pengujian atau analisa yang meliputi : analisa ukuran butir, analisa thermal, sifat fisis (densitas;

porositas), sifat mekanik (kekerasan), Bending Strength, sifat listrik ( dielektrik strength ) dan analisa

strukturnya. Keramik umumnya dianggap sebagai material yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada saat

perpatahan, deformasi plastik yang dialami mikrostruktur hanya sedikit.

PENDAHULUAN

Istilah keramik, sesuai konteks modern, mencakup

material anorganik yang sangat luas, keramik

mengandung elemen non metalik dan metalik yang

dibuat berbagai teknik manufaktur. Secara

tradisional, keramik dibuat dari mineral Silikat,

seperti lempung, yang dikeringkan dan di bakar

pada temperature 1200° - 1800°C agar keras. Jadi

nampaknnya kata Yunani Keramos, yang berarti “

bahan yang dibakar” atau “ material yang dibakar di

tungku / tanur” sudah sangat tepat sejak dulu.

Namun demikian keramik modern seringkali dibuat

dengan proses tanpa tahap pembakaran di tungku

(misalnya penekanan panas, sintering – reaksi,

detrifikasi– gelas, dan sebagainya). (Smallman, R.E

dan Bishop, R.J. 1999). Meskipun keramik kadang

– kadang dikatakan memiliki karakter nonmetalik

secara sederhana untuk membedakannya dari logam

dan paduan ini tidak memadai lagi karena kini telah

dikembangkan dan digunakan keramik dengan sifat

yang luar biasa.

Klasifikasi

Secara umum keramik dapat diklasifikasi menjadi

tipe atau fungsi dengan berbagai cara. Dalam

bidang industri keramik dikelompokkan sebagai

gerabah produk lempung keras (bata, pipa keramik

dan sebagainya), bahan tahan api (bata tahan api,

silica, alumina, basa, netral). Semen dan beton,

gelas dan enamel vitrous, dan keramik rekayasa

(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )

Keramik dari kelompok keramik rekayasa memiliki

kekuatan sangat tinggi dan keras, memiliki stabilitas

kimia yang luar biasa dan dapat dibuat dengan

toleransi dimensi sangat ketat, kelompok inilah

yang akan dibahas. Pengenalan komponen keramik

rekayasa akhir – akhir ini didasarkan pada

pendekatan ilmiah dan menimbulkan revolusi dalam

praktek desain rekayasa. Secara umum

pengmbangan keramik rekayasa didorong oleh niat

untuk membuat material yang memiliki efisiensi

energi yang lebih tinggi dan lebih baik, temperatur

pemrosesan yang lebih tinggi dan mengingat

kelangkaan mineral strategis . berbeda dengan

keramik tradisional, yang memanfaatkan mineral

alam yang dengan sendirinya agak bervariasi,

generasi keramik rekayasa yang baru bergantung

pada ketersediaan material yang dimurnikan dan

material sintetis, dan pada pengendalian

mikrostruktur yang ketat selama pemrosesan,

keramik memiliki sifat yang bervariasi dan dalam

prosedur desain seringkali perlu ditetapkan konsep

statistika untuk komponen bertegangan tinggi.

Desain harus memperhatikan kegetasan inheren,

atau ketahanan perambatan letak yang rendah dan

bila perlu memodifikasi mode kegagalan. Keramik

merupakan material rekayasa yang sangat

menjanjikan karena sifatnya yang unik, akan tetapi

dalam praktek, produksi pada skala komersial

sesuai bentuk yang di spesfikasikan disertai sifat

yang ajeg menghadapi berbagai kendala.

Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat

diklasifikasikan dalam lima kategori utama :

1. Oksida alumina, Al2O3 (isolasi

busi, grit batu gerinda), magnesia, MgO

(lapisan tahan api untuk tanur, kowi ), zirkonia,

ZrO2 (kepala piston, lapisan tahan api tanur

tangki gelas ), zirkonia / alumina (media

gerinda ), spinel, M2 + O. M +O3

(ferit, magnet, transistor, pita rekam) gelas

silica “ Fused” (peralatan laboratorium).

2. Karbida silicon karbida, SiC

(industri kimia kowi, pelindung keramik)

silikon Nitrida, Si3N4 (corong untuk aluminium

cair, bantalan temperature – tinggi), boron

nitirida, BN (Kowi, batu gerinda untuk baja

kekuatan tinggi).

3. Silikat porselin (komponen listrik),

steatit (Isolator), mullit (bahan-bahan – api.

4. Sialon berbasis Si – Al – O – N

dan M – Si – Al – O – N dimana M = Li, Be,

Mg, Ca, Sc, Y, tanah jarang (mata pahat untuk

pemotongan kecepatan tinggi, die ekstrusi,

sudut turbin),

5. Keramik gelas – (piroceram, cercon, pirosil

(cakram rekuperator untuk alat penukar kalor).

(Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999 )

Karakterisasi

Atom pembentuk keramik memiliki gaya ikatan

yang sangat kuat, berupa pengikatan ionik, kovalen

atau campuran dari keduanya. Jadi untuk

mengetahui sifat-sifat dan kemampuan suatu bahan

keramik, maka perlu dilakukan suatu pengujian atau

analisa yang meliputi :

1. Densitas dan Porositas

Densitas (rapat massa) didefenisikan sebagai

perbandingan antara massa (m) dengan volume

(v). untuk pengukuran volume, khususnya

bentuk dan ukuran yang tidak beraturan sulit

ditentukan. Oleh karena itu salah satu cara

untuk menentukan densitas (bulk Density) dan

porositas dari sample keramik cordierite

berpori yang telah disentering adalah dengan

menggunakan metoda Archimedes (standar

ASTM C. 373 – 72), memenuhi persamaan

berikut :

g g,penggantunkawat massa :Wk

g air, didalam digantung sampel massa : Wg

g air, direndamsetelah sampel massa : Wb

g kering, sampel massa : Ws

: Dimana

......(2).......... % 100 )(

Ws-Wb Porositas

(1) ...........air p Wk)- (Wg - Wb

Ws Density Bulk

xWkWgWb

x

2. Kekerasan (Vickers Hardness, Hv)

Kekerasan didefenisikan sebagai ketahanan

bahan terhadap penetrasi atau ketahanan

terhadap deformasi dari permukaan bahan. Ada

tiga tipe pengujian terhadap ketahanan bahan,

yaitu : tekukan (Brinell, Rockwell dan

Vickers), pantulan (rebound) dan goresan

(scratch). Pada penelitian ini pengukuran

kekerasan (Vickers Hardness) dari sample

keramik dilakukan dengan menggunakan

microhardness tester. Kekerasan, Vickers

Hardness (Hv) suatu bahan dapat ditentukan

dengan persamaan berikut :

2

2

kgf/mm Vickers,Kekerasan Hv

mm identor,jejak diagonal Panjang D

kgf diberikan, yangBeban P

: dimana

.....(3).................... D

P 1,8544

Hv

3. Kekuatan Patah (Bending Strenght)

Kekuatan patah sering disebut Modulus of

Rupture (MOR) yang menyatakan ukuran

ketahan bahan terhadap tekanan mekanis dan

tekanan panas (Thermal stress) (Junshiro H,

1991). Pengkuran kekuatan patah (bending

strength) sample keramik digunakan metode

tiga titik (triple point bending), nilai kekuatan

patah dapat ditentukan dengan standar

ASTMC. 733-79 melalui persamaan berikut :

cm sampel, Dimensi h b,

cm penumpu, duaJarak L

kgf Beban, P

:dim

)4......(....................h b 2

L P 3 Patah Kekuatan

2

ana

4. Koefisien Expansi Thermall (α)

Secara umum material keramik bila dipanaskan

atau didinginkan akan mengalami perubahan

panjang / volume secara bolak balik

(reversible) sepanjang material tersebut tidak

mengalami kerusakan permanen. Pengukuran

nilai koefesien expansi thermall digunakan alat

dilatometer. Dari alat ini diperoleh kurva

hubungan antara suhu dengan persen expansi,

rentang suhu yang digunakan dari hu kamar

sampai suhu 1000°C. sedangkan nilai koefisien

2 3

expansi thermall diperoleh dari nilai slope

kurva hubungan suhu dengan persen expansi.

Atau koefisien expansi thermall (α) dapat

ditentukan melalui persamaan :

C. akhir,suhu T2

C. awal,suhu T1

cm T2,suhu pada sampel panjang LT2

cm T1,suhu pada sampel panjang LT1

C thermall,expansikoefisien

:dim

)5(..........T1 - T2

1

LT1

LT1 - LT2

1-

ana

5. Analisa Mikrostruktur

Pengamatan mikrostrukur material keramik

dilakukan dengan menggunakan Scanning,

Electron Microscope (SEM). Dari foto SEM

pada sample keramik yang telah disinter

dilakukan pengamatan perubahan bentuk dan

ukiran butiran dan ukuran butirnya.

Sedangkan untuk mengidentifikasi struktur

kristal atau fasa-fasa yang terbentuk

menggunakan difraksi sinar sinar – X atau

XRD. Sinar – X adalah gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang

yang pendek sekitar 0,5 – 2,5 A° dan

mendekati jarak antara atom kristal serta

mempunyai energi yang besar. Berkat sinar – X

dan Monokromatik ini ditembakkan pada suatu

permukaan material, maka atom-atom dalam

kristal akan menyerap energi dan

menghamburkan kembali Sinar – X ke segala

arah. Hubungan antara jarak antar bidang, d

dalam bidang kristal dengan sudut hamburan

memenuhi hokum Bragg dengan persamaan :

2 d Sin = n ………………(6)

dimana n adalah orde difraksi (bilangan bulat

= 1, 2, 3…) dan adalah panjang gelombang

sinar – X yang digunakan.

PENUTUP

Dari bahasan di atas dapat disimpulkan bahwa :

Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat

diklasifikasikan dalam lima kategori utama

yaitu ; oksida, karbida, silikat, sialon dan

keramik gelas.

Pendekatan klarifikasi keramik mengutamakan

penekanan pada sifat kristalin dan nonkristalin

dari keramik serta pentingnya permukaan batas

butir, pencampuran dari fasa dengan sifat yang

sangat berbeda

Kekuatan keramik umumnya dinyatakan dalam

nilai modulus Rupture (MOR, Modulus of

Rupture), yang diperoleh dari uji lengkung tiga

titik, karena karena pengujian konvensiaonal

dengan pembebanan uniaksial, seperti yang

digunakan pada logam, sulit diterapkan,

pembebanan uniaksial yang tepat sangat sulit

dilaksanakan.

Keramik umumnya dianggap sebagai material

yang gelas dan tidak ulet, sebelum atau pada

saat perpatahan, deformasi plastik yang dialami

mikrostruktur hanya sedikit bahkan sama sekali

tidak ada.

REFERENSI

Broudic J.C, J. Guille, S.Vilminot, 1989.

Properties of Sol Gel Ceramics and

Vitroceramiks With The Cordierite

Composition, Euro Ceramiks, Vol 2, edited

by R.A. Terstra, Netherland

Haus K.S, dkk. 1992, Synthesis and

Characterization of Low Thermall

Expansion Cordirerite, ASEAN. Japan

Seminar on Ceramics, Fine Ceranuks,

Kuala Lumpur- Malaysia

Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999. Metalurgi

Fisik Modern & Rekayasa Material.

Erlangga : Jakarta

Junshiro Hayakawa, 1991, Testing Method of

Bending Strenght and Its Evoluation JICA

– SIRIM Publishing, Malaysia