Tugas Sarjana Teknik Material BAB II 2008 Tinjauan...

Tugas Sarjana Teknik Material BAB II 2008 Tinjauan Pustaka

Muhammad Fida Helmi 13703040 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Metal Foam II.1.1 Definisi Metal Foam[16] Istilah solid foam (busa padat) dapat dijelaskan melalui gambar II.1. Gambar tersebut

memperlihatkan jenis-jenis koloid yang dapat terbentuk melalui dua fasa. Dari gambar

ini, maka solid foam didefinisikan sebagai material yang terbentuk dari fasa gas yang

terdispersi dalam fasa solid.

Solid foam seringkali juga disebut dengan cellular foam. Hal ini dikarenakan, fasa gas

yang terdispersi dalam solid membentuk konstruksi ber-sel sehingga disebut dengan

cellular foam. Ketika solid foam berasal dari material logam (metal), maka dinamakan

dengan metallic foam. Metal foam dibedakan dari logam berpori (porous metal)

melalui nilai densitas yang lebih kecil, dan jumlah % fasa gas sebesar 30-98 %vol.

Gambar II. 1 Klasifikasi jenis koloid berdasarkan fasa pembentuk[16]



II.1.2 Pembuatan Metal Foams Terdapat sembilan rute proses yang telah dikembangkan untuk membuat metal foam.

Lima diantaranya telah dilakukan secara komersial. Semua proses tadi kemudian

diklasifikasikan kedalam 4 kelas, yaitu: pembuatan foam dari fasa uap (vapor phase);

pembuatan foam dengan electrodeposition dari larutan cair; pembuatan foam dengan

proses melt based; dan pembuatan foam dengan solid based. Setiap metode dapat

digunakan untuk membuat material berpori dengan densitas relatif dan ukuran sel

pada kisaran yang terbatas. Beberapa diantara proses tadi, dapat memproduksi foam

dengan sel terbuka (open cell foams), dan mayoritas lainnya dapat memproduksi

foam dengan sel tertutup (open cell foams). Produk metal foam mempunyai kisaran

kualitas dan harga yang sangat luas, sampai sekarang harganya dapat bervariasi dari

$7 sampai $12000 per kg.

II.1.3 Rute Proses Pembuatan Metal Foam [21] Berbagai sifat dan struktur metal foam bergantung pada sifat asli logam, densitas

relatif dan topology sel (misal: sel yang tertutup atau terbuka, ukuran sel, dll). Metal

foam dibuat dengan salah satu dari sembilan proses yang dijelaskan dibawah ini.

Logam yang telah dibuat menjadi metal foam dengan proses tertentu kemudian

digambarkan pada gambar II.2.

1. Penggelembungan gas kedalam paduan Al-SiC atau Al-Al2O3 cair. (untuk

logam Al, Mg)

2. Pengadukan foaming agent (seperti TiH2) kedalam paduan logam cair

(paduan Al) dan pengaturan tekanan ketika pendinginan (untuk logam Al)

3. Penyampuran serbuk logam (umumnya paduan Al) dengan partikel foaming

agent (TiH2) diteruskan dengan pemanasan sampai keadaan sangat lunak,

ketika foaming agent melepaskan gas hidrogen, maka material tersebut akan

mengembang. (untuk logam Al, Zn, Fe, Pb, Au)

4. Pembuatan cetakan keramik dari prekursor lilin atau polimer-foam, diikuti

dengan membakar prekursor dan menginfiltrasikan logam cair yang dibantu

dengan tekanan. (untuk logam Al, Mg, Ni-Cr, stainless steel, Cu)

5. Deposisi logam dari fasa uapnya atau dengan electrodeposition ke permukaan

prekursor polimer foam dan kemudian dibakar, sehingga meninggalkan

struktur sel berlubang (hollow cores). (untuk logam Ni, Ti)



6. Menggunakan powder Hot Isostatic Pressing (HIP) untuk memperangkap gas

inert bertekanan tinggi, yang dikuti dengan ekspansi gas pada kenaikan

temperatur tertentu. (untuk logam Ti)

7. Sintering hollow spheres, dibuat dengan proses atomisasi yang dimodifikasi.

(untuk logam Ni, Co, Ni-Cr)

8. Penekananan bersama antara serbuk logam dengan serbuk yang mudah

terlarut (seperti NaCl), atau infiltrasi serbuk yang mudah terlarut kedalam

logam cair, yang diikuti dengan pelarutan sehingga didapatkan rangka metal

foam. (untuk logam Al, dengan NaCl sebagai serbuk terlarut).

9. Pelarutan gas (seperti hidrogen) kedalam logam cair pada keadaan

bertekanan, kemudian dilanjutkan dengan pelepasan gas yang diatur saat

pembekuan berlangsung. (untuk logam Cu, Ni, Al).

Diantara semua proses diatas, hanya 5 proses teratas yang sekarang diproduksi

secara komersial. Gambar II.2 meringkaskan kisaran dari ukuran sel, tipe sel (terbuka

atau tertutup), dan densitas relatif yang dapat dibuat dengan metode-metode diatas.

Gambar II. 2 Kisaran ukuran sel dan densitas relatif untuk metode pembuatan metal foam

yang berbeda.[21]



II.2. Aluminium Foams Pembuatan aluminium foam pertama kali dilakukan oleh Benjamin Sosnick pada

tahun 1943. Dia mencoba mendispersikan gas kedalam aluminum padat dengan

bantuan unsur merkuri (Hg) menggunakan bejana bertekanan tinggi. Dengan bantuan

tekanan tinggi, penguapan Hg terjadi bersamaan saat temperatur leleh aluminium

sehingga menyebabkan pembentukan foam (busa). Kemudian, ide pertama untuk

memproduksi secara indirect foaming, dikembangkan di akhir tahun 1950 oleh

Benjamin Allen. Lalu pada tahun 1990, metode ini dikembangkan lebih lanjut oleh

Fraunhofer Laboratory di Bremen, Jerman.[10]

Gambar II. 3 Skema proses pembuatan Aluminium dengan mendispersikan gas kedalam

Al-solid, dengan bantuan Hg (merkuri).[10]

II.2.1 Rute Proses Pembuatan Aluminium Foam[16] Saat ini, terdapat dua metode utama untuk memproduksi Aluminum foam. Metode

pertama dinamakan dengan direct foaming. Caranya adalah dengan menyuntikkan

gas secara kontinyu atau menambahkan foaming agent (agen pengembang) kedalam

aluminum cair sehingga membentuk busa (foaming).

Metode kedua adalah indirect foaming. Metode ini diawali dengan pembuatan solid

precursor yang terdiri dari matriks logam aluminium dan partikel foaming agent yang

terdispersi merata. Contoh foaming agent yang seringkali digunakan dalam

pembuatan aluminum foam adalah hidrida dari unsur transisi, misalnya serbuk

titanium atau zirconium hidrida. Ketika solid precursor ini dipanaskan sampai diatas

temperatur leleh matriks logam, maka foaming agent akan melepaskan gas sehingga

precursor tersebut mengembang dan membentuk foam.



Tabel II. 1 Klasifikasi rute pembuatan Aluminium Foam, direct foaming dan indirect foaming [16]

II.2.1.1 Pembuatan Foam langsung dari Aluminium Cair (Direct Foaming)[10] Lelehan aluminium dapat dibuat menjadi foam dengan cara membuat gelembung gas

di dalam lelehan yang dibuat dalam keadaan stabil saat pemrosesan berlangsung.

Keadaan ini dapat terjadi dengan menambahkan partikel keramik atau unsur paduan

kedalam lelehan, yang berperan sebagai partikel penstabil. Saat ini, terdapat 4 cara

yang biasa digunakan untuk membuat metal foam dari keadaan lelahan, yaitu:

pertama, dengan menginjeksikan gas kedalam logam cair; kedua, dengan

menambahkan foaming agent kedalam aluminium cair sehingga melepaskan gas;

ketiga, dengan infiltrasi pada pola yang dapat dibuang (Invesment Casting), dan

keempat, dengan mempresipitasikan gas yang sebelumnya telah terlarut didalam fasa

cair.

Pembuatan Aluminum Foam dengan Injeksi Gas (Cymat/MetCombTM) [4] Saat ini, metode injeksi gas telah dilakukan secara komersial oleh Cymat Aluminum

Corp (Kanada). Partikel silicon carbide, aluminum oxide atau magnesium oxide

digunakan untuk memperbaiki viskositas dan penstabil proses. Fraksi volume partikel

yang digunakan berkisar antara 10 sampai 20 %, dan ukuran rata-rata partikelnya

berkisar dari 5 sampai 20 mikrometer. Lelehan aluminium diinjeksi dengan gas

(berupa udara, nitrogen, argon) menggunakan rotating impellers atau dengan nozzle

yang menimbulkan dan mendistribusikan gelembung gas secara merata, ditunjukkan

pada gambar II.4. Hasilnya adalah campuran logam cair dan gelembung gas, yang

kemudian akan mengambang di atas permukaan cairan, lalu mengering. Campuran

busa ini relatif stabil karena dibantu oleh keberadaan partikel keramik didalam

lelehan. Busa cair yang mengambang diatas permukaan ini, kemudian dapat ditarik



keluar, semisal dengan sabuk conveyor, lalu dibiarkan membeku.

Gambar II. 4 Skema pembuatan Aluminum Foam dengan injeksi gas[10]

Gambar II. 5 Penampang melintang aluminium foam dengan rute proses injeksi gas[10]

Pembuatan Metal Foam Menggunakan Foaming Agent (AlporasTM)[4] Cara kedua untuk membuat aluminium foam adalah dengan menambahkan foaming

agent kedalam aluminium cair, yang diperlihatkan pada gambar II.6. Foaming agent

selanjutnya akan terdekomposisi karena terpengaruh oleh panas sehingga

melepaskan gas yang digunakan dalam proses foaming. Shinko Wire Co, Amagasaki

(Jepang) telah memproduksi Aluminium foam dengan cara ini sejak tahun 1986,

dengan kapasitas produksi yang terlaporkan sebesar 1 ton per hari. Selain itu,

perusahaan Cina, Jiangsu Tianbo Light-Weight Materials di Nanjing juga telah dapat

memproduksi hal yang serupa.



Gambar II. 6 Skema pembuatan Aluminium Foam menggunakan foaming agent[10]

Pada skema diatas, langkah produksi pertama dilakukan dengan memasukkan

kalsium sebesar 1.5% kedalam aluminium cair (6800C). Aluminium cair ini diaduk

selama beberapa menit sehingga viskositasnya bertambah secara bertahap, karena

dibantu oleh terbentuknya oksida (CaAl2O4). Setelah proses ini, titanium hidrida (TiH2)

ditambahkan (sekitar 1.6 % berat) kedalam aluminium cair, yang berperan sebagai

foaming agent untuk melepaskan gas hidrogen. Aluminium cair akan mulai

mengembang secara perlahan dan secara bertahap akan mengisi bejana proses.

Seluruh proses ini dapat menyita waktu sekitar 15 menit untuk kapasitas bejana

sebesar 0.6 m3. Setelah bejana mendingin dibawah temperatur leleh, maka busa cair

akan berubah menjadi solid aluminum foam, dan kemudian dikeluarkan dari cetakan

untuk proses selanjutnya. pembuatan aluminum foam dengan metode ini mempunyai

merek dagang AlporasTM, dan mempunyai struktur pori yang relatif merata.

Gambar II. 7 Penampang melintang AlporasTM, Aluminium Foam menggunakan foaming

agent[10]



Infiltrasi Pada Pola yang Dapat Dibuang (Invesment Casting)[10] Variasi proses casting, terutama untuk pembuatan foam dengan sel terbuka,

didasarkan pada cetakan yang dapat dibuang (disposable), diperlihatkan pada

gambar II.8. Cetakan yang lazim digunakan adalah garam (NaCl) yang disinter pada

atmosfer udara selama beberapa jam agar terjadi panggabungan butir. Kemudian

aluminium cair dituangkan agar terjadi infiltrasi kedalam pori cetakan. Setelah

aluminium membeku, cetakan garam kemudian dilarutkan kedalam air sehingga

terbentuklah foam dengan sel yang terbuka, dengan ukuran sel 3-4 mm. Hal yang

perlu diperhatikan dalam proses infiltrasi adalah pemanasan awal cetakan, sehingga

dapat mengurangi kecenderungan aluminium cair untuk membeku terlalu cepat

sebelum dapat memenuhi semua rongga cetakan. Diperlukan juga kombinasi antara

keadaan vakum pada cetakan sebelum tuang dan tekanan tinggi, yang digunakan

selama proses infiltrasi. Hal ini digunakan untuk mendapatkan struktur sel yang lebih

halus. Seperti yang diperlihatkan dalam gambar II.8, foam yang dihasilkan dapat

mempunyai ukuran sel sekecil 400 mikro meter dengan ρ*/ρ sebesar 0.2-0.3.

Gambar II. 8 Rute proses invesment casting dengan penggunaan pola garam dan penampang

melintang aluminium hasil proses[10].



Proses infiltrasi tidak memelukan serbuk atau serat logam yang mahal. Bentuk produk

juga dapat diatur secara seksama dengan pengaturan cetakan, serta dapat memiliki

keseragaman struktur yang tinggi. Proses ini relatif kompleks, mensyaratkan proses

sintering dan pelarutan cetakan. Jenis ukuran sel terbesar dan terkecil dapat diatur

dengan menentukan proses infiltrasi dari pola cetakan yang rumit serta teknik untuk

melarutkannya.

Jenis proses lainnya diperlihatkan pada gambar II.9, serbuk logam dicampur dengan

serbuk garam, lalu dikompaksi sehingga didapatkan blok yang padat. Kemudian blok

tersebut disinter pada temperatur diantara titik leleh aluminium dan garam. Setelah

itu, proses ini diikuti dengan pelarutan garam sehingga didapatkan foam dengan ρ*/ρ

> 0.2. Akan tetapi, proses ini tidak digunakan untuk penggunaan yang luas. Proses ini

cukup rumit, dan relatif mahal karena penggunaan serbuk aluminium. Hasil proses ini

menghasilkan sambungan antara garam yang lebih sedikit, sehingga menghasilkan

produk yang lebih padat, struktur pori yang kecil dan seringkali meninggalkan sisa

NaCl.

Gambar II. 9 Rute proses dengan penggabungan serbuk aluminum dengan serbuk garam,

dilanjutkan dengan pelarutan; penampang melintang hasil rute proses[10]

Pada proses yang lain, digunakan partikel polystyrene yang dicampur dengan resin,

dan kemudian dibakar untuk menghasilkan cetakan resin yang berlapis (coating).



Aluminium cair lalu diinfiltrasikan dengan bantuan tekanan sebesar 460 Mpa selama

0,2 detik, sebelum polimer terdekomposisi. Polystyrene kemudian terbakar habis

sehingga dihasilkan foam dengan sel terbuka berukuran sel 1-3 mm dan ρ*/ρ sebesar

0.14-0.27. Proses ini relatif mahal sehingga digunakan untuk sampel yang terbatas.

Proses lain yang relatif lebih mudah adalah dengan menggunakan foam polymer

bersel terbuka sebagai pola untuk memproduksi aluminium foam dengan 2 tahapan

proses invesment casting. Seperti yang terlihat pada gambar II.10, polymer

(polyurethane) diinfiltrasi dengan plester, lalu dibakar untuk menghilangkan polimer.

Cetakan yang tersisa lalu diisi oleh aluminium cair, juga seringkali dibantu dengan

kombinasi antara keadaan vakum dan tekanan eksternal. Pada akhir proses, plester

kemudian dilarutkan.

Gambar II. 10 Rute proses dengan menggunakan template polymer, DuocellTM ; penampang

melintang aluminium foam DuocellTM [10]

Foam dapat diproduksi untuk berbagai macam logam dan paduannya, dengan ρ*/ρ



sebesar 0.03. Proses ini tentunya mempunyai keuntungan dan kerugian dalam segi

proses jika dibandingkan dengan penggunaan pola garam. Variasi porositas dapat

diatur dengan penggunaan cetakan polimer. DuocelTM, merupakan salah satu produk

yang diproses dengan metode ini. Aplikasi penggunaannya antara lain sebagai heat

exchanger, elektrode berpori, dan filter kimia.

Pembekuan Eutektik Dari Solid-Gas[4] Metode ini dikembangkan sekitar 15 tahun yang lalu, memanfaatkan perbedaan

kelarutan gas dalam logam berfasa cair dan padat. pertama kali, gas hidrogen atau

nitrogen dilarutkan pada tekanan tinggi (diatas 50 bar) kedalam lelehan logam. Jika

kemudian temperatur diturunkan dibawah temperatur leleh logam, maka presipitat gas

akan tumbuh. Pada saat kondisi ini, gelembung gas akan terperangkap di dalam

logam. Morfologi pori yang didapat akan tergantung pada kandungan gas, tekanan

pada lelahan logam, laju pelepasan panas dan komposisi kimia dari lelehan logam.

Gambar II. 11 Rute proses aluminium foam dengan pembekuan eutektik dari Solid-Gas; dan

hasil proses[10]

Pada umumnya, bentuk pori yang akan didapat berupa pori besar yang memanjang

sesuai arah pembekuan. Diameter pori berkisar antara 10 mikrometer sampai 10 mm.

Panjang pori berkisar antar 100 mikrometer samapai 300 mm, dan porositasnya 5-

75%. Kata "gasar" tercipta dari akronim Rusia yang berarti "gas-reinforced". saat ini,

metode tersebut telah diadaptasi oleh Jepang dengan penamaan "lotus-structure"

karena menyerupai akar lotus (teratai).



II.2.1.2 Pembuatan Aluminium Foam dengan Precursor (Indirect Foaming)[10] Teknik pembuatan metal foam ini dilakukan dengan menambahkan satu langkah

dalam rantai proses yang ada. Berbeda dengan teknik pembuatan langsung dari

keadaan cair, precursor yang mengandung foaming agent dipersiapkan terlebih

dahulu. Pengembangan foam dilakukan dengan cara melelehkan precursor sehingga

gas akan terlepas dan membentuk gelembung. Keuntungan dari teknik ini adalah

bentuk yang rumit dapat diproduksi dengan cara mengisi cetakan dengan precursor.

Precursor ini dapat disiapkan dengan tiga cara: pertama dengan memadatkan

campuran serbuk dalam keadaan padat, kedua dengan membentuk campuran serbuk

dengan thixo-casting dan dengan mencampur serbuk foaming agent kedalam lelehan

logam.

Kompaksi Antara Serbuk Aluminium dan Foaming Agent (FoaminalTM)[4] Skema produksi diperlihatkan pada gambar II.12. Proses produksi dimulai dengan

mencampurkan antara serbuk logam (logam murni, paduan, atau campuran) dengan

serbuk foaming agent. Setelah itu, campuran tersebut dikompaksi sampai padat

sehingga didapatkanlah produk setengah jadi. Kompaksi harus dilakukan dengan

teknik tertentu sehingga foaming agent akan menempel pada matriks logam tanpa

adanya sisa porositas. Contoh metoda kompaksi yang lazim digunakan adalah

dengan uniaxial atau isostatic compression, rod extrusion atau powder rolling.

Pembuatan precursor harus dilakukan dengan hati-hati karena sisa-sisa porositas

atau cacat lain akan menyebabkan hasil yang buruk setelah dilakukan proses

lanjutan. Langkah selanjutnya adalah dengan melelehkan matriks logam yang

sekaligus menyebabkan foaming agent terdekomposisi. Gas yang dilepaskan akan

menghasilkan gaya untuk mengekspansi precursor sehingga terbentuklah struktur

dengan ukuran pori yang relatif besar. Waktu yang diperlukan untuk mengekspansi

tergantung parameter temperatur dan ukuran precursor. Material aluminum dan

paduannya, seng, kuningan, timah, emas dan logam lainnya dapat dibentuk menjadi

foam dengan memilih foaming agent dan parameter proses yang cocok.



Gambar II. 12 Rute proses kompaksi serbuk aluminium dan foaming agent, FoaminalTM [10]

Gambar II. 13 Penampang melintang dari produk FoaminalTM [10]

Foaming Thixo-Cast Precursor Material (ThixofoamTM)[4] Teknik pembuatan precursor dilakukan dengan teknik pemadatan thixo-casting dalam

keadaan setengah padat (semi-solid)[24]. Dengan teknik ini, pertama kali campuran

serbuk di padatkan dalam bentuk billet dengan Cold isostatic pressing, menghasilkan

densitas sekitar 80%. Billet ini kemudian dipanaskan pada temperatur semi-solid dan

kemudian dicetak pada bentuk tertentu menggunakan mesin die casting. Selanjutnya

precursor hasil teknik ini dapat dilelehkan kembali serupa dengan teknik sebelumnya.

Keuntungan dari rute proses ini adalah precursor dapat memiliki bentuk rumit dan

tidak memerlukan tambahan pembentukan akhir. Selain itu, jika dibandingan dengan



metode pemadatan serbuk, metode casting ini dapat mengahasilkan precursor yang

isotropik sehingga mempunyai sruktur pori yang seragam.

Foaming of Ingots Containing Foaming Agents (FOAMGRIPTM)[4] Material precursor juga dapat dibuat tanpa menggunakan serbuk logam. Caranya

adalah dengan mencampurkan partikel titanium hydride ke dalam logam cair, sesaat

setelah cairan logam akan membeku. Hasil precursor yang didapatkan, selanjutnya

dapat diproses dengan metode yang sama dengan yang sebelumnya. Untuk

menghindari pembentukan dini gas hidrogen saat pencampuran, maka pembekuan

harus dilakukan dengan dengan cepat atau dengan menggunakan foaming agent

yang “dipasifkan” sehingga mencegah pelepasan gas yang berlebihan dalam tahapan

ini. Skema proses ini diperlihatkan pada gambar II.14.

Salah satu metodenya adalah dengan menggunakan mesin die-casting. Serbuk

hidrida diinjeksikan kedalam cetakan (die) bersamaan dengan logam cair[25].

Tantangan permasalahan yang harus dihadapi adalah cara untuk mendapatkan

distribusi serbuk TiH2 yang terdistribusi secara homogen. Sebagai alternatif, serbuk

TiH2 dapat ditambahkan kedalam cairan logam dengan pengadukan lambat dan

pendinginan lanjutan. Untuk mendapatkan foam yang stabil, maka sering digunakan

partikel SiC sekitar 10-15 % vol.



Gambar II. 14 Rute proses FOAMGRIPTM dan penampang melintang dari produknya.[10]

II.3 Agen Penghasil Gas (Foaming Agent) II.3.1 Penggunaan Foaming Agent[10] Keuntungan utama pemakaian foaming agent adalah bubuk foaming dapat secara

efisien terdispersi didalam aluminium cair dengan pengadukan sebelum terjadi

dekomposisi termal. Pada proses yang penggelembungan gasnya terjadi secara

langsung didalam logam cair, maka pengaturnya adalah kecenderungan alami

gelembung untuk naik ke permukaan logam cair dan efek dorongan dari gelembung

yang bersebelahan. Perlu diperhatikan juga, bahwa pengadukan logam cair setelah

penambahan gelembung dapat menyebabkan penggabungan sel dan pengempesan

foam secara cepat.



Jika membandingkan penambahan gas secara langsung, yang memproduksi

gelembung secara sesaat, maka penggunaan foaming agent memberikan

dekomposisi kimia secara gradual dan ekspansi gelembung secara progresif. Hal ini,

memberkan kesempatan pada gelembung untuk menyusun kembali sehingga variasi

densitas lokal dapat dihindari. Partikel penstabil dapat membantu penyusunan pori,

juga menstabilisasi permukaan dengan bantuan reaksi kimia antara gelembung gas

dan aluminium cair.

II.3.2 Persyaratan untuk Foaming Agent[10] Prinsipnya, setiap material yang stabil di temperatur kamar namun dapat melepaskan

gas saat kenaikan temperatur, maka dapat berpotensi sebagai foaming agent.

Termasuk kedalam foaming agent adalah bahan inorganik hidrat seperti kalsium

klorida, cupric sulfat dan barium iodida, juga mineral yang memiliki lapisan hidrat

seperti vermiculite. Ketika dipanaskan diatas temperatur dekomposisinya (400-

13000C), maka bahan ini akan terhidrasi dan uap air yang terlepas dapat digunakan

untuk mengembangkan (foaming) cairan logam. Senyawa logam, termasuk hidrida,

oksida, nitrida, sulfida, dan karbonat, juga cocok digunakan. Pada kenaikan

temperatur yang cukup, bahan tersebut dapat terdekomposisi membentuk formula:

( ) ( ) ( )s s gMX M X→ + [2.1]

Mayoritas pengerjaan foaming pada logam cair ditujukan pada aluminium. Hal ini,

dikarenakan karakteristiknya yang mempunyai densitas rendah, relatif mempunyai

titik leleh rendah, dan sifat mampu tahannya terhadap korosi. Aluminium murni

meleleh pada 6600C, sedangkan aluminium paduan yang lazim digunakan sebagai

bahan aluminum foam, mempunyai temperatur leleh yang lebih rendah dibawah

5750C.

Beberapa paten menyarankan kisaran yang luas untuk bahan yang berpotensial

sebagai foaming agent. Termasuk didalamnya adalah CdCO3 dan MgCO3, molekul

organik dengan rantai panjang, (NH4)CO3, vermiculite, logam sulfat dan karbonat.

Diantara semua bahan tersebut, titanium hidrida (TiH2) dan zirconium hidrida (ZrH2),

merupakan foaming agent yang sering digunakan secara praktik. Pada penggunaan

komersial pun hanya TiH2 yang luas dipakai. Bahan ini terdekomposisi melalui reaksi:



Kisaran Temperatur leleh untuk paduan Aluminuium

2( ) ( ) 2( )s s gTiH Ti H→ + ΔG0 (kJ mol-1) = 453 – 0.58 T(K) [2.2]

Energi bebas dari reaksi ini, ΔG0, diplotkan sebagai fungsi dari temperatur pada

gambar II.15. Semua elemen diasumsikan pada keadaan standar, yaitu ketika gas

terbentuk pada tekanan atmosfer. Hal ini, menyesuaikan perkiraan situasi didalam sel

saat aluminium bersifat cair. Dekomposisi TiH2 menghasilkan hidrogen, secara

langsung terjadi dalam keadaan atmosfer pada temperatur 7500C. Tetapi, pada

proses foaming dekomposisi TiH2 terjadi secara cepat di temperatur yang lebih

rendah. Senyawa intermetalik TiAl dan TiAl3 teramati pada permukaan interface

antara partikel TiH2 dan logam cair. Hal ini menunjukkan adanya reaksi lain yang

terjadi.

Gambar II. 15 ΔG0 untuk dekomposisi termal dari TiH2, dan untuk beberapa reaksi

pembentukan gas dari TiH2 pada Paduan Aluminium cair. pH2 = 1 [10]

II.3.3 Logam Karbonat Sebagai Agen Penghasil Gas[10] Logam karbonat sangat berpotensial juga sebagai agen penghasil gas dalam proses

foaming. Energi bebas untuk dekomposisi bahan karbonat diplotkan dalam gambar

II.16, untuk reaksi yang terjadi sebagai berikut:

3( ) ( ) 2( ). .s s gn XCO n XO CO= + [2.3]



Gambar II. 16 ΔG0 reaksi [3.3] untuk satu mol pada berbagai macam logam karbonat, pCO2=1

atm, berdasaran tabulasi data dari berbagai sumber. [10]

Segera setelah melihat gambar diatas, maka dapat terlihat bahwa kebanyakan dari

karbonat tidak terlalu stabil untuk digunakan sebagai foaming agent pada aluminium.

Terlihat pada kesetimbangan tekanan parsial dari CO2 (pCO2) beberapa karbonat di

gambar II.17. Selain itu, beberapa karbonat terdekomposisi pada temperatur yang

terlalu tinggi. Penjelasan ini mungkin memberikan alasan kurang lazimnya

penggunaan karbonat untuk saat ini.



Gambar II. 17 Kesetimbangan pCO2 untuk logam karbonat. Pita kelabu menunjukkan kisaran

temperatur leleh untuk paduan aluminium. [10]

Kalsium Karbonat Kalsium karbonat (CaCO3) ternyata mempunyai kriteria yang paling cocok. Yaitu,

mempunyai densitas yang mirip dengan Aluminium (2710 kg m-3) dan juga telah lama

digunakan sebagai agen foaming pada gelas dengan reaksi sebagai berikut:

3( ) ( ) 2( )s s gCaCO CaO CO→ + [2.4]

pCO2 untuk reaksi ini diplotkan sebagai fungsi dari temperatur di gambar II.18.

Gambar II. 18 Kesetimbangan pCO2 untuk reaksi [3.4]. Pita kelabu menandakan kisaran

temperatur leleh paduan aluminium [10]



Meskipun dekomposisi termal CO2 murni pada keadaan atmosfer terjadi diatas

temperatur leleh aluminium paduan, reaksi satu tahap, secara termodinamika cocok

terjadi pada saat temperatur leleh dengan penurunan kecil pCO2. Diperlihatkan pada

gambar II.19. Maka, CaCO3 dapat digunakan sebagai foaming agent aluminium, jika

pCO2 didalam sel dapat dikurangi.

Gambar II. 19 ΔG untuk reaksi [3.4] untuk beberapa nilai pCO2

[10]

CaCO3 stabil pada 2 buah bentuk polimorf utama, yaitu: calcite, dengan struktur

kristal trigonal, dan aragonite, dengan struktur orthorhombik simetris. Keadaan

polimorf CaCO3 stabil, secara relatif diplotkan dalam gambar II.20. Aragonite

mempunyai energi aktivasi yang lebih rendah untuk mendekomposisi dari pada

calcite.

Gambar II. 20 Stabilitas polimorf calcite dan aragonite untuk CaCO3

[10]



Dekomposisi termal dari calcite telah dipelajari dengan menggunakan Differential

Thermal Analysis (DTA), Thermogravimetric Analysis (TGA) dan Dynamic X-ray

Diffraction (XRD). Data yang didapatkan, mempunya pensebaran hasil yang

signifikan. Dekomposisi pada atmosfer inert terjadi secara lambat pada T>5000C, dan

terjadi secara cepat pada temperatur 650-7000C. Temperatur dekomposisi yang

teramati tadi dipengaruhi oleh pCO2, dengan permulaan dekomposisi pada

temperatur 9000C untuk CO2 murni. Akan tetapi, efek dari pCO2 secara kinetik pada

dekomposisi belumlah jelas.

Partikel CaCO3 yang lebih besar, dengan luas permukaan yang lebih kecil dan jarak

difusi gas antar partikel yang lebih besar, akan terdekomposisi lebih lambat. Telah

pula dilakukan penelitaan secara sistematik yang mempelajari efek dari kemurnian

serbuk. Karbonat yang mempunyai kemurnian tinggi ternyata terdekomposisi sedikit

lebih lambat daripada limestone alam yang tidak murni. Pembersihan sampel serbuk

telah diteliti dapat menunda dekomposisi, memberikan alasan bahwa kotoran atau

gas yang terserap dapat saja berperan sebagai permukaan dimana terjadi pengintian

CaO.

Melalui penelitiannya, Nakamura melaporkan bahwa CaCO3 dapat digunakan sebagai

foaming agent untuk aluminum pada proses AlporasTM. Proses ini menggunakan

kalsium sebagai penambah viskositas. Proses foaming dapat terjadi dengan

membentuk lapisan terlebih dahulu setebal 30 nm pada permukaan partikel foaming

agent

3 2 2 32CaCO NaF CaF Na CO+ = + [2.5]

Pertukaran ion terjadi pada larutan NaF hangat selama 40 menit. Dilanjutkan dengan

pengeringan udara (1200C) selama 12 jam. Lapisan coating dilaporkan digunakan

untuk membantu memperbaiki wettability. Al-Foam untuk partikel yang dicoating,

memperlihatkan daerah pengeringan yang luas dan struktur sel acak pada pori yang

ter-interkoneksi. Sedangkan CaCO3 yang tidak dicoating, ternyata tidak dapat

membentuk foam dari logam cair. Besar pori yang dibentuk oleh karbonat (1,1 mm)

adalah 60% lebih kecil daripada Al-foam yang dibentuk oleh hidrida (1,8 mm).

Perbedaan yang mencolok dapat terlihat lebih jelas untuk spesimen yang

diperlihatkan dalam gambar II.21. Penelitian tersebut menghubungkan bahwa

perbedaan ukuran sel digunakan untuk menambah wettabiliy dari foaming agent.



Diasumsikan hal ini diupayakan untuk menambah jumlah pengintian gelembung dan

membantu pelepasan gas.

Gambar II. 21 Foam yang diproduksi dengan TiH2, CaCO3, dan CaCO3 pre-treated[10]

II.4 Tahapan pembentukan struktur foam[10] II.4.1 Penumbuhan Sel Struktur sel terbangun melalui tahapan yang diperlihatkan di gambar II.22. Bentuk sel

pada awalnya dikontrol hanya oleh tegangan permukaan, lalu membentuk pori bulat.

Kemudian dilanjutkan dengan pengembangan bentuk pori menjadi bertambah

angular. Dikarenakan pergerakan gelembung relatif dengan gelembung lainnya

menjadi sulit, maka akhirnya membentuk jaringan tiga dimensi dari sel polihedral.

Terminologi yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur sel polyhedral

dijelaskan melalui gambar II.23.

Gambar II. 22 Skema pertumbuhan struktur sel dengan ρ*/ρ berkurang selama

pengembangan logam cair dengan menggunakan foaming agent yang terdispersi [10]



Gambar II. 23 Terminology dan notasi struktur sel [10]

II.4.2 Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Struktur Foam Difusi Gas Pada foam cair, perbedaan tekanan diantara sel dengan ukuran yang berbeda akan

menyebabkan terjadinya pengasaran, melalui mekanisme Ostwald Rippening.

Tekanan gas didalam sel yang memiliki tekanan permukaan akan berbanding terbalik

dengan radius lengkungan selnya. Perbedaan tekanan diantara sel yang berdekatan

membentuk persamaan dengan radius lengkungan r1 dan r2, yang dijelaskan sebagai

berikut:

1 2

1 1.P Tr r

⎛ ⎞Δ ∝ −⎜ ⎟

⎝ ⎠ [2.6]

persamaan tadi diperluas untuk gelembung didalam struktur. Hal ini dapat

diperlihatkan bahwa sebuah gelembung dengan radius r akan tumbuh pada laju:

1 1.dr Cdt r r

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

[2.7]

dimana r adalah radius rata-rata gelembung didalam foam. Oleh karena itu,

gelembung dengan r > r akan tumbuh dengan menghilangkan gelembung-

gelembung yang lebih kecil yang juga mempunyai rasio luas permukaan dengan

volume yang tinggi. Prinsipnya adalah saat proses foaming berlangsung, akan

berpotensial terjadinya difusi gas. Meskipun pada awalnya semua gelembung

mempunyai ukuran yang sama, gelembung yang terdapat pada sisi terluar



mempunyai lengkungan sampai permukaan dan dapat meloloskan gas keluar

atmosfer.

Difusi yang terjadi, akan tetapi dibatasi oleh tingkat difusivitas dan kelarutan gas

dalam logam cair. kelarutan berbagai macam gas seringkali dapat diabaikan, kecuali

H2 yang mempunyai klarutan signifikan kedalam aluminium cair. Gambar II.24

memperlihatkan kelarutan gas dapat dikurangi secara signifikan dengan tambahan

paduan Si. Dikarenakan, pada proses foaming, gelembung akan dipertahankan dalam

keadaan cair untuk waktu yang sebentar, maka dapat diasumsikan bahwa efek dari

difusi gas pada struktur sel dapat diabaikan.

Gambar II. 24 Kelarutan H2 didalam paduan Al-Si sebagai fungsi dari konsentrasi Si,

diekspresikan sebagai volume gas pada 00C dan tekanan atmosfer ang akan terlarut pada logam seberat 100g [10]

Pengaturan Sel Jika dekomposisi pada sel yang bedekatan menunjukkan perbedaan tekanan yang

jauh dan tidak dapat terakomodasi dengan difusi, maka sel-sel dapat mengatur

kembali, lalu merubah sel tetangganya untuk mendistribusikan tekanan kembali.

Kemungkinan yang terjadi adalah permukaan sel dengan tegangan permukaan yang

rendah dapat melengkung.

Viskositas Untuk membuat sel yang terdistribusi merata, maka gelembung harus dapat ditahan

didalam logam cair sampai foam membeku. Dengan kata lain, kecepatan pergerakan

naiknya gelembung perlu dikurangi. Pengaruh ukuran gelembung dan tingkat

viskositas logam cair pada kecepatan terminal gelembung gas pada logam cair dapat



diperoleh dengan menyeimbangkan kemampuan apung gelembung dengan tahanan

logam cair karena viskositas.

Untuk sebuah gelembung dengan diameter d, maka gaya apungnya sama dengan

massa logam cair yang dipindahkan oleh gelembung tadi:

31 . . .6apung liquidF d gπ ρ= [2.8]

Hukum stokes memberikan persamaan gaya menarik gelembung didalam logam cair

dengan viskositas, sebagai berikut :

3. . . .tahanF d vπ η= [2.9]

persamaan 3.8 dan 3.9, menghasilkan : 21 . .

18 liquiddv gρη

= [2.10]

Gambar II. 25 v terminal sebagai fungsi dari η untuk beberapa nilai d [10]

Untuk memperkirakan tingkat viskositas logam cair yang disyaratkan untuk membuat

struktur sel yang stabil, maka diperlukan kisaran kriteria kekasaran foam. Oleh karena

itu, dapat diasumsikan bahwa struktur foam dapat stabil jika (η) cukup tinggi untuk

mengurangi v terminal gelembung pada tingkat tertentu. Untuk waktu foaming total

selama 10 menit, juga dapat diasumsikan bahwa foam akan tidak stabil atau rusak

jika gelembung-gelembungnya bergerak dengan jarak yang lebih besar dari radiusnya



selama waktu tersebut. Misal, sebuah gelembung dengan r = 2mm akan memerlukan

tingkat viskositas logam cair sebesar ~7000 Pa s agar dapat stabil.

Tegangan Permukaan Tegangan permukaan pada sel polyhedral akan menyebabkan pembulatan bentuk sel

dengan batas datar yang melebar dan permukaan sel yang menipis. Hal ini

dperlihatkan pada gambar II.26 Kejadian ini dibarengi dengan pembekuan logam cair

dari permukaan sel ke batas datar sel.

Gambar II. 26 Efek dari tegangan permukaan pada batas sisi yang datar [10]

Spesi yang bermigrasi dari permukaan gas-liquid, akan menurunkan energi antar

permukaan foam. Dengan membatasi efek dari tegangan permukaan pada

gelembung, maka akan mengurangi driving force aliran material dari permukaan sel

ke batas datar sel, karena bisa merusak (menipiskan) permukaan sel.

Oksidasi Pada Aluminium Aluminium memiliki reaktifitas yang tinggi untuk membentuk lapisan oksida sesuai

dengan reaksi:

( ) 2( ) 2 332 ( )2l gAl O Al O s+ → 0 1( . ) 0.3642. ( ) 1729G kj mol T K−Δ = − [2.11]

Lapisan oksida ini lentur dan tidak terlalu signfikan mengganggu fluiditas dari

Aluminium. Akan tetapi, keberadaan lapisan ini berefek pada tegangan permukaan,

diperlihatkan pada gambar II.27



Gambar II. 27 Gabungan nilai tegangan permukaan dari aluminium murni yang diukur pada

keadaan vakum (P<10-4 Pa). [10]

Pensebaran yang diperlihatkan pada gambar, menunjukkan bahwa terdapat kesulitan

dalam penentuan data yang akurat. Nilai terendah, dengan γ dibawah 1 Nm-3,

menunjukkan kebergantungan permukaan yang teroksidasi terhadap temperatur.

Sedangkan nilai tertinggi didapatkan melalui eksperimen dimana keberadaan oksigen

dihindari sehingga tegagan permukaan yang didapatkan pada permukaan murni

mendekati 1.05-1.11 Nm-1. Kenaikan temperatur (diatas~1100 K) dan agitasi luar

membuat lapisan tebal oksida tidak stabil.

Permukaan aluminium solid juga dapat teroksidasi secara cepat, meskipun laju

oksidasi akan turun atau diabaikan saat mencapai batas ketebalan oksida pada

permukaan. Batas ini dikenal sebagai Mott thickness dengan nilai 2 nm pada

temperatur kamar, dan relatif tidak sensitif terhadap tekanan parsial oksigen. Diatas

2000C lapisan oksida akan tumbuh secara cepat dengan skala waktu harian sehingga

ketebalan akan menebal secara signifikan



II.5. Karakter Mekanik Aluminum Foam [10] II.5.1 Tingkat Skala

Metal foam dapat dikarakterisasi melalui 3 skala tingkatan. Tingkat pertama, metal

foam dapat diperlakukan sebagai material teknik yang utuh (bulk material), yaitu

mengabaikan keberadaan porositas. Sifat material yang menjadi perhatian adalah

kekakuan, kekuatan, ketangguhan dan densitasnya. Sifat-sifat tersebut merupakan

kelakuan material foam ketika berdeformasi plastis dan mengalami strain hardening.

Sifat-sifat ini menjadi paramater yang dapat disesuaikan dengan persyaratan untuk

beberapa tipe produk foam komersial tertentu.

Pada tingkat kedua, metal foam dapat dilihat sebagai bagian sel-sel yang

dirangkaikan. Sifat yang diperhatikan, termasuk didalamnya adalah kisaran dan

distribusi dari ukuran sel pada sesimen tertentu; bentuk sel dan kelakuan ketika sel

tersebut di rangkaikan terhadap sel yang lain; ketebalan; dan profil permukaan

penampang melintang sel. Dalam usaha mengoptimalkan sifat mekanik dari metal

foam, maka saat ini telah terdapat penelitian yang mencari hubungan diantara aspek

struktur sel dengan sifat material teknik yang utuh (bulk material).

Pada tingkat ketiga, struktur mikro dari logam matriks foam menjadi hal yang

signifikan. Seperti halnya struktur sel, maka gambaran distribusi fasa dapat

menentukan sifat metal foam. Proses produksi dari metal foam seringkali memerlukan

partikel atau fasa tambahan yang berperan sebagai penstabil atau surfactant yang

juga berefek pada performa mekaniknya. Pada tingkat ini, hubungan antara struktur

mikro dan sifat meterial utuh, masih menjadi bahan penelitian lanjutan.

II.5.2 Deformasi Tarik dan Tekan Sifat elastik dari beberapa metal foam komersial saat ini telah dipelajari secara luas.

Secara umum, sifat tersebut memperlihatkan kesamaan kelakuan pada deformasi

tarik dan tekan, terutama untuk regangan yang kecil.

Sifat utama yang diinginkan dari metal foam adalah kemampuan untuk menyerap

energi tekan plastis pada jumlah yang besar, kemudian mentransmisikan beban yang

rendah secara konstan. Oleh karena itu, saat ini deformasi tekan pada metal foam

telah dipelajari secara mendalam dibandingkan dengan deformasi tarik. Evaluasi

terhadap penentuan sifat tarik saat ini masih sulit untuk disimpulkan. Deformasi



plastis pada pembebanan tarik, hanya memperlihatkan modus kegagalan dari foam

saja.

Kekuatan luluh tarik pada metal foam biasanya sama atau lebih kecil daripada

kekuatan luluh tekan. Semisal, beberapa penelitian menemukan bahwa kekuatan

luluh tarik dan tekan dari metal foam AlporasTM, menunjukkan angka yang mirip.

II.5.3 Defomasi Metal Foam Pada Pembebanan Tekan II.5.3.1 Kelakuan Pada Regangan Rendah Gambar dibawah, memperlihatkan skema kurva tegangan-regangan dari metal foam

(closed-cell) pada pembebanan tekan. Karakteristik yang menonjol adalah tidak

adanya daerah yang memperlihatkan deformasi kembali pada keadaan semula.

Modulus tangensial pada awal kurva pembebanannya cukup rendah daripada

pembebanan yang terekam saat metal foam dilepaskan pembebanannya. Selain itu,

pada siklus pembebanan-pelepasan beban, seringkali terlihat adanya kurva histersis.

Gambar II. 28 Skema kurva tegangan regangan pada deformasi tahap awal untuk metal foam dengan pori tertutup. Pembebanan dilakukan dengan 2 siklus, sehingga memperlihatkan tegangan luluh, modulus elastisitas pada saat pembebanan dan modulus elastisitas saat pelepasan beban. [10]

Penggunaan software (image-matching), dapat memperlihatkan gambar dari kelakuan

metal foam ketika dideformasi secara bertahap, hal ini digunakan untuk lebih

memahami kelakuan metal foam yang irreversible ketika diberi deformasi pada

pembebanan yang kecil. Melalui pengujian tersebut terungkap bahwa hampir semua

deformasi elastis terkonsentrasi pada suatu pita (band) tertentu, biasanya terpisahkan

sekurangnya 3-4 dari diameter selnya. Saat deformasi berlangsung, jumlah pita dan

luas deformasi pada pita tersebut akan mengalami kenaikan. Lokalisasi deformasi



plastis pada permukaan sel (atau terbentuknya pita deformasi) yang menyebabkan

kurva pembebanan awal yang tidak linear.

Perlu diperhatikan, bahwa deformasi elastis yang terlokalisasi muncul sebagai akibat

dari tidak seragamnya bentuk foam. Pada metal foam (open-cell) yang mempunyai

struktur sel seragam, tidak terdapat perbedaan diantara modulus pembebanan dan

pelepasan beban. Melalui image-matching juga terlihat bahwa pada pembebanan

awal, deformasi elastis yang terjadi akan lebih homogen. Modulus elastis tetap

menjadi sifat yang paling penting pada pemakaian aluminium untuk aplikasi

konstruksi.

II.5.3.2 Keluluhan & Plastisitas Metal Foam Pita Deformasi (deformation bands) Deformasi plastis pada skala besar dari closed-cell, umumnya dimulai oleh kegagalan

dari sebuah pita sel pada penampang melintang spesimen. Kegagalan ini muncul

pada salah satu pita yang mengalami konsentrasi deformasi lokal. Konsentrasi ini

terbentuk selama tahap deformasi elastis (dalam skala utuh), juga seringkali muncul

di daerah yang mempunyai densitas lokal terendah. Deformasi yang terjadi pada pita

tersebut, selanjutnya akan menyebabkan pemadatan lokal, dimana deformasi plastis

(pada skala utuh) terjadi saat adanya kegagalan pada sel yang lain. Pembentukan

pita yang gagal ini, ditandai oleh turunnya beban yang diterima oleh foam, proses ini

digambarkan secara skematis pada gambar II.28.

Daerah pada metal foam, yang telah mengalami kegagalan plastis akan selalu

berdampingan dengan daerah yang mengalami deformasi elastis. Ketika regangan

plastis makro yang besar, peluluhan akan terjadi dengan cara menggagalkan sel yang

belum terdeformasi, sehingga memberikan tegangan datar yang konstan (plateau

stress): ditunjukkan pada tahap 2 dari skema kurva tegangan-regangan pada gambar

II.29.



Gambar II. 29 Tiga tahapan pada kurva tegangan-regangan untuk metal foam, pada

pemberian regangan tekan yang besar [10]

Kegagalan plastis, seringkali terjadi melalui penjalaran pita pertama yang telah

mengalami kegagalan sepanjang bidang spesimen. Pada sturuktur sel yang tidak

seragam, akan terkesan bahwa terdapat banyaknya keberadaan pita yang gagal. Hal

ini, adalah konsekuensi dari daerah yang mempunyai densitas lokal tinggi pada

struktur sel, yang mencegah penjalaran lanjutan, sehingga mendorong terjadinya

kegagalan plastis secara acak.

Pemadatan (densfication) Ketika kegagalan pada pita sel berlanjut, terdapat satu titik dimana tidak ada lagi

ruang tersisa untuk berdeformasi dengan buckling. Hal ini digambarkan melalui

kenaikan secara tajam pada kurva tegangan-regangan, sebagai fungsi dari kekuatan

(tahap 3 pada gambar II.29). Regangan teknik (engineering strain) disaat pemadatan

terjadi, Ed, dimodelkan dengan persamaan empiris berdasarkan data dari metal foam

dengan ρ*/ρ diantara 0.02 sampai 0.4:

( )*1 1.4dρε ρ= − [2.12]

Angka 1.4 sebagai faktor untuk memperhitungkan rongga kecil yang terperangkap

dalam material ketika tidak ada lagi deformasi sel yang terjadi.



Possion's Ratio Possion's ratio, umumnya mempunyai harga mendekati nol, dikarenakan tidak

adanya peregangan lateral, yang biasanya terjadi saat deformasi plastis. Dengan

adanya ruang bebas yang luas, berarti pita deformasi dapat mengikuti jejak dimana

resistansinya paling kecil, dan seringkali terdapat pada sudut 450 atau lebih pada arah

penekanan. Kekuatan luluh hidrostatik, mempunyai kemiripan dengan kekuatan luluh

uniaksial.

II.5.4 Modus Kegagalan Getas dan Ulet Modus kegagalan metal foam (closed cell) dapat dibagi kedalam dua kategori, yaitu

modus kegagalan getas dan ulet. Modus kegagalan ulet ditandai oleh daerah plateau

stress yang relatif halus pada kurva tegangan-regangan, diiringi dengan kenaikan

tegangan sebagai akibat dari strain hardening atau pemadatan. Sedangakan modus

kegagalan getas ditandai dengan adanya penurunan (drop) setelah kekuatan tekan

awal, dilanjutkan dengan kurva tegangan-regangan yang bergerigi (naik-turun),

memperlihatkan adanya foam yang pecah. Karakteristik kurva tegangan-regangan

pada dua tipe kegagalan diperlihatkan pada gambar II.30. Strain hardening dapat

memberikan kenaikan yang halus pada kurva tegangan-regangan. Akan tetapi,

fenomena ini hanya terjdi pada metal foam yang mengalami modus kegagalan ulet

dan mempunyai kandungan paduan.

Gambar II. 30 Kurva tegangan-regangan tekan untuk spesimen kubus dari spesimen AlulightTM (ulet) dan AlcanTM (getas). [10]



II.5.5 Modus Kegagalan untuk Energy Absorber Ketika mempertimbangkan kegunaan metal foam sebagai material penyerap energi,

terdapat 2 parameter kunci, yaitu: energi yang terserap per unit massa ketika

penekanan, dan tegangan dimana energi tersebut terserap. Parameter pertama,

ditunjukkan pada area dibawah kurva tegangan-regangan metal foam. Berdasarkan

aplikasi, bentuk kurva sebelum tegangan melampaui nilai kritis, σe, adalah penting.

seperti yang diilustrasikan pada gambar II.31, penurunan tegangan setelah luluh, atau

kenaikan strain hardening yang tinggi, dapat saja terjadi. pada umumnya, hal ini tidak

diinginkan. plateau stress σplateau, dapat juga direkayasa agar cocok dengan tegangan

kompresi untuk aplikasi-aplikasi tertentu, sekalipun dengan cara mengurangi

densification strain.

Gambar II. 31 Skema kurva tegangan regangan untuk: a) foam ideal, b) foam yang mengalami kegagalan getas, dan c) foam dengan work hardening yang luas. Daerah efektif saat penyerapan energi mekanik terjadi pada bagian kelabu sebelum mencapai pembebebanan tekan kritis σe

[10] II.6 Aplikasi Aluminium Foam Sebagai Penyerap Energi Mekanik II.6.1 Effisiensi dan Kapasitas Penyerapan Energi Mekanik[9] Aluminum foam dapat digunakan sebagai penyerap energi mekanik, disebabkan

kemungkinannya untuk mengkontrol tegangan-regangan berdasarkan material

matriks, geometri sel dan densitas relatifnya. Selain itu, keunggulan lainnya adalah

kemampuan untuk menyerap energi mekanik tanpa menimbulkan tegangan

maksimum atau percepatan gaya yang terlalu tinggi sehingga menyebabkan

kerusakan atau cedera yang lebih serius.



Gambar II. 32 Kekuatan tekan dan efisiensi penyerapan energi untuk

foam AlSi ( ρ = 0.36 g.cm-3) [9]

Gambar II.32 memperlihatkan kelakuan deformasi dari aluminum foam terhadap

pembebanan tekan. Energi per volume yang diserap oleh material ditunjukkan secara

langsung oleh luas area dibawah kurva tegangan-regangan. Aluminum foam yang

memperlihatkan tegangan deformasi konstan, berarti dapat lebih menyerap energi

deformasi dibandingkan dengan aluminum padat ketika keduanya dibebani sampai

tingkat batas tegangan.

II.6.1.1 Efisiensi Penyerapan Energi[9] Efisiensi dari penyerapan energi adalah perbandingan antara energi deformasi yang

diserap oleh komponen dengan penyerap energi mekanik ideal. Penyerap energi

mekanik ideal memperlihatkan bentuk persegi empat dari kurva pembebanan tekan.

Kurva tersebut memperlihatkan regangan maksimum yang dapat diterima, dan tetap

terjaga konstan selama proses deformasi berlangsung. Effisiensi (η) didefinisikan

sebagai perbandingan antara energi yang terserap sebenarnya setelah regangan

tekan (s) dengan penyerapan dari ideal absorber:

0

max

( ') '

( )

s

F s ds

F s sη =

∫ [2.13]

Dimana Fmax(s) adalah gaya tertinggi yang terjadi saat deformasi (s).

Sebagaimana semua material memperlihatkan tegangan yang beragam selama

penekanan, maka perhitungan effisiensi juga berubah-ubah selama proses deformasi.

Oleh karena itu, perhitungan efisiensi bergantung pada sifat kurva pembebanan



tekan. Bergantung pada densitas dan komposisi paduan, efisiensi penyerapan energi

aluminum foam dapat mencapai lebih dari 90%, terutama saat deformasi 60%

pertama. Densitas relatif, morfologi sel, dan homogenitas foam, seperti halnya

gradien densitas mempengaruhi panjang dari daerah dataran (plateau) selama

penekanan. Pada area pemadatan, efisiensi akan berkurang ketika kenaikan

tegangan. Dengan kata lain, aluminum foam dapat diberi pebebanan secara optimal

hanya ketika sampai dengan area daerah datar pada kurva tegangan-regangan.

Efisiensi penyerapan energi adalah parameter terukur saat karakterisasi, yang

memperlihatkan kemampuan menyerap energi dan simpulan dari sifat umum

kelakuan aluminum foam saat berdeformasi. Akan tetapi, untuk pemilihan material

untuk aplikasi penyerapan energi mekanaik, maka informasi efisiensi saja tidaklah

cukup.

II.6.1.2 Kapasitas Penyerapan Energi Mekanik[9]

Perhatian khusus untuk konstruksi kendaraan, tempat dan berat yang dibutuhkan

untuk struktur komponen tambahan adalah sangatlah penting. Energi impak yang

diserap per volume oleh energy absorber selanjutnya merupakan perhatian penting

yang diperlihatkan pada gambar II. 33 sebagai fungsi dari densitas.

Gambar II. 33 Energi terserap per unit volume terhadap berbagai macam densitas foam AlSi

setelah penekanan sebesar 20%, 40%, dan 60%.[9]



II.6.2 Diagram Penyerapan Energi Mekanik[9] Maiti et al. telah mengembangkan metode dan mengajukan diagram penyerapan

energi mekanik untuk menentukan optimasi penyerapannya. Asumsi awalnya adalah

mendekati keidealan dari foam saat menyerap energi pada tegangan minimum.

Gambar II.34, memperlihatkan kelakuan kompresi dari tiga foam dari berbagai macam

densitas, menjelaskan fakta-fakta ini secara detail.

Gambar II. 34 Kelakuan tekan dari 3 macam foam AlSi12 pada berbagai densitas. Ketiga

daerah kelabu memperlihatkan energi yang terserap dengan jumlah yang sama sebesar W* [9]

Area kelabu berkaitan dengan jumlah energy W* yang sama terserap oleh ketiga

foam. Batas kanan dari setiap area kelabu menandai penekanan yang diperluan

untuk menyerap sejumlah energi ini. Pada kasus ini, densitas terendah, kurva

tegangan – regangan telah melewati tegangan konstan sebelum energi W* terserap.

Oleh karena itu, tegangannya mencapai harga yang tinggi. Sedangkan untuk foam

dengan densitas tertinggi akan memperlihatkan daerah datar dengan tegangan

konstan dan di sisi lain mempunyai tegangan maksimum yang paling tinggi. Sebagai

perbedaan, untuk energi impak yang diberikan W*, foam dengan densitas medium

terbebani tepat berada pada akhir area datar. Oleh karena itu, hal ini memperlihatkan

puncak tegangan yang terendah untuk penyeraan energi. Dengan keadaan ini, untuk

setiap energi impak yang diberikan kepada foam dengan densitas spesifik yang dapat

ditentukan, maka akan memerlihatkan tegangan maksimum terendah yang mungkin

selama deformasi. Maka disimpulkan bahwa bermacam tingkat energi dan tegangan

impak yang diperbolehkan untuk foam dapat dipilih.



Terdapat berbagai teknik untuk memilih dan mengevaluasi penyerap energi mekanik

yang terbuat dari aluminum foam. Akan tetapi, perlu diperhatikan untuk aplikasi

struktur yang sederhana, maka foam tidak langsung memperlihatkan penyerapan

energi mekanik optimal. Dengan mengintegrasikan elemen2 kedalam struktur secara

keseluruhan, maka elemen-elemen ini dapat disesuaikan sesuai kelakuan deformasi

untuk keseluruhan struktur sehingga didapat penyerapan energi yang efisien. Seperti

contoh, dengan memilih paduan dan perlakuan panas, maka akan mempengaruhi

tingkat tegangan dan modus kegagalannya (ulet atau getas).

II.6.3 Penggunaan Penyerap Energi Mekanik Pada Otomotif II.6.3.1 Crashbox [1] Crashbox ditempatkan diantara impact beam dan front rail mobil. Penggunaannya

adalah untuk menyerap energi tabrakan pada kecepatan menengah. Dengan

menggunakan cara ini, maka dapat mengurangi biaya perbaikan akibat tabrakan.

Crashbox, dibuat dari aluminum ekstrusi atau bagian baja lasan yang diisi dengan

aluminum foam. Saat mengalami tabrakan, maka crashbox akan hancur atau rusak

disepanjang bagian, untuk menyerap energi mekanik. Crashbox juga telah secara

luas digunakan di Eropa untuk lebih menjamin keselamatan kendaraan.

Beberapa keuntungan pemakaian aluminum foam sebagai isian dari crashbox

diantaranya adalah sebagai berikut:

Mengurangi kerusakan front rail, dengan menyerap energi tabrakan pada

kecepatan diatas sekitar 20 km/jam. Oleh karena itu, penggunaannya dapat

melokalisasi kerusakan sehingga mengurangi ongkos perbaikan.

Menyerap energi tabrakan satu sumbu, dengan lebih efisien daripada desain

bagian yang kosong berlubang (hollow).

Menyerap energi mekanik lebih besar daripada bagian yang kosong pada

massa yang serupa.

Menawarkan kebebasan desain yang lebih baik pada front end dengan

menyerap energi impak, terlebih pada jarak yang dekat.

Pengetahuan yang komprehensif mengenai rekayasa desain crashbox telah

banyak diterbitkan.

Kelakuannya tetap sama, tanpa menghiraukan perubahan temperatur dan

kecepatan.



Gambar II. 35 Crashbox yang telah hancur, dan dua contoh komponen dengan rute produksi

berbeda.[1]

Gambar diatas ini memperlihatkan crashbox yang telah hancur terpakai, dan dua

contoh komponen yang diproduksi dengan rute proses yang berbeda. Crashbox yang

telah hancur, memperlihatkan dua aksi, yaitu: tidak hanya menyerap energi impak,

tetapi juga menyebabkan tabung (tube) berperilaku berbeda (lebih berlipat) sehingga

lebih menyerap energi dibanding ketika tidak terisi. Dibawah ini, contoh dari kurva

gaya-regangan untuk pipa kosong dan tiga pipa yang diisi dengan foam pada

densitas yang dinaikkan.

Gambar II. 36 Kurva gaya-regangan pada bermacam crashbox[1]

II.6.3.2 Rails[1]

Pada sebagian besar mobil, terutama pada rail depan dan belakang, dibuat dari

bagian yang berongga. Bagian ini, menawarkan kekakuan bending yang baik, akan

tetapi sering mengalami kegagalan prematur yang disebabkan oleh kerusakan yang



terlokalisasi. Secara tradisional, pelat baja digunakan sebagai penopang pada titik

yang lemah pada rail, seperti pada lekukan. Tetapi, penambahan ini seringkali

menambah rumit desain dan biaya pada sistem.

Penggunaan aluminum foam yang diisikan kedalam rails diantaranya sebagai berikut:

Kekuatan, penyerapan energi dan panjang dari regangan elastik dari aluminum

foam yang diisikan kedalam rail dapat diimprovisasi, dengan mencegah

kegagalan prematur pada cacat atau lekukan.

Penyerapan energi dan kekuatan dari rail yang diisikan foam dapat

diimprovisasi dengan berat yang sama seperti rail konvesional.

Keselamatan penumpang dapat ditingkatkan dengan mengurangi akibat yang

ditimbulkan oleh tabrakan pada kecepatan tinggi.

II.6.3.3 Bumper[1] Permintaan atau tuntutan untuk memperbaiki sistem bumper telah meningkat dengan

tajam. Tuntutan persyaratan keselamatan untuk pengendara, penumpang, dan

pejalan kaki perlu diperhatikan. Konsumen dan industri menginginkan sistem yang

dapat dengan mudah diperbaiki dan dapat melindungi komponen lain yang lebih

mahal.

Sebagai tambahan untuk pemakaiannya sebagai crashbox, keuntungan lain

aluminum foam pada desain batang bumper termasuk didalamnya adalah:

Aluminum foam tidak memantul kembali setelah terkompres sehingga dapat

mengurangi akibat dari sentakan.

Aluminum foam dapat menambah kekuatan untuk menahan kecepatan tabrakan

sebelum impact beam mengalami kerusakan.

Penggunaan aluminum foam dapat didesain untuk profil bumper yang lebih

ramping.

Tugas Sarjana Teknik Material BAB II 2008 Tinjauan...

Documents

Transcript of Tugas Sarjana Teknik Material BAB II 2008 Tinjauan...