MATERIAL KOMPOSIT

2.1  Definisi dan Klasifikasi Material Komposit

       Komposit merupakan suatu struktur material yang tersusun dari dua kombinasi atau lebih material pembentuknya, dimana sifat masing-masing bahan berbeda antara satu sama lainnya, baik sifat fisika maupun sifat kimia dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut. Dari percampuran tersebut akan menghasilkan material komposit yang mempunyai sifat dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Jika campuran ini terjadi dalam skala makroskopis, maka disebut komposit, sedangkan bila terjadi dalam skala mikroskopis, maka disebut dengan paduan (Güneri³).

       Material komposit dapat dikelompokkan dalam beberapa kelompok, tergantung pada konsep yang dimiliki (Autar¹) yaitu:

a.        Pengelompokan umum dari material komposit, yaitu:

1.     Material komposit serat, dimana serat berada dalam matriks

2.     Material komposit laminasi, yang tersusun secara belapis-lapis dari material yang berbeda-beda

3.     Material komposit partikel, dimana partikel terdapat didalam matriks, dan

4.     Kombinasi dari beberapa atau ketiga komposit diatas.

b.       Pengelompokan material komposit berdasarkan penguat dan bahan pengikatnya, (Autar¹) yaitu:

1.     Komposit Matriks Polimer

2.     Komposit Matriks Logam

3.     Komposit Matriks Keramik, dan

4.     Komposit Matriks Karbon.

2.1.1   Material Komposit Serat

        Komposit serat adalah komposit yang terdiri dari serat didalam matriks, seperti pada Gambar 2.1. Secara alami serat yang panjang mempunyai kekuatan yang lebih dibanding serat yang berbentuk bulk. Serat panjang mempunyai struktur yang lebih sempurna karena struktur kristal tersusun sepanjang sumbu serat dan cacat internal pada serat lebih sedikit dari pada material dalam bentuk curah. Bahan pangikat atau penyatu serat dalam material komposit disebut matriks (Autar¹)

2.1.2   Material Komposit Laminasi

       Material komposit laminasi terdiri dari lapisan-lapisan, minimal dua lapisan dari material yang berbeda yang terikat secara bersamaan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2. Penggunaan sistem laminasi merupakan aspek yang baik dalam mengkombinasikan material guna memperoleh material yang lebih baik. Sifat yang dapat diperoleh dari proses laminasi adalah ketangguhan, kekakuan, ringan, ketahanan terhadap korosi, dan ketahan keausan (Autar¹).

2.1.3   Material Komposit Partikel

      Material komposit partikel terdiri dari partikel-partikel dari satu atau lebih material tergantung dari matriks material lainnya. Partikel dapat berupa logam atau bukan logam sebagai matriks (Autar¹). Ada empat kombinasi yang mungkin untuk dimenjadi bahan komposit partikel, (Autar¹) yaitu:

1.     Partikel bukan­-logam dengan matriks bukan-logam

2.     Partikel logam dengan matriks bukan logam

3.     Partikel logam dengan matriks logam, dan

4.     Partikel logam dengan matriks bukan logam.

2.1.4   Kombinasi dari Material Komposit

       Komposit ini menampilkan lebih dari satu karakteristik, serat, laminasi, dan material komposit partikel, sebagai contoh pada beton yang keduanya adalah partikel (karena beton terdiri dari kerikil-pasta pengikat) dan tulang (Autar¹).

2.1.5   Komposit Matrik Polimer

       Komposit matrik polimer ini adalah komposit yang paling banyak dikembangkan oleh ahli komposit, diantaranya komposit yang terdiri dari polimer sebagai matriks baik itu termoplastik maupun jenis termoset (misalnya, epoksi, poliester, uretan) yang diperkuat dengan serat tipis. Adapun alasan mengapa komposit jenis ini banyak digunakan karena biayanya rendah, kekuatan tinggi dan prinsip-prinsip manufaktur yang sederhana.

       Adapun beberapa kelebihan komposit matrik polimer yaitu lebih ringan, biaya pembuatan lebih rendah, kekuatan tinggi, dan dapat diproduksi dalam jumlah banyak (Güneri³). Komposit matrik polimer di aplikasikan pada, kotak air radiator, alat-alat rumah tangga, panel pintu kendaraan, lemari perkantoran, peralatan elektronika, baling-baling helikopter, komponen ruang angkasa dan lantai pesawat terbang (Güneri³).

2.1.6   Komposit Matriks Logam

       Komposit matriks logam adalah salah satu komposit yang memiliki matriks logam. Komposit ini mulai dikembangkan sejak tahun 1996. Pada mulanya yang diteliti adalah filamen kontinyu komposit matrik logam yang digunakan dalam aplikasi antariksa (Autar¹).

Kelebihan komposit matrik logam (Autar¹):

·   Tidak mudah terbakar

·   Kekuatan tekan dan geser yang baik

·   Ketahanan aus dan muai terhadap termal dan

·   Ketahanan terhadap temperatur tinggi.

2.1.7   Komposit Matriks Keramik

       Komposit matrik keramik merupakan material 2 fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai penguat dan satu fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik. Penguat  yang umum digunakan pada komposit matriks keramik adalah oksida, karbida, dan nitrida. Salah satu proses komposit matriks keramik yaitu dengan proses DIMOX, yaitu proses pembentukan komposit dengan reaksi oksidasi leburan logam untuk pertumbuhan matriks keramik di sekeliling daerah penguat (Autar¹).

Kelebihan dari Komposit Matriks Keramik (Güneri³) yaitu:

·   Sangat tangguh

·   Mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus.

·   Tahan pada temperatur tinggi

·   Tahan terhadap korosi.

2.1.8   Komposit Matriks Karbon

       Karbon-karbon komposit ini menggunakan karbon sebagai pengisi di dalam matriks, komposit ini dapat digunakan pada temperatur 6000⁰F (3315⁰C) dan 20 kali lebih tangguh.

       Ada banyak kelebihan yang terdapat pada komposit karbon, disebabkan oleh karbon yang mempunyai sifat brittle dan cacat yang kecil sama halnya dengan keramik, penguat dari matrik karbon mengikuti komposit yang mengalami kegagalan secara bertahap dan keuntungan lainnya, komposit karbon lebih tahan terhadap temperatur tinggi, krip yang rendah pada saat temperatur tinggi, densitas yang rendah, kekuatan tarik yang baik, ketahanan kelelahan yang tinggi, serta konduktivitas thermal tinggi dan koefisien gesekan yang tinggi.

       Sedangkan untuk kelemahannya, komposit karbon ini mempunyai harga yang tinggi, ketahanan geser yang rendah (Autar¹).

2.2   Matriks

       Matriks dalam komposit merupakan fasa kontiyu yang memberikan beban secara merata untuk penguat konstituen. Matriks, disamping untuk melindungi penguat konstituen, juga untuk melindungi permukaan komposit dalam melawan abrasi, kerusakan mekanik, dan korosi dari lingkungan (Güneri³).

       Ada beberapa hal yang wajib ada pada matrik, (Güneri³) yaitu:

·     Basah dan harus konstituen

·     Harus dapat mengalir dengan mudah guna melengkapi penetrasi dan mengurangi kekosongan.

·     Elastis

·     Penyusutan yang rendah, CTE yang rendah.

·     Proses yang mudah dan

·     Memiliki komposisi kimia yang tepat, kemampu tahanan dalam temperatur rendah – tinggi dan dimensi yang stabil.

2.2.1 Jenis Polimer

       Polimer merupakan material yang tersusun dari banyak mer, yang dapat diaplikasikan pada banyak tempat di zaman modern. Polimer terdiri dari beberapa unit struktur yang terikat secara bersama-sama dengan ikatan kovalen, seperti pada Gambar 2.3. Polimer mempunyai banyak jenis, akan tetapi jenis umum yang banyak tersedia adalah termoset dan termoplastik.

-CH₂CH₂CH₂- 0r [-CH₂CH₂-]_n

Gambar 2.3 Ikatan polimer

Sumber: A.Kumar⁹

1. Polimer Termoset

       Termoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu (irreversible). Bila sekali pengerasan telah terjadi maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi akan membuat termoset menjadi arang dan terurai. Polimer jenis ini dapat dengan mudah dikenali, karena ikatan kimianya bersilangan (Deni⁶). Termoset yang paling lazim dalam kelompok ini adalah Epoksi, poliester tidak jenuh, Poliamida and bismaliamida produksi (Güneri³).

       Matrik termoset biasanya dibagi dalam 3 (tiga) kelompok, yaitu (Güneri³):

·       Matrik termoset untuk temperatur rendah

·       Matrik termoset untuk temperatur sedang dan

·       Matrik termoset untuk temperatur tinggi, untuk jenis ini polimer yang paling sering digunakan adalah epoksi dan poliester dan diikuti oleh poliamida dan bismaliamida.

2. Polimer Termoplastik

       Termoplastik adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali dengan meningkatkan suhu, dan akan mengeras apabila didinginkan, ikatan kimia dari termoplastik berbentuk linear atau bercabang (Deni⁶), termoplastik yang lazim dipergunakan sebagai matrik, misalnya Termoplastik poliester, Poliamida, Polyaryl ethers, Termoplastik poliamida, Polyaryl sulphides (Autar¹). Pada umumnya penggunaan termoplastik pada komposit untuk menekan biaya produksi (Güneri³).

       Ada beberapa fungsi dari matriks, yaitu (Deni⁶):

·     Matriks mengikat serat bersama-sama dan bertindak sebagai media dimana tegangan luar yang berkerja ditransfer dan didistribusikan ke serat.

·     Matriks melindungi serar dari kerusakan permukaan akibat abrasi mekanik atau reaksi kimia dengan lingkungannya.

·     Fasa matriks bertindak sebagai penghambat terhadap retak. Bahkan jika beberapa serat individual gagal, kegagalan komposit tidak terjadi sampai mencapai jumlah serat penghubung yang besar.

·     Mempengaruhi penampilan suatu material komposit.

       Matriks terbuat dari bahan-bahan yang lunak dan liat, Matriks yang lazim digunakan adalah polimer. Polimer dibagi dalam 4 (empat) kelompok, yaitu resin atau termoset, termoplastik, elastomer dan polimer alami.

2.3   Serat

       Pada material komposit, serat berfungsi sebagai penguat dan penerus tegangan ke sepanjang komponen, maka tinggi atau rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dikenakan pada komposit mulanya diterima oleh Matriks dan akan diteruskan kepada serat.

       Serat berdasarkan ukuran panjangnya dapat dibagi atas 2 jenis, Serat Panjang dan serat pendek. Serat serat panjang dapat diartikan sebagai serat yang mempunyai panjang hingga diluar daerah tegangan dan panjang seratnya sama dengan panjang komponen. Sedangkan serat pendek adalah serat yang dimana panjang dari seratnya di dalam daerah kerja tegangan dan panjang seratnya lebih pendek dari pada panjang komponen (Güneri³). Jika arah serat tersusun dengan orientasi yang sama, maka material ini akan lemah pada arah melintang (Daniel⁷).

       Ada banyak jenis serat yang digunakan untuk pembuatan bahan komposit, dan mempunyai sifat yang berbeda-beda, seperti pada Tabel 2.1. Serat dapat dikelompokkan dalam beberapa kelompok, yaitu (Güneri³): 

• Serat gelas
•  Serat karbon
•  Serat kevlar atau armid
• Serat alam
• Serat keramik, dan 
• Serat logam. 

Tabel 2.1 Sifat dari serat

2

2.3.1 Serat Gelas

       Serat gelas telah digunakan oleh orang mesir kuno, material ini dalam bentuk amorfus yang tersusun dari silica. Ada 4 (empat) jenis glass yang tersedia dipasar: alkali kuat (essential soda-lime-silica: A glass), electrical grade ( calcium alumino-borosilicate dengan komposisi akali lemah: E glass) chemically-resistant dengan memodifikasi E glass grade (dengan calcium alumino-silicate: ECR glass) dan high strength grade (dengan magnesium aluminosilicate: S glass). Semua fiber ini tersedia, bagaimanapun, fiber E glass yang paling luas penggunaannya sebagai penguat, walaupun S glass mempunyai kekuatan tarik yang tinggi dan untuk modulus elastisitasnya (Tabel 2.2) (Güneri³).

2.3.2 Serat Karbon

       Serat karbon telah dikenal sejak 100 tahun yang lalu, akan tetapi ketertarikan akan serat karbon mulai meningkat sejak 1950, karena ketangguhan yang tinggi dan berat yang rendah, biasanya diaplikasikan pada penerbangan luar angkasa. Serat karbon biasanya diganti dengan serat grafit, walaupun keduanya berbeda satu sama lain, serat grafit hasil dari graphiting dengan temperatur tinggi (1900 to 2500 ºC) dan berisikan elemen karbon (lebih dari99%) (Güneri³).

2.2.2   2.3.3 Serat Karbon

       Aramid pada umumnya termasuk kedalam kelompok Kevlar dan Nomex, mulai dikenal pada tahun 1970. Ketika larutan Kevlar diekstrud kedalam bentuk serat, terbentuk sebuah ikatan polimer yang lurus secara parallel, sehingga mempunyai ketangguhan yang tinggi dan modulus dalam arah longitudinal (Güneri³).

2.3.4 Serat Alam

2 

2.3.4 Serat Alam
2.2 

       Serat alam adalah serat yang diperoleh dari bahan alami tumbuh-tumbuhan, hewan atau mineral. Secara umum pengolahan serat alam telah dikenal sejak lama, akan tetapi bukan digunakan dalam bidang komposit, misalnya wol, dan sutera. Untuk mendapatkan serat alam yang berasal dari tumbuh-tumbuhan dilakukan dengan tahapan pengumpulan, pemisahan serat, dan pembersihan (McCrum⁴).

2.3.5 Serat Boron

       Serat boron kontinyu filamen tunggal merupakan produk dari metode Chemical Vapour Deposition (CVD) dan pada umumnya digunakan sebagai penguat matrik epoksi diaplikan untuk barang olahraga dan penerbangan luar angkasa, pada aerospace shuttle. Struktur dari fiber tergantung pada kondisi deposit, khususnya temperatur (Güneri³). 

2.3.6 Serat keramik
     Serat Keramik merupakan material polikristalin dengan variasi logam yang berbeda, karbida logam, nitrida logam dan campurannya. Unsur penyusun utama terdiri dari alumina dengan struktur polikristallin dan mempunyai ketahanan yang sangat baik untuk beban yang melintang dari pada para-aramide atau serat karbon, disebabkan oleh struktur penyusunnya (Güneri³).

2.3.7   2.3.7 Serat Logam 

       Serat logam dapat dijumpai dalam bentuk gulungan logam dan serat yang berbentuk filament. Logam dalam bentuk ini menunjukkan ketangguhan dan modulus elastisitas yang tinggi, karena sifat tahan panas. Khusus untuk tungsten sering dipadukan dengan nikel dan kobal, sedangkan besi biasa digunakan pada beton dan ban (Güneri³)

2.4 Serat Sabut Kelapa

       Kelapa merupakan tanaman perkebunan / industri berupa pohon batang lurus dari famili Palmae. Tanaman kelapa (Cocos Nucifera L.), merupakan tanaman serbaguna atau tanaman yang mempunyai nilai ekonomi yang tinggi. Seluruh bagian pohon kelapa dapat  dimanfaatkan untuk kepentingan manusia, sehingga pohon ini sering disebut pohon kehidupan (tree of life) karena hampir seluruh bagian dari pohon, akar, batang, daun dan buahnya dapat dipergunakan untuk kebutuhan kehidupan manusia sehari – hari.

Buah kelapa terdiri dari epicarp yaitu bagian luar yang  permukaannya licin, agak keras dan tebalnya ± 0.7 mm, mesocarp yaitu bagian tengah yang disebut sabut, bagian ini terdiri dari serat yang keras yang tebalnya 3 – 5 cm, endocrp yaitu tempurung yang tebalnya 3-6 mm, bagian dalam melekat pada kulit luar dari biji endosperm, putih tembaga (endosperm) yang tebal 3-5 cm dan air kelapa. Sabut kelapa merupakan bagian lapisan tengah (mesocarp) dari buah kelapa yang terletak antar epicarp dan endocarp. Buah yang telah tua terdiri dari 35%, 12% tempurung, 28% endosperm dan 25% air. Sabut kelapa terdiri dari kulit ari, serat dan sekam. Diantara tiga kompoen penyusun sabut kelapa ini penggunaan serat adalah paling banyak dimanfaatkan dan telah berkembang, serat sabut kelapa lapisan tengah kulit terluar dari tempurung. Serat sabut kelapa memiliki sifat dapat menahan kandungan air dan unsur kimia pupuk, serta dapat menetralkan keasaman tanah, ramah lingkungan, juga tidak mudah terbakar atau memberikan asap beracun bila terbakar (Djoehana⁸).

Sifat fisisnya:

1.     Seratnya terdiri dari serat kasar dan halus dan tidak kaku

2.     Mutu serat ditentukan dari warna dan ketebalan

3.     Mengandung unsur kayu seperti lignin, suberin, kutin, tannin, dan zat lilin.

Sifat Mekanik:

1.     Kekuatan Lentur dari serat komposisi 40%, 50% dan 60% serat panjang seadanya, serat pendek 5 cm dan serat pendek 0,5 cm

2.     Mudah rapuh

3.     Bersifat lentur

     

2.5  Resin Poliester

      Poliester merupakan bahan termoseting yang banyak beredar di pasaran karena harganya yang relatif murah dan dapat diaplikasikan untuk berbagai macam penggunaan. Istilah poliester berawal dari reaksi asam organik dengan alkohol membentuk suatu ester.

         Poliester tidak jenuh dibagi ke dalam jenis atau kelas tergantung pada struktur dasar blok. Kelas tersebut adalah ortoftalat, isophthalik, terephthalat, bisphenol-fumarat dan klorendik disiklopentadien. Sifat Fisik dan Kimia dari poliester tidak jenuh sangat berkaitan erat dengan identifikasi penanganan, pencampuran aplikasi dari poliester ini sendiri.

2.6 Pengujian Sifat Mekanik

       Sifat mekanik bahan adalah hubungan antara respons atau deformasi bahan terhadap beban yang bekerja. Sifat mekanik berkaitan dengan kekuatan, kekerasan, keuletan, dan kekakuan. Untuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut. Ada empat jenis uji coba yang biasa dilakukan, yaitu uji tarik, uji lentur, uji torsi, dan uji geser. Dalam penulisan ini penulis hanya membahas tentang uji lentur.

Pengujian Lentur

       Pengujian lentur bertujuan untuk mengetahui sifat elastis dari spesimen, dimana spesimen diletakkan dalam keadaan horizontal, yang kedua ujungnya dijepit lalu diberikan beban tekan secara vertikal hingga patah, mempunyai ketebalan (e) sesuai standar (Gambar 2.5) (A.Kumar⁹).

Ketika material elastis diuji kelendutannya pada batang sederhana yang didukung pada dua titik dan dibebankan pada titik tengah, tegangan maksimum permukaan luar pada spesimen uji terjadi pada titik tengah( Callister¹⁰). Tegangan ini dapat dihitung untuk beberapa titik pada kurva beban defleksi melalui persamaan berikut (ASTM¹²) yaitu:

    

       Untuk menghitung permukaan luar dari bagian tengah spesimen uji, dimnaba regangan maksimum terjadi. Hal ini dapat dihitung dengan persamaan berikut (ASTM¹²):

       Pengujian kekuatan uji lentur ini dilakukan untuk mengikuti atau menuruti standard dasar ASTM¹². Nilai kekuatan lentur ditentukan dengan uji lentur yang disebut dengan modulus lentur suatu material. Tegangan maksimum atau tegangan pada saat material uji pada suatu material disebut modulus lentur. Material uji akan mengalami tegangan tekan pada permukaan bagian atas dan tegangan tarik pada permukaan bagian bawah. Ketika material uji dilakukan uji lentur, permukaan patah pada permukaan yang mengalami beban lentur dengan beban patah permukaan yang mengalami beban tekan, beban patah berhubungan terhadap kekuatan tarik dari material (William¹¹).

       Nilai modulus lentur padat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (anonymous¹²) dengan persamaan sebagai berikut (ASTM¹²):

1

REFENSI :

1. K. Kaw Autar., 2006, Mecanics Of Composite Materials:, 2^nd ed., Taylor & Francis Group, LLC, New York.
2.  Hull, Derek, 1990, “An introduction to Composite Materials”, Cambridge University Press, Cambridge.
3.   Akovali Güneri, 2001, Handbook Of Composite Fabrication., RAPRA Technology LTD, Ankara.
4.  McCrum N.G., Buckley C.P., Bucknall C.B., 1988, Principles of Polymer Engineering, Oxford Science publications, NewYork.
5.  Lewin Manachem., 2007, Handbook of Fiber Chemistry, 3^th e. Taylor & Francis Group, New York
6.  Swantomo Deni, dkk.,2008, Pembuatan Komposit Polimer Superabsorben Dengan Mesin Berkas Elektron, Jurnal dari SEMINAR NASIONAL IV SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008 ISSN 1978-0176
7.   Gay Daniel, dkk.,2003,Composite Materials Desing and Applications, CRC Press LLC, New York.
8.  Setyadmidjaya, Djoehana..1995. Bertanam Kelapa, Penerbit Kanisius, Jakarta.
9.  Kumar A,  Gupta R.K., 2003, Fundamental Of Polymer Engineering, Marcel Dekker, Inc. New York.
10.   Callister,William D., 2007, Material Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc. New York.
11.  William T. Becker and Roch J. Shipley.,2002, ASTM Metal Handbook volume 11-Failure Analisis And Prevention, The Materials Information Company, USA.
12.  Anonymous, 1999, American Society for Testing and Material (ASTM), ASTM D 790-99 “Standard Test Methonds for Flextural Properties of Unreinforced and Reinforced plastics and Electrical Insulating Materials¹” Annual Book Of ASTM Standards, Waghalter Books, Houston.