Tek. Metalurgi Untirta

Muhammmad Fitrullah,

Dept. Teknik Metalurgi – FT Untirta,

Cilegon, Banten (April 2009)

A.    Pendahuluan

Komposit adalah material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material berbeda, tergabung atau tercampur secara makroskopik untuk menghasilkan material dengan sifat yang diinginkan, dengan syarat terjadi ikatan antara kedua material tersebut.[1] Salah satu dari jenis komposit yang dipakai luas dalam berbagai aplikasi adalah komposit Al/Al₂0₃. Komposit ini adalah pengembangan dari komposit bermatriks logam yaitu aluminium, biasa disebut Aluminium Matrix Composites (AMCs) dengan alumina (Al₂0₃) sebagai fasa penguat.

Bertitik tolak dari pengertian komposit, maka komposit Al-Al₂0₃ diharapkan dapat menggabungkan sifat terbaik dari matriks aluminium (Al) sebagai material yang ringan, konduktivitas panas dan listrik baik, serta ketahanan korosi tinggi (mudah membentuk lapisan oksida yang kuat dan tahan terhadap korosi);[2] dengan penguat alumina (Al₂O₃) yang memiliki kekerasan tinggi (hard) sehingga tahan terhadap wear, kekuatan (strength) dan kekakuan (stiffness) tinggi, sifat dielektrik yang excellent dari DC ke frekuensi GHz, konduktivitas termal baik, kapabilitas ukuran dan bentuk yang baik, serta resisten terhadap serangan asam kuat dan alkali pada temperatur tinggi.[3]

Aluminium sebagai matriks pada komposit Al/Al₂O₃, merupakan logam dengan kelimpahan terbesar di kerak bumi. Selain itu, logam ini memiliki melting point yang relatif rendah yaitu 658⁰C, sehingga dengan penambahan unsur seperti tembaga (Cu), silikon (Si), atau magnesium (Mg) akan menghasilkan paduan aluminium yang memiliki kekuatan yang besar. Namun, jika dibandingkan dengan kekuatan baja paduan, maka paduan aluminium masih berada jauh di bawahnya. Sementara itu, beberapa kekurangan dari logam ini seperti: stiffness yang rendah, koefisien ekspansi termal yang sulit dikontrol, tidak memilki resisten yang baik terhadap abrasi dan wear, serta sifat “miskin”nya pada temperatur tinggi. Kombinasi dari keunggulan dan kelemahan di atas, menjadikan aluminium sebagai logam yang paling banyak dijadikan obyek riset pada komposit yang bermatrik logam.

Tentu saja, berbeda antara aluminium dengan alumina (Al₂O₃), walaupun unsur utama penyusun kedua material ini sama. Alumina (Al₂O₃) banyak digunakan dalam fabrikasi material keramik, karena merupakan bahan baku yang menghasilkan keramik dengan performa tinggi dan hemat biaya (cost effective). Beberapa aplikasi khusus dari alumina (Al₂O₃) yaitu Gas laser tubes (tabung laser gas), wear pads (Baju anti peluru), seal rings, isolator lisrik temperatur dan voltase tinggi, Furnace liner tubes, Thread and wire guides, electronic substrates, Senjata balistik, abrasion resistant tube and elbow liners, thermometry sensors, laboratory instrument tubes and sample holders, instrumentation parts for thermal property test machines, dan media gerinda.[4]

Ikatan antar atom pada alumina merupakan ionic bonding yang kuat, tidak heran jika memiliki karakteristik yang diinginkan. Artinya, ia tetap stabil walaupun pada temperatur yang sangat tinggi, karena membentuk fasa kristal heksagonal alpha (α-hexagonal) yang sangat stabil.[5] Pada oksida keramik, fasa ini merupakan yang paling kuat dan kaku. Lebih lanjut, fasa ini memiliki kekerasan tinggi dan sifat dielektrik yang excellent. Dengan demikian, banyak digunakan dalam cakupan aplikasi yang sangat luas.

Alumina murni, memiliki fungsi ganda baik sebagai atmosfer pengoksidasi maupun pereduksi sampai 1925⁰C. Sedangkan kehilangan berat material ini dalam ruang vakum berkisar dari 10^-7 sampai 10^-6 g/cm2.det di atas temperatur 1700⁰C sampai 2000⁰C.[6] Kemudian dari pada itu, alumina sangat resisten terhadap serangan segala gas kecuali fluorine, dan tahan terhadap semua reagen terkecuali asam hydrofluoric dan phosphosric. Adapun serangan pada suhu tinggi, alumina dengan kemurnian rendah, mudah diserang oleh partikulat gas logam alkali.

Secara spesifik, sifat-sifat alumina dengan kemurnian 94%, 96%, dan 99,5% dapat dilihat pada Tabel 1 berikut: [7]

Tabel 1. Perbandingan sifat-sifat alumina kemurnian 94%, 96%, dan 99,5%

B.     Komposit Al/Al₂O₃

Telah dijelaskan, sifat-sifat dari komponen penyusun komposit Al/Al₂O₃ yang terdiri dari aluminium sebagai matriks dan alumina sebagai fasa penguat. Dalam hal ini, banyak keunggulan dari AMCs jika dibandingkan dengan aluminium maupun paduan aluminium yang tidak dikuatkan, yaitu:[8]

·         Greater strength (kekuatan lebih besar)

·         Improved stiffness (kekakuan diperbaiki)

·         Reduced density/weight (mengurangi densitas/berat)

·          Improved high temperature properties (memperbaiki sifat temperatur tinggi)

·         Controlled thermal expansion coefficient (koefisien ekspansi termal terkontrol)

·         Thermal/heat management

·         Enhanced and tailored electrical performance (peningkatan performa dan kinerja elektrik)

·         Improved abrasion and wear resistance (memperbaiki ketahanan abrasi dan aus)

·         Control of mass (especially in reciprocating applications) (control massa (terutama dalam aplikasi khusus), dan

·         Improved damping capabilities (memperbaiki kapabilitas damping)

Keunggulan-keunggulan di atas, terlihat dari apresiasi yang lebih baik pada alumunium murni yang semula memiliki modulus elastic 70 GPa meningkat menjadi 240 GPa dengan diberi penguat 60% volume serat alumina yang kontinu. Sebaliknya, pemberian 60% volume penguat dalam aluminium murni justru menurunkan koefisien ekspansi dari 24 ppm/⁰C menjadi 7 ppm/⁰C. Hal ini, menunjukkan bahwa sesuatu hal yang mungkin mengadakan perubahan terhadap properties aluminium sampai 2 atau 3 tingkat dengan penambahan variasi volume penguat yang sesuai.[9]

Sistem komposit AMCs menawarkan kombinasi dari properties yang sedemikian rupa, yang dari tahun ke tahun telah dicoba dan digunakan di dalam banyak aplikasi-aplikas structural, fungsional dan bukan structural di dalam bidang engineering yang bermacam-macam. Kekuatan yang menggerakkan untuk penggunaan AMCs ini meliputi keunggulan dalam aspek performa, ekonomi dan lingkungan. Penggunaan utama dari AMCs ini di dalam sector transportasi yang memberikan keuntungan seperti pemakaian bahan bakar yang lebih sedikit, suara yang kecil, dan menurunkan emisi di udara. Dengan melihat kecenderungan perubahan peraturan yang semakin ketat di bidang lingkungan dan penekanan pada perbaikan aspek keekonomian bahan bakar, penggunaan AMCs pada sektor transportasi akan diutamakan dan tidak bisa terelakkan untuk tahun mendatang.

AMCs diharapkan dapat mengganti bahan-bahan monolitik seperti paduan aluminium, paduan besi, paduan titanium, dan polimer berbasis komposit dalam aplikasi tertentu. Sekarang, dengan penggantian bahan monolitik dengan AMCs dalam system rekayasa semakin bertambah luas. Seakan ada yang memaksa kepada keperluan untuk merancang ulang keseluruhan system untuk mendapatkan keuntungan dari penambahan berat dan volume.  

Beberapa jenis dari komposit AMCs berdasarkan bentuk reinforce, adalah sebagai berikut (komposit Al/Al₂O₃, termasuk dalam no. 1, 2, dan 3):[10]

1.      Particle-reinforced AMCs (PAMCs)

2.      Whisker-or short fibre-reinforced AMCs (SFAMCs)

3.      Continuous fibre-reinforced AMCs (CFAMCs)

4.      Mono filament-reinforced AMCs (MFAMCs)

Mengenai keterangan detail dari ke-4 jenis komposit di atas, dapat lebih jelas pada keterangan berikut ini: