Komposit Al/Al2O3

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%

Alumina

Mechanical

94 %

96 %

99.5 %

Density (gm/cc)

3.69

3.72

3.89

Porosity (%)

0

0

0

Color

white

white

ivory

Flexural Strength (MPa)

330

345

379

Elastic Modulus (GPa)

300

300

375

Shear Modulus (GPa)

124

124

152

Bulk Modulus (GPa)

165

172

228

Poisson’s Ratio

0.21

0.21

0.22

Compressive Strength (MPa)

2100

2100

2600

Hardness (Kg/mm2)

1175

1100

1440

Fracture Toughness  KIC (MPa•m1/2)

3.5

3.5

4

Maximum Use Temperature
(no load) (°C)

1700

1700

1750

Thermal

     

Thermal Conductivity (W/m•°K)

18

25

35

Coefficient of Thermal Expansion (10–6/°C)

8.1

8.2

8.4

Specific Heat (J/Kg•°K)

880

880

880

Electrical

     

Dielectric Strength (ac-kv/mm)

16.7

14.6

16.9

Dielectric Constant (@ 1 MHz)

9.1

9.0

9.8

Dissipation Factor (@ 1 kHz)

0.0007

0.0011

0.0002

Loss Tangent (@ 1 kHz)

Volume Resistivity (ohm•cm)

>1014

>1014

>1014

 

 

 

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:


[1] Gibson, F. Ronald. Principles of Composite Material Mechanics, Singapura: McGraw-Hill, 1994.

[3] ____. Aluminum Oxide (Al2O3) Properties, hlm. 1,  http://www.accuratus.com/alumox.html  (23 Maret 2009)

[4] ____. Aluminum Oxide (Al2O3) Properties, hlm. 1  http://www.accuratus.com/alumox.html  (23 Maret 2009)

[5] Ibid. hlm. 2

[6] Ibid. hlm. 2

[7]  ____. Aluminum Oxide (Al2O3) Properties, hlm. 2-4  http://www.accuratus.com/alumox.html  (23 Maret 2009)

[8] Surappa, MK. Aluminium Matrix Composites: Challenges and Opportunities, Bangalore (india): Sadhana vol. 28 part 1 & 2, 2003, hlm. 320

[9] Ibid. hlm. 320

[10] Surappa, MK, loc.cit., hlm. 321

6 Komentar

  1. luthfi said,

    16 Oktober 2009 pada 7:23 am

    Assl
    pak pertama mohon maaf lahir batin ya?
    saya mau nanya tentang penjurusan material boleha ga pak, mudahan boleh lah
    karena Pak Fit kan ngajar komposit , bener ga sih pak?
    saya tertarik di bagian material, kan sekarang teknik metalurgi untirta di semester 7 dikonsentrasiin lagi ya pa
    -proses
    -manufactur
    -material
    kalo ngambil mata kuliah pilihan materiual nanti TA nya kira-kira akan sulit ga ya pak? kan aga repot gitu kalo disangkutin sama rekayasa material mah
    habis itu yang ada di pandangan saya

    Jawab:
    Sebenarnya untuk ketiga penjurusan itu sama2 mudah dan tidak sulit. Artinya, mudah bagi yang memang memiliki minat besar ke sana. akan tetapi tidak sulit juga bagi yang kurang minatnya, asalkan ia tekun. Ketika penjurusan di atas semuanya memiliki dasar metalurgi yang kuat, hanya saja berbeda dalam kedalaman pemahaman terhadap beberapa topik. Misalnya untuk Material, ia berfokus pada pembuatan material baru yang akan berguna untuk beberapa aplikasi kekinian. Nah, seorang metalurgis yang mengambil material ini harus memahami mendalam ttg konsep metalurgi fisik, ilmu bahan & karakteristiknya, jenis manufaktur dalam membuat material itu, dll. Pertanyaannya sekarang, apakah ke-3 topik pendalaman terhadap material itu tidak dipelajari di Manufaktur atau proses???Jawabannya: Tidak. Ketiganya dipelajari oleh oran gmanufaktur dan proses, hanya saja mungkin kurang mendalam.

    Semoga ente bis amemilih jurusan yang terbaik buat ente dan masa depan ente…!

    Salam.
    Fitrulah

  2. didit nova said,

    10 November 2009 pada 2:47 am

    ass..
    pa saya didit metalurgi 03.pa saya mau menayakan tentang aplikasi(sepesifik) dari komposit aluminium 6061 dengan pengguat Al2O3?untuk ketahan korosi pada matrial ini seperti apa?pengujian korosi yang tepat untuk matrial ini ap?makasih pa sebelumnya..

    Jawab:
    Mohon maaf ya Didit, saya baru balas komentar ente…(beberapa bulan ini saya sama sekali ga buka blog ini)…
    Untuk aplikasi komposit Alumunium yang berpenguat “keramik” Kalau ga salah…biasanya pada komponen mesin sebagai pengganti material besi cor yang selama ini digunakan (coba cek lagi deh…). Penguat keramik, (dlaam hal ini Al2O3. baca: Alumina) merupakan bahan untuk meningkatkan performa temperatur dan keausan dari komponen. Nah, untuk pengujian laju korosinya, anda bisa menggunakan potensiostat atau lainya…kalau ga salah LIPI-Metalurgi punya alatnya. COba ente ke sana dan tanya2 ya…! Thanks atas koment dan pertanyaaannya.

    Salam,
    Fitrullah

  3. 13 Februari 2010 pada 7:59 am

    artikel yang menarik, terima kasih atas info dan ilmunya

    Himpunan Mahasiswa Teknik Material FTI – ITS

    http://silver-parade.blogspot.com/
    http://jurnalistikhmmt.blogspot.com/2010/01/g-30-s-pkm.html

    Jawab:
    Sama2 Pak….terima kasih juga atas koment-nya…semoga artikel (masih level rendahan…), beguna walau pun sedikit…

    Salam,
    Fitrullah

  4. Hamzah said,

    22 Maret 2010 pada 5:59 pm

    assalamualaikum wr wb..

    pa kabar Pak?
    semoga baik2 saja seiring ditemukannya halaman ini…(dlm keadaan baik)
    kebetulan bgd lg ada tugas dr Prof Anne….
    sungguh suatu keberuntungan disaat2 deadline…dr kmarin ktemunya english mlulu…finally ketemu yg dibuat oleh org Indonesia..almamater,senior n lecture pula….ehehehhe
    ok,pak page ini dijadikan salahsatu reference yah
    shukron

    Jawab:
    Alhamdulillah baik, semoga bermanfaat ya!…
    Maaf, mungkin tidak sempurna yang saya kumpulkan ke Prof. Anne

  5. saiful said,

    14 Juli 2010 pada 4:14 pm

    ass
    maaf pak skrng saya mau meneliti tentang komposit al/al2o3 dng mg dan alumunium ingot yang aplikasinya pd dunia otomotif
    kalau ingin mendapat jurnalnya di mana pak ya

  6. restu nidia sandra said,

    10 November 2010 pada 5:23 am

    aslm pa, mau tnya… klao cara menghitung konduktivitas termal dr logam campuran zinc 43,5%,alumunium 55% dan silikon 1% gmana ya pa? terimakasih sebelumnya.


Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: