Keramik

Keramik Senyawa logam atau bukan logam yang mempunyai ikatan atom ionik dan kovalen Ikatan ionik dan kovalen menyebabkan keramik mempunyai titik lebur tinggi dan bersifat isolator Keramik terdiri dari Keramik tradisional, disusun oleh tanah liat, silika dan feldspar. Cth. bata, ubin, genteng dan porselen, tahan sampai dengan suhu 1200C Keramik halus, dibuat dengan menggunakan oksida- oksida logam atau logam, seperti: oksida logam (Al2O3, ZrO2, MgO,dll). tahan sampai dengan suhu 2000 C.

Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball clay, kwarsa, kaolin, dan air. Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia dan mineral bawaannya. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung pada lingkungan geologi dimana bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron-elektron bebas.

Struktur Kristal Sebagian besar keramik diikat secara ionik dan hanya sedikit diikat secara kavalen Ikatan ionik biasanya mempunyai diameter atom kation < atom anion, akibatnya atom kation selalu dikelilingi atom anion. Jumlah atom tetangga terdekat (mengelilingi) atom tertentu dikenal sbg bilangan koordinasi (Coordination number). - atom bermuatan positif(atom logam) : kation - atom bermuatan negatif (non logam) : anion

Kristal keramik akan stabil jika anion yang mengelilingi kation jika semuanya bersinggungan dengan kation. STABIL STABIL TAK STABIL Gambar 1. Stable and unstable anion-cation coordination configuration.

Bilangan koordinasi: Jumlah anion tetangga yang paling dekat dengan kation dan bisa dihubungkan dengan dengan perbandingan jari-jari kation dan anion. Bilangan koordinasi = (rc/ra) rc = jari-jari kation ra = jari-jari anion

Hub.bil.koordinasi dan perbandingan jari2 atom kation-anion Bilangan koordinasi Perbandingan jari-jari kation-anion 2 <0,155 3 0,115-0,225 4 0,225-0,414 6 0,414-0,732 8 0,723-1,0

Jari-jari kation dan anion Jari-jari ion (nm) Anion Al 3+ 0,053 Br - 0,196 Ba 2+ 0,136 Cl - 0,181 Ca 2+ 0,100 F - 0,133 Cs + 0,170 I - 0,220 Fe 2+ 0,077 O 2- 0,140 Fe 3+ 0,069 S 2- 0,184 K + 0,138 Mg 2+ 0,072 Mn 2+ 0,067 Na 2+ 0,102 Ni 2+ Si 4+ 0,040 Ti 2+ 0,061

Struktur Kristal Tipe AX Cth.; NaCl, CsCl, ZnS dan intan A= kation X=anion Struktur NaCl (Garam) Bentuk kubik berpusat muka (FCC) 1 atom kation Na+ dikelilingi 6 atom anion Cl- (BK 6) Posisi atom kation Na+: ½½½, 00½, 0½0, ½00 Posisi atom anion Cl-: 000, ½½0, ½0½, 0½½ Cth seperti kristal garam: MgO, MnS, LiF dan FeO. Perbadingan jari-jari atom kation dan anion = 0,102/0,181 = 0,56

Struktur kristal tipe AX Struktur CsCl Bentuk kubik sederhana (simple cubic) 1 atom kation Cs+ dikelilingi 8 atom anion Cl- (BK 8) Posisi atom kation Na+: ½½ Posisi atom anion Cl-:000 Perbandingan jari-jari aton kation dan anion = 0,170/0,181 = 0,94.

Struktur kristal tipe AX Struktur ZnS Bentuk Sphalerite 1 atom kation Zn+ dikelilingi 4 atom anion S- (BK 4) Posisi atom kation Zn+: ¾¾¾, ¼¼¾, ¼¾¼, ¾¼¼ Posisi atom anion S-: 000, ½½0, ½0½, 0½½ Cth seperti kristal ZnS: ZnTe, BeO dan SiO. Perbandingan jari-jari atom kation dan anion = 0,060/0,174 = 0,344

Struktur kristal AX Struktur intan Bentuk sama seperti ZnS, tetapi seluruh atomnya diisi atom C. Ikatan atomnya ikatan atom kovalen Struktur kristal intan

Struktur kristal AmXp Al2O3 (korundum) Bentuk heksagonal tumpukan padat Misal: tipe AX2 : CaF2, UO2, PuO2 Struktur kristal Al2O3

Struktur kristal AmBnXp BaTiO3 (barium titanat) Bentuk kristal perouskite Atom kation: Ba2+ dan Ti4+ Atom anion: O2- A,B = kation X = anion Struktur kristal perouskite

Sifat-sifat keramik a. Sifat Mekanik Sifat mekanik : keras, kuat dan stabil pada suhu tinggi tetapi getas dan mudah patah. Contoh ; SiC dan Si3N4 digunakan untuk turbin dan motor.

b. Sifat Termal Sifat termal bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Pada perubahan temperatur yang besar dan tiba-tiba dapat melemahkan keramik. Kontraksi dan ekspansi pada perubahan temperatur tersebutlah yang dapat membuat keramik pecah.

c.  Sifat elektrik Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) keramik  yang  disebut  sebagai piezoelektrik  dapat  menghasilkan  respons  listrikakibat  tekanan  mekanik  atau sebaliknya.

d. Sifat kimia Salah  satu  sifat  khas  dari  keramik  adalah  kestabilan  kimia.  Sifat  kimia  dari permukaan keramik dapat dimanfaatkan secara positif. Karbon aktif, silika gel, zeolit, dsb, mempunyai luas permukaan besar dan dipakai sebagai bahan pengabsorb. e. Sifat fisik

Bahan Baku Keramik Ada tiga bahan utama yang digunakan untuk membuat produk keramik klasik, yaitu lempung, feldspar, dan pasir. Lempung adalah aluminium silikat hidrat yang tidak terlalu murni yang terbentuk sebagai hasil pelapukan dari batuan beku yang mengandung feldspar. Reaksinya dilukiskan sebagai berikut : K2CO3 + Al2O3.2SiO2.2H2O + 4 SiO2  K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 + 2H2O

Ada tiga jenis feldspar yang umum, yaitu potas (K2O. Al2O3 Ada tiga jenis feldspar yang umum, yaitu potas (K2O. Al2O3.SiO2), soda (NaO. Al2O3.6SiO2), dan gamping (CaO. Al2O3.6SiO2), yang kesemuanya dipakai dalam produk keramik. Feldspar sendiri berfungsi sebagai pemberi sifat fluks dalam formulasi keramik.

Bahan keramik tradisional adalah tembikar, lempung, semen, refraktori dan berbagai hasil berkaitan dengan silikat. Bahan keramik modern terdiri daripada keramik oksida (Al2O3, ZrO2, TiO2, BaTiO2, dan sebagainya) dan keramik bukan oksida (Si3N4, TiN, SiC, B4C dan sebagainya).

Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi karena mempunyai karakter : Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah. Tahan korosi Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik Keras dan kuat, namun rapuh. 

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.

Beberapa keramik yang penting sebagai bahan teknik antara lain 1. Refractory (batu tahan api) 2. Glass(kaca) 3. Abrasive 4. Cement(semen)  Batu tahan api Dari sifat kimianya batu tahan api dibagi menjadi: batu tahan api asam (acid refractories) ,biasanya terbuat dari quartz dan mengandung banyak silika . memiliki titiklebur antara 1650-1730 0C, mulai melunak pada 1550 0C. Digunakan pada konventor bassemer dan dapur lain yang menggunakan acid lining.

batu tahan api basa (basic refractories) ,banyak mengandung magnesia (MgO) dibuat dari dolomit / magnesit. Batu tahan api dolomit dapat tahan sampai 1800-1950 0C, batu tahan api dolomit dapat tahan sampai 2000 0C batu tahan api netral (neutral refractories), banyak mengandung alumina (Al2O3) dan silika (SiO2)  terbuat dari kaolinit dapat tahan antara 1600  – 1670 0C

Glass (kaca) Kaca merupakan materi bening (tembus pandang) yang biasanya di hasilkan dari campuran silikon atau bahan silikon dioksida (SiO2), yang secara kimia sama dengan kuarsa (kwarts). Biasanya dibuat dari pasir. Suhu lelehnya adalah 2000 C. Memiliki sifat sifat transparan, non toxic inert (tidak bereaksi dengan berbagai bahan kimia ). Tidak mengakibatkan kontaminasi yang cukup keras. Kaca dibuat dari berbagai campuran oksida .

Abrasives         Abrasive adalah bahan yang digunakan untuk menghakuskan permukaan benda lain dengan cara menggosokan bahan abrasive kepermukaan yang akan dihaluskan sehingga terjadi pengikisan. Bahan  abrasive digunakan untuk membuat gerinda atau serbuk/pasta polishing. Bahan abrasive terbuat dari berbagai oksida dan karbida yang sangat keras seperti alumina, silica, silicon carbide, tungsten carbide dll.

Cement (semen) Semen adalah  semacam bahan perekat ,berupa serbuk yang bila dicampur dengan air menjadi pasta dan setelah didinginkan beberapa saat akan menjadi keras. Ada semen yang untuk menjadi keras memerlukan banyak air sperti misalnya Portland cement dan ada juga yang untuk menjadi keras tanpa dicampur air misalnya kapur bubuk (Ca(OH)2) dan gips (CaSO4).

Portland cement dibuat dengan batu kapur dan tanah liat, yang kemudian dihaluskan lalu dibakar. Pembakaran didalam kilang putar (rotary klin ) ini menyebabkan bahan-bahan tadi berdifusi dan menjadi clinker yang keluar dari kilang berbentuk bola-bola . Clinker ini dicampur dengan dengan sebuah gips lalu dihancurkan lagi menjadi serbuk-serbuk yang halus.

Bio-keramik Material ini didisain secara khusus seperti polycrystalline alumina atau hydroxyapatite atau partial stabilized zirconia,gelas keramik (bio-activeglass)

Keburukan dari keramik adalah cacat(flaws), seperti retak(cracks), ruang hampa (voids), terperangkapnya kotoran/udara (inclusion). Dimana cacat ini akan mudah menyebar. Bila cacatnya berukuran 10 sampai dengan 50 mikron meter maka akan mengurangi kekuatannya sekitar 5% dari kekuatan teoritisnya