FASA FIBER Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat dikelompokkan menjadi 3: Whisker Fiber Wire

WHISKER merupakan kristal tunggal yang sangat tipis dengan rasio panjang/diameter yang sangat besar. Akibat ukurannya yang kecil, maka tingkat kesempurnaan kristalnya tinggi, sehingga kekuatannya/strength sangat tinggi  merupakan salah satu material yang paling kuat. Meskipun demikian, whisker jarang dipakai karena harganya sangat mahal. Selain itu, menyatukan whisker dengan matriks juga sangat sulit. Contoh material whisker materials adalah grafit, silikon karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.

FIBER adalah material polikristalin atau amorfus yang memiliki diameter kecil. Material fiber bisa berupa polimer atau keramik, seperti aramid polimer, kaca, karbon, boron, aluminum oksida, dan silikon karbida. WIRES memiliki diameter yang relatif besar. Contoh: baja, molybdenum, dan tungsten. Wire digunakan sebagai radial steel reinforcement dalam ban mobil, filament-wound rocket casings, dan in wire- wound high-pressure hoses.

Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials

FASA MATRIKS Matriks yang digunakan dalam komposit fiber bisa berupa logam, polimer, atau keramik. Matriks yang sering digunakan adalah logam dan polimer digunakan karena sifat ductile-nya diperlukan. Kekuatan ikatan antara fiber dan matriks harus cukup besar untuk menghindari lepasnya fiber. Ultimate strength dari komposit sangat tergantung pada kekuatan ikatan ini.

Ultimate tensile strength (UTS), often shortened to tensile strength (TS) or ultimate strength, is the maximum stress that a material can withstand while being stretched or pulled before necking, which is when the specimen's cross- section starts to significantly contract. Tensile strength is the opposite of compressive strength and the values can be quite different.

FUNGSI MATRIKS Mengikat semua fiber dan berfungsi sebagai media untuk meneruskan stress pada fiber; hanya sebagian kecil dari stress yang disangga oleh matriks. Oleh karena itu matriks harus ductile. Disamping itu modulus elastisitas dari fiber harus jauh lebih besar daripada matriks. Untuk melindungi masing-masing fiber dari kerusakan permukaan akibat abrasi atau reaksi dengan lingkungan. Memisahkan masing-masing fiber; karena sifatnya yang relatif lunak dan plastis, maka matriks dapat mencegah meluasnya brittle cracks dari satu fiber ke fiber lainnya. Meskipun sebagian dari fiber telah rusak, kerusakan komposit secara total belum terjadi sampai terjadinya kerusakan pada sejumlah besar fiber yang berada saling berdekatan.

MATRIKS POLIMER Resin poliester dan polimer vinyl ester merupakan resin yang paling banyak dipakai dan paling murah ; keduanya banyak dipakai dalam komposit yang diperkuat dengan fiberglas. Epoxy merupakan resin yang lebih mahal, digunakan dalam aplikasi komersial, pesawat ruang angkasa. Epoksi memiliki sifat mekanik dan lebih tahan terhadap uap air daripada poliester dan vinyl ester. Resin poliimida digunakan untuk aplikasi pada temperatur tinggi. Resin termoplastik temperatur tinggi seperti polyetherether- ketone (PEEK), poly(phenylene sulfide) (PPS), dan polyether- imide (PEI), merupakan resin yang potensial untuk aplikasi ruang angkasa.

POLYMER-MATRIX COMPOSITES (PMC) PMC terdiri dari resin polimer sebagai matriks dan fiber sebagai medium penguat. Material ini digunakan luas di berbagai aplikasi dalam jumlah yang sangat besar, karena sifat-sifatnya yang baik pada temperatur kamar, mudah dibuat, dan relatif murah. Ada berbagai macam PMC, tergantung pada tipe penguatnya (seperti kaca, karbon, dan aramid).

Fiberglass adalah komposit yang terdiri dari serat kaca, kontinyu atau tak kontinyu, dan matriks polimer. Komposit jenis ini merupakan komposit yang paling banyak diproduksi. Komposisi kaca yang biasa dibuat menjadi serat (biasa disebut sebagai E-glass) adalah SiO2 55%, CaO 16%, Al2O3 15%, B2O3 10%, MgO 4%. Diameters fiber biasanya berkisar antara 3 dan 20 m.

Kaca banyak digunakan sebagai material penguat dalam bentuk serat karena: Mudah dibentuk dari lelehan menjadi high-strength fibers. Banyak tersedia dan dapat dibuat secara ekonomis menjadi komposit plastik yang diperkuat dengan fiberglas dengan menggunakan berbagai teknik pembuatan. Karena fiber relatif kuat, maka jika ditanam dalam matriks plastik, akan dihasilkan komposit dengan specific strength yang sangat tinggi. Jika digabung dengan berbagai plastik, akan dihasilkan komposit yang inert, sehingga komposit dapat digunakan pada lingkungan yang korosif.

Karakteristik permukaan dari serat kaca sangat penting; sedikit saja cacat pada permukaan akan sangat menurunkan sifat-sifat tensile-nya. Catat permukaan dengan mudah dapat disebabkan oleh gesekan atau abrasi permukaan dengan material keras. Permukaan serat kaca yang telah terpapar udara, meskipun dalam waktu singkat, biasanya akan melemah, sehingga akan mempengaruhi ikatannya dengan matriks. Fiber baru biasanya dilapisi dengan suatu “size”, yaitu lapisan tipis dari suatu senyawa yang melindungi permukaan fiber dari kerusakan dan interaksi yang tidak diinginkan dengan lingkungan.

Aplikasi: Temperatur servis dari kebanyakan komposit fiberglas adalah < 200C; pada temperatur yang lebih tinggi, kebanyakan polimer mulai meleleh dan rusak. Temperatur servis dapat dinaikkan sampai 300C dengan menggunakan fiber dari silika yang sangat murni dan polimer temperatur tinggi seperti resin poliamida. Fiberglas diaplikasikan pada bodi mobil dan kapal, pipa plastik, kontainer, dan lantai. Industri transportasi semakin banyak memanfaatkan plastik yang diperkuat dengan fiberglas untuk mengurangi berat kendaraan.

Karbon merupakan material fiber dengan performance sangat baik dan paling banyak digunakan sebagai penguat dalam komposit polimer karena: Serat karbon fibers memiliki specific modulus dan specific strength yang paling tinggi di antara semua fiber penguat. Serat karbon tetap memiliki tensile modulus dan strength yang tinggi pada temperatur tinggi, meskipun pada temperatur tinggi ada masalah oksidasi. Pada temperatur kamar, serat karbon tidak dipengaruhi oleh uap air, berbagai solven, asam, dan basa.

Serat karbon memiliki karakteristik fisik dan mekanik yang sangat beragam, sehingga komposit yang dibuat dengan serat karbon dapat memiliki sifat beragam, sesuai yang diinginkan. Proses pembuatan fiber dan komposit telah berkembang dan relatif murah.

Berdasarkan besarnya tensile modulus, serat karbon dapat dikelompokkan menjadi 4 jenis: Serat karbon dengan modulus standar. Serat karbon dengan modulus menengah. Serat karbon dengan modulus tinggi. Serat karbon dengan modulus sangat tinggi. Serat karbon memiliki diameter antara 4 dan 10 m, baik kontinyu maupun tidak. Serat karbon biasanya dilapisi dengan pelindung epoxy “size” yang juga berfungsi memperbaiki gaya tarik dengan matriks polimer.

Aplikasi Komposit polimer yang diperkuat dengan serat karbon banyak digunakan untuk: Alat olah raga dan rekreasi (batang pancing, golf clubs), filament-wound rocket motor cases, Tangki bertekanan, Komponen pesawat terbang, baik militer maupun komersial, seperti sayap dan helikopter.

Aramid memiliki nama kimia poly(paraphenylene terephthalamide) Aramid memiliki nama kimia poly(paraphenylene terephthalamide). Di pasar, aramid dikenal dengan merk Kevlar™ dan Nomex™.

KEUNGGULAN Memiliki strength dan modulus yang tinggi. Memiliki rasio strength/berat yang sangat tinggi, lebih baik daripada logam. Memiliki longitudinal tensile strengths and tensile moduli yang lebih tinggi daripada material fiber polimer lainnya, tetapi material ini tidak kuat menerima tekanan/ compression. Kuat, tahan benturan, tahan terhadap creep and fatigue failure. Resistan terhadap pembakaran dan stabil pada temperatur tinggi (– 200 sampai 200C). Inert terhadap solven dan bahan kimia.

KEKURANGAN PENGGUNAAN Terdegradasi oleh asam dan basa kuat. Serat aramid banyak digunakan dalam komposit dengan matriks polimer, seperti opoxy dan poliester. Komposit aramid digunakan sebagai tameng atau rompi anti peluru, alat-alat olahraga, ban, tali, casing rudal, tangki bertekanan, dan pengganti asbes pada rem mobil, dan gaskets.

Tabel 4. Sifat komposit matriks epoksi yang diperkuat dengan serat kaca kontinyu dan teratur, serat karbon, dan serat aramid dalam arah longitudinal dan transverse. Fraksi volume serat = 0,6

METAL-MATRIX COMPOSITES (MMC) TUJUAN REINFORCEMENT: Untuk meningkatkan specific stiffness, specific strength, abrasion resistance, creep resistance, thermal conductivity, dan dimensional stability. KEUNGGULAN: Keunggulan MMC dibandingkan dengan PMC: temperatur operasi lebih tinggi, tidak mudah terbakar, jauh lebih tahan terhadap cairan organik. MMC jauh lebih mahal daripada PMC, sehingga pengguna- annya terbatas.

KOMPOSISI: Matriks: aluminum, magnesium, titanium, dan copper. Fiber: Kontinyu : karbon, silikon karbida, boron, aluminum oksida, dan the refractory metals, yaitu logam yang sangat tahan terhadap panas dan aus: Nb (neobium), Mo (molybdenum), Ta (tantalum), W (tungsten), dan Re (rhenium). Diskontinyu: whisker silikon karbida, potongan serat aluminium oksida dan karbon, dan partikel silikon karbida.

APLIKASI: Komponen mesin mobil: Driveshaft (dengan rpm tinggi dan tidak bising), extruded stabilizer bars, komponen suspensi dan transmisi. Bahan yang digunakan adalah matriks aluminum-alloy yang diperkuat dengan serat aluminium oksida dan serat karbon; MMC ini ringan dan tahan aus dan thermal distortion. Industri ruang angkasa: advanced aluminum alloy metal- matrix composites; serat boron digunakan untuk penguat dalam Space Shuttle Orbiter, dan serat grafit kontinyu untuk teleskop Hubble.

Komponen suspensi

Komponen transmisi

Sifat beberapa MMC yang diperkuat dengan serat kontinyu dan teratur

CERAMIC-MATRIX COMPOSITES (CMC) Material keramik tahan terhadap oksidasi dan kerusakan pada temperatur tinggi, akan tetapi fracture toughness-nya rendah, yaitu antara 1 dan 5 Mpa.m½. Fracture toughnesses dari keramik dapat diperbaiki dengan dikembangkannya CMC yang diperkuat dengan partikulat, serat, atau whisker, sehingga fracture-toughnessnya menjadi 6 – 20 Mpa.m½. Contoh: Matriks Al2O3 atau ZrO2 yang diperkuat dengan partikel ZrO2. Keramik yang diperkuat dengan whiskers, yaitu SiC atau Si3N4.

Room Temperature Fracture Strengths and Fracture Toughnesses for Various SiC Whisker Contents in Al2O3