teknik material mutakhir.pdf
TRANSCRIPT
LOGO
TEKNIK MATERIAL MUTAKHIR
Teori Atom, Ikatan, Struktur, Sifat Makro dan Mikro1
Rekayasa Material: Surface Heating, StructurModificataion, Solid Solution Strengthtening2
Advance Material: SMA Shape Memory Alloy), Material Suhu Tinggi, Nano Composite, SMART
Material, dll
3
Aplikasi Advance Material: Pesawat, Silinder, Valve, Hip Replacement, Chemical
Protective Clothing, dll4
Pendahuluan
Komputasi Proses Teknik Kimia Mempelajari:
Sistem Penilaian
UJIAN:
UTS : 30 %
UAS : 40 %
TUGAS : 20 %
KEHADIRAN : 10 %
TOTAL : 100 %
1
Jacek J S, Advanced Materials and Structures for Extreme
Operating Conditions, Springer 20082
Daftar Pustaka
William JD Callister Jr, “Materials Science and Engineering An Introduction”, John Wiley & Sons, Inc, 2007
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 1
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
6
Pengertian1
Aplikasi Industri2
Pendahuluan
Jenis Material
Logam
Kuat, ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik
Keramik
Keras, getas dan penghantar panas dan listrik yang buruk
Polimer
kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk
Komposit
merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap
Logam
Keramik
Polimer
Komposit
KONSEP DASAR MATERIAL MAJU
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 2
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
37
Teori Atom, Ikatan, Struktur Kristal
Sifat Makro dan Sifat Mikro
Model atom Bohr
IKATAN ANTAR ATOM
Model Atom Bohr
KONFIGURASI ELEKTRON
Elektronegatip dari Unsur
PEMBAGIAN MATERIAL
Bilangan Koordinasi utk Ikatan Atom
ENERGI IKATAN ANTAR ATOM
FN = FA + FR jika seimbang
FA = FR
IKATAN IONIK (ikatan Primer)
PERBANDINGAN ENERGI IKATAN ANTAR ATOM
IKATAN KOVALEN(ikatan Primer)
IKATAN LOGAM(ikatan Primer)
VANDER WALL/POLAR ( Ikatan Sekunder)
MOLEKUL
STRUKTUR KRISTAL
1.3. Struktur kristalin
Atom dan molekul merupakan “batu-bata” pembangun suatu
struktur bangunan makroskopik dari suatu materi.
Ada yang membuat susunannya teratur, ada juga yang
tidak.Jika strukturnya beraturan dan berulang, maka disebut
struktur kristalin. Unit terkecil dari perulangan ini disebut sel.
Salah satu bentuk konfigurasi atom-atom dalam sel adalah
BCC (bodycentered- cubic), dimana atom-atom menempati ke
8 sudut dan di tengah-tengah sel.
Jenis-jenis struktur kristal.
-BCC (bodycentered- cubic), FCC (face-centered cubic)
dan HCP (hexagonal close-packed),
Tabel 2.1 memperlihatkan bentuk struktur kristal untuk
beberapa logam, pada temperatur kamar. Ada kasus-
kasus dimana satu logam bisa berubah struktur kristalnya,
tergantung pada temperaturnya. Misalnya, struktur kristal
besi, pada suhu kamar berbentuk BCC, di atas 9120C
bentuknya berubah menjadi FCC, tapi di atas14000C
kembali menjadi BCC. Gejala ini disebut alotropik.
:
1.4. Struktur nonkristalin (amorf)
Bahan logam akan kehilangan struktur kristalinnya ketika
bahan ini menjadi cair. Walaupun begitu ada beberapa
bahan teknik yang mempunyai struktur nonkristalin dalam
fase padatnya. Sifat bahan seperti ini disebut amorf. Yang
mempunyai sifat ini antara lain adalah kaca, beberapa jenis
plastik, dan karet.
Gambar di bawah ini memperlihatkan ilustrasi perbedaan
antara struktur kristalin dan nonkristalin.
Ketika satu bahan logam murni memadat dari fase
cairnya, atom-atomnya akan mengatur dirinya sehingga
terjadi struktur yang teratur dan berulang, sehingga
volumenya menjadi lebih kecil, untuk satu jumlah masa
yang sama.
Unit Cell dan Kisi
STRUKTUL KRISTAL KERAMIK
Dari persamaan 2.10
MIKROSTRUKTUR = SIFAT MATERIAL
• Performance depends on material properties
• Macroscopic material properties are governed by the microstructure
• The microstructure is determined by crystal structure and processing history
• Crystal structure is determined by atomic bonding
• Classification of solids by atomic bonding and elemental constituentsMetals, ceramics, semiconductors, polymers, composites
Heat and Surface Treatment
PERLAKUAN PANAS
Perlakuan panas adalah operasi atau kombinasi dari operasiyang melibatkan pemanasan pada tingkat tertentu,perendaman pada suhu untuk jangka waktu danpendinginan di beberapa tingkat tertentu.
Tujuannya adalah untuk mendapatkan mikrostruktur yangdiinginkan untuk mencapai sifat-sifat yang telah ditentukan(fisik, mekanik, magnetik atau listrik).
PRINSIP DASAR
1. Diagram Kesetimbangan Fe-C.
2. Isothermal and continuous cooling transformationdiagrams (ICCT Diagram) untuk besi dan baja paduan.
3. Mikrostruktur dan sifat Mekanik
4. Pengukuran dan kontrol kekerasan.
73
Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia
suatu paduan, tetapi juga tergantung pada
strukturmikronya.
Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat
memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya
akan berbeda.
Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang
dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama
proses pengerjaan.
Secara umum perlakukan panas (Heat treatment)
diklasifikasikan dalam 2 jenis :
1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)
Tujuan :
a. Melunakkan struktur kristal
b. Menghaluskan butir
c. Menghilangkan tegangan dalam
d. Memperbaiki machineability.
misalnya : Full Annealing (annealing),Stress relief Annealing
Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.
2. Non Equilirium (Tidak setimbang)
Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan
kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi.
misalnya : Hardening, Martempering, Austempering
Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame
hardening, Induction hardening)
Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment)
yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam
proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling
ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai
temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu
tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan
yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi
dengan laju pendinginan yang cukup lambat.
Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis
atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya
waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll.
Annealing
1. Full annealing (annealing)
Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite
yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan
sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki
ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki
machinibility.
Pada proses annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan
logam sampai keatas temperature kritis
Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat
(biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat
penyekat panas yang baik).
2. Normalizing
Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite
halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih
keras dan kuat dari hasil anneal.
Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni
biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas
temperature kritis. Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan
pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan
pada annealing.
3. Spheroidizing
Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan
struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks
ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki
machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara
sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja
hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang
terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented.
Adanya jaringan cemented (cemented network) ini
meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility
rendah.
Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus
dihancurkan dengan proses spheroidizing.
Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan
sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit
dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam
waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan.
Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu
yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau
lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere)
yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks
ferrite.
4. Stress relief Annealing
Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan
tegangan sisa akibat proses sebelumnya.
Baja dengan pengerjaan dingin (cold working) akan
menimbulkan tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk
menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress
relief Annealing.
Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro.
Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, makaakan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbangsesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja.
Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadarkarbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan(Equilibrium Phase Diagram).
Contoh: Baja
Kandungan karbon dalam baja menentukan apakah bajabisa langsung dikeraskan.
Jika isi Karbon rendah (kurang dari 0,25% misalnya) makadapat dilakukan peningkatan kandungan karbon daripermukaan.
Bagian permukaan ini dapat diberi perlakuan panaskemudian didinginkan dalam cairan atau udara pendinginudara tergantung pada sifat yang diinginkan.
Metode ini hanya akan memungkinkan pengerasan dipermukaan, tapi tidak di inti, karena kandungan karbontinggi hanya di permukaan. Ini kadang-kadang sangatdiinginkan karena memungkinkan untuk memperolehpermukaan yang keras dengan memakai sifat yang baik(seperti pada gigi gear), tetapi memiliki inti tangguh yangakan tampil baik di bawah beban tumbukan (impak).
Gambar Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)
SURFACE TREATMENT
Pengerasan permukaan komponen logam seperti pisau turbin, roda gigi,
poros, rol dan camshaft biasanya dilakukan dengan beberapa cara:
1. Carburizing
2. Nitriding
3. Carbonitriding
4. Flame Hardening.
I. CARBURIZING
Karburasi adalah proses penambahan Karbon kepermukaan. Hal ini dilakukan dengan mengekspos bagianpermukaan logam ke atmosfer kaya karbon pada suhutinggi dan memungkinkan difusi untuk mentransfer atomkarbon menjadi baja.
Difusi ini akan bekerja hanya jika baja memiliki kandungankarbon rendah, karena difusi terjadi akibat perbedaankonsentrasi. Jika, baja memiliki kandungan karbon tinggimaka jika dipanaskan dalam tungku, karbon akancenderung berdifusi keluar dari baja sehingga terjadidekarburisasi.
Carbon Monoxide reaction: CO2 + C ---> 2 CO
Reaction of Cementite to Carbon Monoxide: 2 CO + 3 Fe --->Fe3C +
CO2
II. NITRIDING
Nitriding adalah proses difusi Nitrogen ke permukaan baja.
Nitrogen yang membentuk nitrida dengan elemen seperti
Aluminium, Chromium, Molybdenum, dan Vanadium.
Bagian-bagian yang dipanaskan dan ditempered sebelum
nitriding. Bagian-bagian tersebut kemudian dibersihkan dan
dipanaskan dalam tungku dalam suasana Amoniak
dipisahkan (mengandung N dan H) selama 10 sampai 40
jam di 500-625 º C (932-1157 º F).
Nitrogen berdifusi ke dalam paduan baja dan bentuk
nitrida, dan masuk ke kedalaman hingga sekitar 0,65 mm
(0,025 in).
Proses ini sangat sulit dan distorsinya rendah. Tidak ada
perlakuan panas lebih lanjut yang diperlukan, bahkan,
perlakuan panas lebih lanjut dapat mengatasi kesulitan ini.
Jika materialnya tipis, grinding permukaan tidak
dianjurkan.
Hal ini dapat menjadi kendala jika proses nitridasi pada
permukaan yang memerlukan hasil yang lebih halus
III. CARBONITRIDING
Proses carbonitriding yang paling cocok untuk karbon
rendah dan paduan baja karbon rendah.
Dalam proses ini, Karbon dan Nitrogen yang disebarkan ke
permukaan. Bagian-bagian yang dipanaskan dalam
suasana hidrokarbon (misalnya metana atau propana)
dicampur dengan Amonia (NH3). Proses ini merupakan
campuran karburasi dan Nitridasi.
Karburasi melibatkan suhu tinggi (sekitar 900 º C, 1652 º
F) dan Nitridasi melibatkan temperatur yang lebih rendah
(sekitar 600 º C, 1112 º F). Carbonitriding dilakukan pada
suhu 760-870 º C (1400-1598 º F), yang lebih tinggi dari
suhu transformasi baja yang merupakan Face center
Austenite.
Hal ini kemudian didinginkan dalam atmosfer gas alam
(bebas oksigen). Quench ini kurang drastis dibandingkan
air atau minyak sehingga distorsi kurang. Namun proses ini
tidak cocok untuk bagian presisi tinggi karena distorsi yang
melekat.
Kekerasan yang dicapai mirip dengan karburasi (60 - 65
RC), tetapi tidak setinggi Nitridasi (70 RC). Kedalaman
difusi 0,1-0,75 mm (0,004-0,030 in). Materialnya menjadi
kaya nitrida serta martensit. Tempering diperlukan untuk
mengurangi kerapuhan material.
Definisi:
Sebuah proses pengerasan permukaan
yang panas diterapkan oleh api suhu tinggi diikuti
dengan pendinginan air. Hal ini biasanya diterapkan
untuk media untuk komponen ukuran besar seperti
roda gigi besar, sprocket, cara slide peralatan mesin,
bantalan permukaan shaft dan as roda, dll
Flame hardening membutuhkan durasi waktu pendek, intensitas panas
tinggi, diterapkan pada area tertentu dari komponen kemudian diikuti
dengan pendinginan. Selain menghindari kebutuhan untuk lingkungan
suasana terkendali, kedua metode ini dapat dilakukan pada area
tertentu saja.
IV. Flame Hardening
Dilakukan dengan menggunakan semprotan langsung api
oxy-gas ke daerah permukaan yang ditetapkan. Hasil dari
proses pengerasan dikendalikan oleh empat faktor: desain
kepala api; durasi pemanasan; suhu sasaran yang akan
dicapai dan komposisi logam.
Baja yang paling cocok memiliki kandungan karbon
dalam kisaran 0,40-0,55%.
Keuntungan:
Distorsi minimum, karena hanya bagian kecil dari baja
dikeraskan pada suatu waktu
Ekonomis, dapat digunakan untuk pengerasan potongan
besar.
Dapat diotomatisasi
Keterbatasan:
Ada kemungkinan over heating
Tidak memungkinkan untuk menghasilkan pengerasan
pada daerah yang lebih kecil dari 1,5 mm.
Kombinasi antara pengerasan
api dan metode berputar.
pengerasan pasangan metode
progresif dan berputar. Bagian
yang perlakukan diputar di
depan api dan pada saat yang
sama api bergerak sepanjang
bagian. Metode ini sangat ideal
untuk pengerasan model poros
Heat and Surface Treatment
PERLAKUAN PANAS
Perlakuan panas adalah operasi atau kombinasi dari operasiyang melibatkan pemanasan pada tingkat tertentu,perendaman pada suhu untuk jangka waktu danpendinginan di beberapa tingkat tertentu.
Tujuannya adalah untuk mendapatkan mikrostruktur yangdiinginkan untuk mencapai sifat-sifat yang telah ditentukan(fisik, mekanik, magnetik atau listrik).
PRINSIP DASAR
1. Diagram Kesetimbangan Fe-C.
2. Isothermal and continuous cooling transformationdiagrams (ICCT Diagram) untuk besi dan baja paduan.
3. Mikrostruktur dan sifat Mekanik
4. Pengukuran dan kontrol kekerasan.
107
Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia
suatu paduan, tetapi juga tergantung pada
strukturmikronya.
Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat
memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya
akan berbeda.
Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang
dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama
proses pengerjaan.
Secara umum perlakukan panas (Heat treatment)
diklasifikasikan dalam 2 jenis :
1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)
Tujuan :
a. Melunakkan struktur kristal
b. Menghaluskan butir
c. Menghilangkan tegangan dalam
d. Memperbaiki machineability.
misalnya : Full Annealing (annealing),Stress relief Annealing
Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.
2. Non Equilirium (Tidak setimbang)
Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan
kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi.
misalnya : Hardening, Martempering, Austempering
Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame
hardening, Induction hardening)
Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment)
yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam
proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling
ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai
temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu
tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan
yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi
dengan laju pendinginan yang cukup lambat.
Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis
atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya
waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll.
Annealing
1. Full annealing (annealing)
Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite
yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan
sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki
ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki
machinibility.
Pada proses annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan
logam sampai keatas temperature kritis
Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat
(biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat
penyekat panas yang baik).
2. Normalizing
Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite
halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih
keras dan kuat dari hasil anneal.
Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni
biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas
temperature kritis. Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan
pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan
pada annealing.
3. Spheroidizing
Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan
struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks
ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki
machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara
sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja
hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang
terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented.
Adanya jaringan cemented (cemented network) ini
meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility
rendah.
Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus
dihancurkan dengan proses spheroidizing.
Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan
sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit
dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam
waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan.
Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu
yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau
lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere)
yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks
ferrite.
4. Stress relief Annealing
Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan
tegangan sisa akibat proses sebelumnya.
Baja dengan pengerjaan dingin (cold working) akan
menimbulkan tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk
menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress
relief Annealing.
Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro.
Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, makaakan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbangsesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja.
Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadarkarbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan(Equilibrium Phase Diagram).
Contoh: Baja
Kandungan karbon dalam baja menentukan apakah bajabisa langsung dikeraskan.
Jika isi Karbon rendah (kurang dari 0,25% misalnya) makadapat dilakukan peningkatan kandungan karbon daripermukaan.
Bagian permukaan ini dapat diberi perlakuan panaskemudian didinginkan dalam cairan atau udara pendinginudara tergantung pada sifat yang diinginkan.
Metode ini hanya akan memungkinkan pengerasan dipermukaan, tapi tidak di inti, karena kandungan karbontinggi hanya di permukaan. Ini kadang-kadang sangatdiinginkan karena memungkinkan untuk memperolehpermukaan yang keras dengan memakai sifat yang baik(seperti pada gigi gear), tetapi memiliki inti tangguh yangakan tampil baik di bawah beban tumbukan (impak).
Gambar Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)
SURFACE TREATMENT
Pengerasan permukaan komponen logam seperti pisau turbin, roda gigi,
poros, rol dan camshaft biasanya dilakukan dengan beberapa cara:
1. Carburizing
2. Nitriding
3. Carbonitriding
4. Flame Hardening.
I. CARBURIZING
Karburasi adalah proses penambahan Karbon kepermukaan. Hal ini dilakukan dengan mengekspos bagianpermukaan logam ke atmosfer kaya karbon pada suhutinggi dan memungkinkan difusi untuk mentransfer atomkarbon menjadi baja.
Difusi ini akan bekerja hanya jika baja memiliki kandungankarbon rendah, karena difusi terjadi akibat perbedaankonsentrasi. Jika, baja memiliki kandungan karbon tinggimaka jika dipanaskan dalam tungku, karbon akancenderung berdifusi keluar dari baja sehingga terjadidekarburisasi.
Carbon Monoxide reaction: CO2 + C ---> 2 CO
Reaction of Cementite to Carbon Monoxide: 2 CO + 3 Fe --->Fe3C +
CO2
II. NITRIDING
Nitriding adalah proses difusi Nitrogen ke permukaan baja.
Nitrogen yang membentuk nitrida dengan elemen seperti
Aluminium, Chromium, Molybdenum, dan Vanadium.
Bagian-bagian yang dipanaskan dan ditempered sebelum
nitriding. Bagian-bagian tersebut kemudian dibersihkan dan
dipanaskan dalam tungku dalam suasana Amoniak
dipisahkan (mengandung N dan H) selama 10 sampai 40
jam di 500-625 º C (932-1157 º F).
Nitrogen berdifusi ke dalam paduan baja dan bentuk
nitrida, dan masuk ke kedalaman hingga sekitar 0,65 mm
(0,025 in).
Proses ini sangat sulit dan distorsinya rendah. Tidak ada
perlakuan panas lebih lanjut yang diperlukan, bahkan,
perlakuan panas lebih lanjut dapat mengatasi kesulitan ini.
Jika materialnya tipis, grinding permukaan tidak
dianjurkan.
Hal ini dapat menjadi kendala jika proses nitridasi pada
permukaan yang memerlukan hasil yang lebih halus
III. CARBONITRIDING
Proses carbonitriding yang paling cocok untuk karbon
rendah dan paduan baja karbon rendah.
Dalam proses ini, Karbon dan Nitrogen yang disebarkan ke
permukaan. Bagian-bagian yang dipanaskan dalam
suasana hidrokarbon (misalnya metana atau propana)
dicampur dengan Amonia (NH3). Proses ini merupakan
campuran karburasi dan Nitridasi.
Karburasi melibatkan suhu tinggi (sekitar 900 º C, 1652 º
F) dan Nitridasi melibatkan temperatur yang lebih rendah
(sekitar 600 º C, 1112 º F). Carbonitriding dilakukan pada
suhu 760-870 º C (1400-1598 º F), yang lebih tinggi dari
suhu transformasi baja yang merupakan Face center
Austenite.
Hal ini kemudian didinginkan dalam atmosfer gas alam
(bebas oksigen). Quench ini kurang drastis dibandingkan
air atau minyak sehingga distorsi kurang. Namun proses ini
tidak cocok untuk bagian presisi tinggi karena distorsi yang
melekat.
Kekerasan yang dicapai mirip dengan karburasi (60 - 65
RC), tetapi tidak setinggi Nitridasi (70 RC). Kedalaman
difusi 0,1-0,75 mm (0,004-0,030 in). Materialnya menjadi
kaya nitrida serta martensit. Tempering diperlukan untuk
mengurangi kerapuhan material.
Definisi:
Sebuah proses pengerasan permukaan
yang panas diterapkan oleh api suhu tinggi diikuti
dengan pendinginan air. Hal ini biasanya diterapkan
untuk media untuk komponen ukuran besar seperti
roda gigi besar, sprocket, cara slide peralatan mesin,
bantalan permukaan shaft dan as roda, dll
Flame hardening membutuhkan durasi waktu pendek, intensitas panas
tinggi, diterapkan pada area tertentu dari komponen kemudian diikuti
dengan pendinginan. Selain menghindari kebutuhan untuk lingkungan
suasana terkendali, kedua metode ini dapat dilakukan pada area
tertentu saja.
IV. Flame Hardening
Dilakukan dengan menggunakan semprotan langsung api
oxy-gas ke daerah permukaan yang ditetapkan. Hasil dari
proses pengerasan dikendalikan oleh empat faktor: desain
kepala api; durasi pemanasan; suhu sasaran yang akan
dicapai dan komposisi logam.
Baja yang paling cocok memiliki kandungan karbon
dalam kisaran 0,40-0,55%.
Keuntungan:
Distorsi minimum, karena hanya bagian kecil dari baja
dikeraskan pada suatu waktu
Ekonomis, dapat digunakan untuk pengerasan potongan
besar.
Dapat diotomatisasi
Keterbatasan:
Ada kemungkinan over heating
Tidak memungkinkan untuk menghasilkan pengerasan
pada daerah yang lebih kecil dari 1,5 mm.
Kombinasi antara pengerasan
api dan metode berputar.
pengerasan pasangan metode
progresif dan berputar. Bagian
yang perlakukan diputar di
depan api dan pada saat yang
sama api bergerak sepanjang
bagian. Metode ini sangat ideal
untuk pengerasan model poros
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 5
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
139
Nano Material II
SINTESIS NANO MATERIAL:
1. Metode Gas
2. Metode Cair
Sintesis Nano Material
Secara Garis Besar ada dua metode:
1. Metode Pendekatan Bottom-Up
Yaitu bahan asal berukuran kecil, dibesarkan sehingga
berukuran nano
2. Metode Pendekatan Top Down
Yaitu bahan asal berukuran besar, dikecilkan sehingga
berukuran nano.
Nanoparticles dapat disintesis dalam berbagai cara, baik
dalam reaksi kimia dan proses fisik.
Kebanyakan metode umum yang digunakan untuk
komersial atau industri pembuatan nanopartikel dapat
dibagi menjadi empat kelompok utama :
1. proses fase gas: deposisi uap , pirolisis api , suhu tinggi,
penguapan dan sintesis plasma .
2. metode fase cair dimana reaksi kimia dalam pelarut
menyebabkan formasi koloid , aerosol .
3. teknik Sol - gel .
4. proses mekanis fase padat termasuk grinding, penggilingan
dan paduan .
Vapor – phase synthesis
Fase deposisi uap dapat digunakan untuk membuat film tipis,
multilayers, nanotube, nanofilaments atau partikel berukuran
nanometer. Teknik-teknik umum dapat diklasifikasikan luas baik
sebagai:
1. deposisi uap fisika (PVD)
PVD melibatkan konversi bahan padat ke fase gas dengan
proses fisika
2. deposisi uap kimia (CVD).
PVD melibatkan konversi bahan padat ke fase gas dengan
proses kimia
144
Secara umum, bahan prekursor dalam bentuk padat, cair atau gas
dimasukkan ke dalam reaktor yang dipanaskan dan dicampur dengan
gas pembawa. Proses nukleasi dimulai dengan pembentukan inti
yang sangat kecil dari fase molekul. Inti ini kemudian tumbuh dengan
mekanisme pertumbuhan permukaan (Kondensasi heterogen, reaksi
permukaan) dan dengan tabrakan dan koagulasi.
Tabrakan selanjutnya dapat mengakibatkan pembentukan gumpalan.
Pemanasan yang digunakan adalah: api pirolisis, reaktor, laser yang
diinduksi pirolisis, Laser penguapan, plasma panas, microwave
plasma, sputtering, ablasi laser.
1. Gas-Vapor deposition
Chemical Vapor Deposition (CVD) metode yang dikenal dalam
industri semikonduktor. Dalam proses CVD, uap terbentuk dalam
ruang reaksi pirolisis, terjadi reduksi, oksidasi dan nitridati dan
kemudian disimpan di permukaan. Area pertumbuhan dikendalikan
oleh proses pola seperti photolithography atau photomask (deposisi
pola yang tergores ke lapisan permukaan wafer).
Aplikasi yang paling penting dari metode CVD adalah sintesis dari
karbon nanotube mana CVD dianggap menawarkan salah satu rute
yang paling efektif untuk skala kecil hingga skala industri.
2. Plasma – based synthesis
Penyemprotan plasma bahan ke substrat untuk membentuk lapisan
pelindung secara luas digunakan dalam industri. Penggunaan plasma
(yaitu, gas terionisasi) selama deposisi uap memungkinkan terjadi
proses fisika kimia yang berbeda dan memperoleh bahan akhir dengan
kemurnian tinggi.
Dalam reaktor plasma suhu urutan 10.000 ° C dapat dicapai,
menyebabkan penguapan atau memulai reaksi kimia. Jenis utama dari
plasma yang digunakan adalah DC jet plasma, DC art plasma dan
Radio-Frequency (RF) plasma induksi.
Filamen dipanaskan sehingga menghasilkan ion gas. Ion-ion gas dalam
plasma kemudian dipercepat dan diarahkan ke substrat.
Schematic diagram of a vacuum arc deposition technique.
Principle of the vapor condensation process.
3. Molecular beam epitaxy
MBE memiliki kelebihan ultra-presisi tinggi, ultra evaporator bersih,
dikombinasikan dengan satu set in-situ seperti Auger elektron
spektroskopi (AES) dan / atau refleksi energi tinggi elektron difraksi
(RHEED), untuk karakterisasi lapisan diendapkan selama
pertumbuhan.
Reaktor terdiri dari ultrahigh-ruang vakum (biasanya 5 x 10-14
tekanan atm) dengan diameter sekitar 1,5 m .
Aspek yang paling penting dari MBE adalah dapat melakukan
deposisi lambat (1-300 nm per menit), yang memungkinkan film
untuk tumbuh epitaxial pada substrat yang dipanaskan dalam
kondisi Uhv.
Schematic diagram of a molecular beam epitaxy thin film deposition system
4. Inert gas condensation
Kondensasi gas, sebagai suatu teknik untuk memproduksi
nanopartikel, mengacu pada pembentukan nanopartikel dalam fase
gas, i. e., kondensasi atom dan molekul dalam fase uap.
Kondensasi gas inert (IGC) proses adalah salah satu yang paling
dikenal untuk memproduksi nanopowders.
Sumber logam dipanaskan dalam sebuah ruangan yang sebelumnya
telah dievakum pada 10-7 torr dan dialirkan gas inert bertekanan
rendah. Uap logam mendingin melalui tumbukan dengan atom gas
inert, menjadi jenuh dan kemudian terjadi nukleasi homogen; ukuran
partikel biasanya dalam kisaran 1-100 nm dan dapat dikendalikan
dengan memvariasikan tekanan gas inert. Pada akhirnya, partikel
dikumpulkan dan dipadatkan untuk menghasilkan nanomaterial padat.
Schematic diagram of an inert gas condensation apparatus
5. Flame pyrolysis
Flame pirolisis secara luas digunakan dalam produksi karbon hitam,
silika diasapi (SiO2), ultrafine TiO2 dan bahan lainnya. Dalam proses
ini api panas digunakan untuk memulai reaksi kimia. Kerugian dari
metode ini adalah bahwa hal itu biasanya menghasilkan partikel
diaglomerasi.
Schematic diagram of a flame pyrolysis
Liquid phase synthesis
Mempercepat nanopartikel dari larutan senyawa kimia dapat
diklasifikasikan menjadi lima kategori utama:
(1) metode koloid
(2) sol - gel pengolahan
(3) Metode mikroemulsi air – minyak
(4) sintesis hidrotermal
(5) metode polyol.
1. Colloidal methods
Metode koloid menggunakan prinsip pengendapan kimia basah
di mana larutan dari ion yang berbeda dicampur di bawah suhu dan
tekanan terkontrol untuk membentuk endapan tidak larut.
Proses koloid banyak digunakan untuk menghasilkan nanomaterial
seperti seperti logam, oksida logam, organik, dan obat-obatan.
metode koloid biasanya digabung dengan metode sonochemistry, di
mana gelombang ultra sonik digunakan untuk mengontrol proses.
Gelombang ultra sonik akan menghasilkan gelembung kecil, yang
bertindak seperti pusat nukleasi.
Nanopartikel yang dihasilkan kemudian dikumpulkan dengan
menyaring atau pengeringan semprot untuk menghasilkan bubuk
kering.
2. Solution precipitation
Contoh: Garam logam anorganik, seperti klorida, nitrida dan
sebagainya, dilarutkan dalam air. Kation logam yang ada dalam bentuk
spesies hidrat logam, misalnya, Al (H2O) 3+
atau Fe (H2O6) 3+. Hidrat ini ditambahkan dengan solusi dasar, seperti
NaOH atau Na4OH.
Spesies terhidrolisis mengembun dan kemudian dicuci, disaring,
dikeringkan dan dikalsinasi untuk mendapatkan produk akhir.
Metode yang dijelaskan relatif sederhana dan banyak digunakan untuk
produksi tunggal dan multi-- komponen nanopowders oksida
menggunakan reaksi dioptimalkan dan kondisi reaksi.
Kelemahan metode koloid adalah partikel dapat meningkatkan ukuran
mereka sebagai fungsi waktu.
3. Electrodeposition
Prinsip elektrodeposisi adalah memicu reaksi kimia dalam larutan
elektrolit dengan bantuan tegangan yang diberikan, misalnya proses
menggunakan
arus listrik untuk melapisi obyek elektrik konduktif dengan lapisan yang
relatif metal tipis. Metode ini sesuai dengan pengendapan bahan
berstrukturnano termasuk logam oksida dan chalcogenides.
Proses elektrodeposisi dapat berupa anodik atau katodik. Dalam sebuah
proses anodik, anoda logam teroksidasi dengan adanya ion lain di
dalam larutan, yang kemudian bereaksi bersama-sama dan menempel
pada anoda. Sementara itu pada proses katodik, komponen disimpan ke
katoda dari larutan prekursor.
Elektrodeposisi relatif murah dan dapat dilakukan pada suhu rendah
yang akan meminimalkan bahan terdifusi. Ketebalan film dapat dikontrol
sedangkan laju deposisi dapat diikuti oleh variasi arus bersama waktu.
Film-film akhir dapat berkisar ketebalan dari beberapa nanometer
hingga puluhan mikron dan dapat dilakukan pada daerah spesimen
besar dan bentuk yang kompleks.
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 6
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
160
Nano Material III
SINTESIS NANO MATERIAL:
1. Metode Sol-Gel
2. Metode Padat
3. Metode Lainnya
Teknologi Sol-gel adalah teknologi kimia koloid yang telah mapan,
yang menawarkan kemungkinan untuk memproduksi berbagai
bahan dengan sifat yang telah ditetapkan secara sederhana.
Proses dan biaya proses yang relatif rendah. Sol adalah nama dari
solusi koloid dibuat partikel padat beberapa ratus nm diameter,
dalam fasa cair. Gel dapat dianggap sebagai makromolekul padat
direndam dalam pelarut. Jadi, secara umum,Proses sol-gel terdiri
dalam transformasi kimia cairan (sol) menjadi gel.
Teknik Sol-gel adalah salah satu solusi pengolahan yang paling
populer untuk nanopartikel.
Sol-gel technique
163
1. Sol-gel process
Sol-gel technology and its final products.
Proses melibatkan pembentukan gel yang diikuti dengan
pengeringan untuk menghilangkan pelarut. Gel dapat dicetak dan
dibentuk untuk membentuk pra-bentuk mikro dan dikeringkan untuk
menghasilkan bahan massal monolitik (misalnya, xerogel atau
aerogel) yang dapat digunakan untuk membentuk filter dan
membran. Mereka juga dapat dilapisi secara berputar atau
dicelupkan untuk menghasilkan film tipis (biasanya 50-
500 nm pada substrat. Film-film ini digunakan untuk perangkat
elektronik, untuk perlindungan oksidasi, serta untuk sifat optik
mereka (misalnya, antireflection).
Kelebihan utama dari metode sol-gel adalah produk dengan
kemurnian tinggi dan struktur nano yang seragam dapat dicapai
pada suhu relatif rendah.
2. Sol-gel coating processes
Example of formation of sodium borosilicate coating on glass by dip coating
Dalam proses sol-gel coating substrat terbenam ke sol dan kemudian
ditarik dengan kecepatan tertentu serta suhu dan kondisi atmosfer
tertentu. Ketebalan film yang terbentuk ditentukan oleh kecepatan
penarikan, substrat dan viskositas cairan. Tahap berikutnya adalah
(densifikasi) lapisan gelas dengan penguapan pelarut
dan akhirnya proses anil untuk mendapatkan lapisan oksida.
Metode yang digunakan antara lain: deep coating, angle coating, flow
coating, spin coating, spray coating dll.
Schematic of angle dependent dip coating
Stages of the spin coating process
Scheme of the flow-coating process
Schematics of the capillary coating process
Solid – state phase synthesis
Salah satu proses nanofabrication penting industri utama adalah ball
milling energi tinggi.
Berbeda dengan tiga kelompok sebelumnya, di mana partikel-partikel
yang diproduksi merupakan proses bottom up, metode solid state
berdasarkan mekanisme up to bottom (pengurangan ukuran) dengan
proses seperti gesekan dan disintegrasi partikel yang lebih besar
sampai ukuran partikel menjadinanometer.
Proses produksi sering melibatkan penggilingan basah penggilingan
ruang dengan berputar atau pelat berlubang. Hasil penggilingan basah
di suspensi dengan penyesuaian pH untuk mencegah rekombinasi
partikel.
1. Mechanical Milling, Gesekan and Paduan
Pada 1970-an, metode Mechanical attriction (MA) partikel serbuk
diikuti oleh sintering suhu tinggi dikembangkan sebagai proses
industri untuk menghasilkan paduan baru dan campuran fase. Proses
metalurgi serbuk ini memungkinkan penyusunan paduan dan
komposit yang tidak dapat disintesis melalui rute pengecoran
konvensional.
Pada 1980-an, metode penggilingan energi tinggi digunakan untuk
menghasilkan bahan nano.
Ball mill banyak dikembangkan, di antaranya :tumbler-, attrition-,
shaker-, getaran dll.
Butiran kasar bahan dalam bentuk bubuk dihancurkan secara
mekanis dlm drum oleh bola baja atau tungsten karbida yang diputar,
biasanyadalam kondisi atmosfer untuk mencegah reaksi yang tidak
diinginkan seperti oksidasi. Deformasi berulang ini dapat
menyebabkan pengurangan besar dalam ukuran butir sehingga
sampai diperoleh ukuran nano
Schematic representation of the process of mechanical attrition
Metode Lain
1.
The release of thin semiconductor
layers from a substrate surface
results in the formation of a novel
class of free-standing nano- and
microobjects. The right hand side
shows a thin strained bilayer that
rolls up into a tube as soon as the
sacrificial buffer layer is selectively
etched away. The technique allows
accurately positioning of the
novel semiconductor nanostructures
and therefore constitutes a powerful
method to combine top-down and
bottom-up approach in
nanotechnology.
2.
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 8
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
175
Nano Porous
Bahan berpori nanoporous dapat dibagi menjadi 3 kategori:
1. bahan dengan diameter pori kurang dari 2 nm
2. bahan mesopori dengan poridiameter yang terletak di antara 2
dan 50 nm
3. bahan berpori dengan diameter pori lebih besar dari 50 nm
Pori-pori itu sendiri diklasifikasikan menjadi dua jenis:
1. membuka pori-pori yang terhubung ke permukaan
bahan
2. pori-pori tertutup yang terisolasi dari luar.
BAHAN NANO PORUS
Dalam pemisahan, katalisis, filtrasi atau membran, sering
diperlukan bahan dengan pori-pori terbuka. Bahan dengan pori-
pori tertutup berguna dalam sonic dan isolasi termal, atau aplikasi
struktur ringan.
Pori-pori memiliki berbagai bentuk dan morfologi seperti silinder,
bola, celah jenis dan juga bentuk yang lebih kompleks bentuk
heksagonal tersebut.
Pori-pori bisa lurus atau melengkung atau dengan banyak
belokan dan tikungan. Umumnya bahan berpori
memiliki porositas (rasio volume ruang pori total volume
material) antara 0,2-0,95.
Bahan nanoporous didistribusikan secara luas di alam, baik dalam
mineral alami dan dalam sistem biologi, dan telah digunakan industri
untuk waktu yang lama. Tetapi dengan perkembangan teknologi nano
kebutuhan bahan sintesis dengan ukuran pori dikontrol secara tepat
dan geometri telah muncul.
Sifat yang paling penting dari bahan nanoporous, membedakan mereka
dari bahan lain dan menentukan sebagian besar aplikasi mereka,
adalah area permukaan internal yang besar dan sangat teratur, struktur
pori seragam.
Sintesis bahan nanoporous biasanya berdasarkan metode bottom-up
proses, termasuk metode template lunak dan keras.
Salah satu metode yang paling umum adalah template kristal cair. Penggunaan
misel surfaktan sebagai struktur mengarahkan agen dalam proses sol-gel.
Amphiphillic surfaktan diri merakit menjadi misel silinder, yang dikemas oleh
bahan anorganik, yang menyeimbangkan muatan pada permukaan micellular.
Kalsinasi, sebuah teknik pengolahan termal di mana surfaktan terbakar,
kemudian digunakan untuk menghapus surfaktan organik, meninggalkan
pengaturan heksagonal mesopori.
Metode sol-gel juga digunakan untuk membuat aerogels, di mana gas yang
tersebar di gel, menghasilkan sangat ringan padat (kadang-kadang hanya
beberapa kali lebih padat daripada udara.
Conventional polymeric foams (W. Paul, H. Weiss, Nanoporous
foams, BASF, The Chemical Company, 2004).
Zeolit adalah yang paling umum dan kelompok terbesar dari bahan
mikro. Lebih dari 150 jenis zeolit telah disintesis dan 48 zeolit alami
yang
dikenal. Mereka pada dasarnya terhidrasi mineral alumino-silikat
dengan rumus kimia umum :
Zeolit dan bahan zeolit-seperti Zeolit
Zeolit memiliki struktur rangka terbuka tiga dimensi dibangun dari
tetrahedra(susunan SiO4 dan AlO4 tetrahedra terhubung melalui atom
oksigen mereka), mengandung pori-pori dan rongga. Struktur dan
porositas teratur dan berkala.
Karena geometri, zeolit dikenal sebagai "Saringan molekul". Istilah ini
mengacu pada kemampuan bahan-bahan tersebut untuk selektif
semacam molekul terutama didasarkan pada proses eksklusi ukuran.
Dalam rongga dan pori-pori biasanya ada juga molekul air (air zeolitik).
Satu ukuran porositas adalah jumlah air yang terserap. Molekul air
dapat (di banyak kasus) dihilangkan dengan pemanasan dan
readsorbed pada suhu yang lebih rendah.
Zeolit banyak digunakan dalam pemurnian air rumah tangga dan
komersial, dan aplikasi lainnya. Dalam kimia, zeolit sering digunakan
untuk memisahkan molekul. Zeolit memiliki potensi memberikan
pemisahan yang tepat dan spesifik gas termasuk penghapusan H2O,
CO2 dan SO2 dari aliran gas alam kelas rendah.
Zeolit sintetis yang banyak digunakan sebagai katalis dalam industri
petrokimia. Zeolit membatasi molekul dalam ruang kecil, yang
menyebabkan perubahan struktur dan reaktivitas mereka. Bentuk-
bentuk hidrogen zeolit adalah asam solid-state yang kuat, dan dapat
memfasilitasi reaksi asam-katalis, seperti isomerisasi, alkilasi, dan
retak. Aplikasi terbesar untuk zeolit sintetis adalah pasar deterjen
global (1,44 juta ton per tahun dari anhidrat zeolit pada tahun 1992).
Panas tinggi adsorpsi dan kemampuan untuk hidrat dan dehidrasi
sambil mempertahankan struktur stabilitas memungkinkan untuk
menggunakan zeolit sebagai kolektor panas matahari dan untuk
adsorpsi pendinginan. Sifat higroskopis mereka digabungkan dengan
melekat pada Reaksi eksotermis ketika transisi dari dehidrasi ke
bentuk terhidrasi (panas adsorpsi), membuat zeolit alami yang efektif
dalam penyimpanan panas matahari dan limbah energi. Zeolit sintetis
juga digunakan sebagai aditif dalam proses produksi beton aspal
hangat. Ini membantu mengurangi tingkat suhu selama pembuatan
beton aspal, sehingga konsumsi lebih rendah dari bahan bakar fosil,
sehinggamelepaskan karbon dioksida lebih sedikit, aerosol dan uap.
bidang pertanian, Klinoptilolit (zeolit alami ) digunakan sebagai
pemulihan tanah. Ini menyediakan sumber kalium. Jika sebelumnya
sarat dengan amonium, zeolit dapat juga melepaskan nitrogen.
Sistem generasi oksigen berbasis zeolit yang banyak digunakan
untuk menghasilkan oksigen kelas medis. Zeolit digunakan sebagai
saringan molekul, yang dapat mengekstrak oksigen dari udara,
dalam proses yang melibatkan menyerap dari atmosfer
nitrogen.
Kelompok yang dikenal terbesar kedua bahan mikro adalah keluarga
aluminophosphate. Kerangka aluminophosphate AlPO4 terbentuk
dari berbagi titik-AlO4 dan PO4 tetrahedra. Bahan mikro umum
lainnya termasuk silicoaluminophosphates, gallophosphates, atau
baru ditemukan hibrida anorganik-organik.
Structure of zeolites MCM-41 (Mobile Crystalline Material) (C. T.
Kresge,M. E. Leonowicz, W. J. Roth, et al. Nature 1992, 359, 710–
712), and MCM-48 (Ji M.Kim, S.K. Kim, R.Ryoo, Synthesis of
MCM-48 single crystals, Chem. Commun., 1998).
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 9
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
189
Shape Memory Alloy I
Shape memory alloy merupakan jenis dari smart material,
yang berarti material tersebut peka dan mampu "beradaptasi"
dengan berbagai kondisi, dalam hal ini kondisi termal (kalor).
Shape memory alloy mampu berubah bentuk sesuai kondisi
termal (kalor) yang diterimanya.
Shape Memory Alloy (SMA)
Penemuan shape memory effect diambil pada 1930-an. Menurut
Otsuka dan Wayman, A. Olander menemukan perilaku
pseudoelastic dari paduan Au-Cd pada tahun 1932. Greninger
dan Mooradian (1938) mengamati pembentukan dan hilangnya
fase martensitik dengan menurunkan dan meningkatkan suhu
paduan Cu-Zn.
Fenomena dasar dari efek memori diatur oleh perilaku
thermoelastic fasa martensit dilaporkan secara luas satu dekade
kemudian oleh Kurdjumov dan Khandros (1949) dan juga oleh
Chang dan Baca (1951).
Paduan titanium-nikel pertama kali dikembangkan pada 1962-1963 oleh
US Naval Ordnance Laboratorium dan dikomersialisasikan di bawah
nama dagang Nitinol (sebuah akronim untuk Nickel Titanium Naval
Ordnance Laboratories). Sifat yang luar biasa mereka temukan secara
tidak sengaja yaitu sebuah sampel yang sudah keluar bengkok dengan
perubahan bentuk berkali-kali yang ditampilkan pada pertemuan
manajemen laboratorium. Salah satu direktur teknis asosiasi, Dr David
S. Muzzey, memutuskan untuk melihat apa yang akan terjadi jika
sampel dipanaskan dan memegang pipa ringan di bawahnya dan
setelahnya semua orang takjub dengan sampel yang dapat kembali ke
bentuk aslinya tersebut.
Shape Memory Alloy (SMA) adalah material cerdas (smart material)
yang bentuknya berubah terhadap kalor. Beberapa material jenis ini
antara lain adalah nitinol, nikel dan titanium serta kombinasinya.
Material kelompok ini dapat mengkonversi energi termal secara
langsung menjadi usaha mekanis. Misalnya smart shape memory alloys
dapat diprogram untuk mengadopsi bentuk tertentu ketika alloy
mencapai suhu yang diinginkan (misalnya 1000C). Alloy yang sama ini
kemudian dapat dimanipulasi atau dideformasi secara mekanis untuk
mengadopsi bentuk yang berbeda ketika berada dalam suhu yang tidak
diinginkan (misalnya 500C). Ketika alloy dipanaskan di atas suhu
transisi kritis misalnya, material akan mengingat bentuk sebelumnya
dan merestorasi diri.
Shape memory alloy memiliki struktur kristal austenit dan martensit.
Suatu bahan shape memory alloy pada temperatur rendah yang
mempunyai struktur austenit, pada temperatur tinggi berubah ke
bentuk struktur kembaran yang dikenal sebagai fasa martensit. Fasa
martensit mudah dideformasi dengan beban yang relatif rendah.
Ketika bahan pada fasa martensit yang terdeformasi dipanaskan,
struktur kembaran fasa martensit akan mengatur dirinya dan
membentuk fasa austenit. Transformasi fasa austenit ke fasa
martensit dan sebaliknya berlangsung tanpa melalui proses
difusi seperti terlihat.
Mekanisme sifat ingat bentuk ( shape memory )
Temperatur ketika bahan berfasa austenit berubah menjadi fasa
martensit dikenal sebagai martensite start (Ms) yang berlangsung
terus hingga fasa martensit stabil pada temperatur martensite finish
(Mf). Ketika bahan dipanaskan dan fasa berubah menjadi fasa austenit
dikenal sebagai temperatur austenite start (As), dimana perubahan ini
berlangsung hingga temperatur austenite finish (Af).
Struktur atom martensit dan austenit
Pemrosesan Shape Memory Alloys
Shape Memory Alloys dibuat melalui dua bagian pemrosesan yaitu
1. proses pembentukan
2. proses pelatihan.
Pada proses pembentukan, SMA biasanya dibuat dengan casting
(pencetakan) dimana sebelumnya menggunakan proses peleburan
atau pelelehan busur vakum induksi. Ini adalah teknik yang
digunakan untuk memastikan logam-logam yang dipadukan
tercampur rata. Lalu dilakukan hot rolling yaitu ditekan dan
dipanjangkan menjadi beberapa bagian lagi dan kemudian dilakukan
drawn untuk mengubahnya menjadi kawat.
Cara kedua yaitu dilakukan pelatihan, yaitu paduan tersebut "dilatih"
untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. "Pelatihan" tersebut
yaitu dengan mendikte paduan tersebut yang akan dapat mengingat
kembali bentuknya ketika dipanaskan. Hal ini dilakukan dengan
memanaskan paduan sehingga terjadi dislokasi dan akan kembali ke
posisi dia stabil, tetapi dalam keadaan tidak terlalu panas sehingga
materi recristalisasi. Mereka dipanaskan sampai antara 400 ° C dan
500 ° C selama 30 menit sedangakan ada untuk beberapa paduan
yang 500 ° C dan lebih dari 5 menit. Mereka kemudian dibentuk
selagi panas dan didinginkan dengan cepat oleh pendinginan dalam
air atau dengan pendingin dengan udara.
Shape memory alloy memiliki beberapa sifat yang berbeda
dibandingkan dengan jenis bahan-bahan lainnya. Sifat utama yang
dimiliki oleh shape memory alloy adalah superelastisitas dan memiliki
shape memory effect yang terdiri dari one way memory effect dan two
way memory effect.
Sifat Shape Memory Alloys
1. Superelastisitas
Perilaku ini dapat juga disebut super-thermoelasticity atau pseudo-
elasticity. Shape memory alloys juga memiliki karakteristik yang
dapat mengalami lebih banyak tekukan penting daripada paduan
logam konvensional.
Prinsip dari sifat ini adalah perlakuan paksa dilakukan pada paduan
(pada temperatur konstan) seperti pada diagram sebelumnya. Lalu
dilakukan perlakuan tekukan
Diagram keadaan perubahan dari austenit ke martensit
Kurva sampel monokristal selama perubahan di bawah
paksaan dengan temperatur konstan
memiliki 3 daerah penting yaitu:
1. Dari daerah asal sMs: elastisitas dari austenit;
2. Dari sMs menuju sMf : tekukan pada daerah perubahan bentuk
martensit;
3. Dari sMf : elastisitas dari martensit.
Shape memory effect
Ada dua jenis fenomena shape memory effect (SME), yaitu SME satu
arah dan SME dua arah. Pada SME satu arah, perubahan bentuk terjadi
hanya pada saat pemanasan sedangkan pada SME dua arah,
perubahan bentuk terjadi pada saat pemanasan dan pendinginan.
Dengan demikian SME dua arah menunjukkan efek switching antara
bentuk pada saat dingin dan bentuk pada saat panas, masing-masing
terhadap pemanasan dan pendinginan.
Skema fenomena shape memory effect (SME) : shape memory effect
satu arah dan shape memory effect dua arah
Pada gambar di atas, prosedur yang sangat mirip: mulai dari
martensit (a), menambahkan deformasi reversibel untuk efek satu-
arah atau deformasi berat dengan jumlah yang tidak dapat diubah
untuk dua arah (b), pemanasan sampel (c) dan pendinginan lagi (d).
Shape memory effect satu arah (One way memory effect)
Ketika sebuah paduan shape memoy dalam keadaan dingin (di
bawah As), logam dapat menjadi bengkok atau dipanjangkan dan
akan terus berubah bentuk sampai dipanaskan di atas suhu
transisi. Setelah pemanasan, perubahan bentuk ke aslinya. Ketika
logam mendingin lagi itu akan tetap dalam bentuk panas, sampai
terdeformasi lagi. Dengan efek satu arah, pendinginan dari suhu
tinggi tidak menyebabkan perubahan bentuk makroskopik. Pada
pemanasan, transformasi dimulai pada As dan selesai pada Af
(biasanya 2 sampai 20 ° C atau lebih panas, tergantung pada
paduan atau kondisi beban). As ditentukan oleh jenis paduan dan
komposisi dan dapat bervariasi antara -150 ° C dan 200 ° C.
Diagram termo-mekanik dan one way
memory effectProses one way memory effect
Prinsip dari one-way memory effect berdasarkan gambar 7 yaitu :
(a) : Terdapat proses pendinginan tanpa adanya perlakuan paksa
dari temperatur temperature Ti diatas Ms dan temperatur Tf di bawah
Mf. Sebagai konsekuensinya, terbentuk struktur martensit tetapi tidak
terjadi perubahan benkokan. (b) : Diberi perlakuan paksa pada
temperatur konstan dan tidak terdapat perubahan fase, dan terdapat
kembali berorientasi pada bentuk varasi martensit selama proses
pendinginan. (c) : Pada proses ini adalah proses pemanasan hingga Ti
di bawah perlakuan paksa nol. Lalu paduan ini akan menemukan
kembali bentuk awalnya.
Shape memory effect dua arah (Two way memory effect)
Bentuk memori efek dua arah adalah efek yang material mengingat
dua bentuk yang berbeda: satu pada temperatur rendah, dan satu pada
bentuk suhu tinggi. Sebuah materi yang menunjukkan efek shape memory
selama pemanasan dan pendinginan baik disebut shape memory dua
arah. Ini juga dapat diperoleh tanpa penerapan kekuatan eksternal
(intrinsik efek dua arah). Alasan materi berperilaku begitu berbeda dalam
situasi ini yaitu terletak dalam pelatihan. Pelatihan menyiratkan bahwa
shape memory dapat "belajar" untuk berperilaku dengan cara tertentu.
Dalam keadaan normal, shape memory alloys "mengingat" bentuknya
pada suhu tinggi, tapi setelah pemanasan dilakukan untuk memulihkan
bentuk suhu tinggi, dan segera "lupa" terhadap bentuk suhu rendah..
Namun, bisa "dilatih" untuk "mengingat" untuk meninggalkan
beberapa pengingat kondisi suhu rendah terdeformasi dalam fase
suhu tinggi
Pada two-way memory effect, paduan ini dapat melakukan
perubahan bentuk baik karena proses pemanasan maupun
proses pendinginan. Dapat ditentukan bentuk steady : Untuk
temperatur tinggi yaitu austenite dan temperatur rendah yaitu
martensit. Prinsip dari two way memory effect berdasarkan
gambar 9 yaitu : Setelah beberapa pelatihan, paduan ini
memiliki dua bentuk stabil.
Diagram termo-mekanik pada two way
memory effectProses two way memory effect
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 10
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
214
Shape Memory Alloy II
1. Paduan TiNi
Pada komposisi tertentu, merupakan salah satu kelompok
paduan yang digunakan sebagai bahan paduan shape
memory,karena paduan ini memiliki sifat pemulihan tegangan
dan regangan pada perubahan temperatur
tertentu. Sifat pemulihan regangan dan tegangan ini
dikenal sebagai fenomena shape memory effect (SME) dan
paduan shape memory termasuk dalam kategori material
cerdas (smart material).
Jenis-jenis shape memory alloy
2. Paduan Tembaga
Untuk paduan tembaga yang berbeda, menurut komposisi mereka, tipis
kabel (dari 100 mm sampai 2 mm diameter) dapat diperoleh. Hal ini
juga mungkin untuk mendapatkan lembaran tipis (dari 15 mm sampai
300 mm), yang digunakan, misalnya, dalam domain mikro-mekanik.
Berikut adalah paduan berbeda dengan tembaga:
Cu-Zn-Al (tembaga-seng-aluminium): mudah digunakan dan harga
moderat. Ada masalah selama penggunaan pada suhu tinggi yaitu
sebuah stabilisasi martensit. Menambahkan penyulingan seperti kobalt,
zirkonium, atau titanium, adalah mungkin untuk mencapai ukuran butir
50 mm sampai 100 mm.
Cu-Al-Ni (Tembaga-aluminium-nikel): lebih sulit untuk digunakan,
tetapi kurang reaktif terhadap kestabilisasian atau penuaan. Paduan ini
memiliki sifat yang sangat baik dalam domain suhu yang besar (Dari 50
° C sampai 180 ° C).
Cu-Al-Be (Tembaga-aluminium-berilium): Memiliki stabilitas termal
yang baik. Karena ada sejumlah lemah berilium, itu memungkinkan
suhu transformasi disesuaikan dari -200 ° C sampai 150 ° C.
Aplikasi dari shape memory alloys dapat dimanfaatkan dalam
bidang medis, bidang kedirgantaraan, robot mikro, pneumatic
valve, dll.
a. Bidang Kedirgantaraan
Mekanisme peluncuran Frangibolt TiNi Aerospace, Inc. didesain
untuk pesawat luar angkasa untuk memberikan rasa aman dan
dapat mengontrol penyebaran dari satelit pesawat luar angkasa.
Memanfaatkan peluasan silinder SMA dengan elemen pemanas
terintegrasi, peralatan tersebut dapat memutuskan baut
penghubung beban ke pesawat luar angkasa.
Aplikasi Shape Memory Alloys
Peluncuran tersebut oleh karena itu mungkin tanpa peledakan.
Beberapa model berbeda untuk baut yang berbeda dan berat satelit
(mencapai 5000lbf / 2300kg) yang dibuat. Peralatan-peralatan
tersebut dapat digunakan kembali setelah penekanan dari eemen
SMA dengan alat eksternal
Pinpullers, juga dibuat oleh TiNi Aerospace, Inc. adalah
peralatan kabel penggerak yang didesain untuk keamanan dan
pelepasan dari payload pada pesawat luar angkasa. Seperti
frangibolt, pinpuller lebih berukuran kecil, dapat digunakan kembali,
kemampuan bertahan lebih baik, lebih aman dan efisien.
Peralatan peluncuran Frangibolt non-explosive
b. Proportional pneumatic microvalve
TiNi Alloy Company memproduksi sebuah pneumatic microvalve
menggunakan TiNi ketebalan film. Valve ini dapat mengontrol aliran
udara secara proporsional, mengganti valve solenoid konvensional.
Meskipun dalam sebuah fase prototype, distribusi komersial dari
peralatan ini telah dimulai.
Sebuah susunan dari empat microvalve, di mana ukuran dari susunan
tersebut adalah 12,5mm x 15mm
c. Peralatan Medis
Ada banyak aplikasi di dalam bidang medis. Sebagai contoh :
kawat gigi pada perawatan gigi, peralatan-peralatan microsurgical,
microgrippers, stents, pipa ke dalam saluran tubuh, kabel-kabel
penunjuk untuk pipa ke dalam saluran tubuh, dan implantasi.
Peralatan Surgical, microgripper dan stents
Stent - Sebuah perangkat yang digunakan untuk mengobati
penyakit koroner. Ini akan dimasukkan dalam bentuk yang
terdeformasi dan akan meluas mencapai suhu tubuh tertentu untuk
membuka arteri dan meningkatkan aliran darah.
Vena-Cava Filter - Sebuah perangkat yang digunakan untuk
perangkap pembekuan darah. Disisipkan sebagai sebuah silinder
kecil, beralih berbentuk filter untuk pembekuan darah dengan
perangkap kecil dan mencegah mereka dari berpencar ke bagian
tubuh mana yang mungkin memiliki efek yang merugikan.
Gigi dan Ortodonti Archwires - ini bekerja mirip dengan mata air.
Mereka menerapkan kekuatan terus menerus dan dengan lembut
mengoreksi gigi agar rata, yang bertentangan dengan pengetatan
periodik dan tidak nyaman sehingga dibutuhkan baja tahan karat.
Proses pemasangan gigi menggunakan shape memory alloys
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 11
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
228
MATERIAL SUHU TINGGI
Dalam banyak aplikasi, terutama dalam industri luar angkasa
(mesin misalnya jet dan roket) serta industri elektronik (misalnya
superheat bahan tahan untuk perlindungan termal, kendaraan dan
pelindung tubuh pribadi, sensor elektromagnetik), struktur atau
bagian dari struktur yang terkena suhu tinggi, biasanya
hingga 2000K atau bahkan 3500K di beberapa bagian mesin roket
diperlukan bahan khusus.
Bahan logam konvensional, seperti baja karbon atau stainless
baja: ASTM 321, ASTM 310, paduan nikel atau berbasis aluminium
tidak bisa menahan suhu tinggi sehingga diperlukan Material
khusus yang tahan suhu tinggi.
1. 1 Properti bahan untuk Aplikasi Suhu Tinggi
Metode pertama untuk meningkatkan ketahanan struktur logam
terhadap kondisi suhu ekstrim adalah dengan meliputi struktur
(substrat) dengan lapisan keramik (Thermal Barrier Coating - TBC)
yang dikenal tahan panas yang tinggi.
Misalnya, komposit logam-keramik:
Al-SiC rasio konduktivitas termal : λm / λc = 3,6, rasio ekspansi termal
: αm / αc = 5, sedangkan rasio modulus elastis: Em / Ec = 0,16
Pada Ni-Al2O3 : λm / λc = 2.95, αm / αc = 1.51 dan Em / Ec = 0,50
Oleh karena itu, pada antarmuka logam-keramik, diskontinuitas parah
dan sifat termomekanis terjadi, yang menyebabkan ketegangan tinggi
dan stress pada antarmuka.
kekurangan ini ditutup dengan konsep dari Fungsional Graded Material
- FGM, dikembangkan di Jepang pada tahun 1980 (Yamanouchi et
[241] al.), memberikan komponen struktural gradien spasial pada sifat
termomekanis. Gradien spasial dicapai dengan penggunaan komposit
dua komponen.
Dengan cara ini, pelapisan ceramik pada logam, hambatan panas pada
logam dan keramik dipisahkan secara berjenjang pada ketebalan kurang
lebih 100 mikron. Teknologi pengolahan untuk TBCs dan FGMs
menyebabkan tegangan sisa, yang terbentuk selama pendinginan
dari suhu fabrikasi tinggi. Tegangan sisa ini mungkin signifikan
relatif terhadap tekanan termomekanis diterapkan kemudian.
Sebuah artikel review umum pada penerapan beberapa bahan keramik
untuk TBCs diberikan oleh Lee et al. [144]. Karena sifat termomekanis:
elastis modulus E, termal koefisien ekspansi α dan konduktivitas termal
λ dirangkum untuk keramik sering digunakan untuk TBCs pada Tabel
berikut:
Zirconia ZrO2 sebagian distabilkan oleh Y2O3, diendapkan sebagai
lapisan keramik di bahan substrat dengan berbagai teknik, seperti
Air Plasma Semprot (APS) atau EBPVD, adalah lapisan keramik
yang umum digunakan untuk bahan dengan konduktivitas termal λ
rendah dan koefisien ekspansi termal α yang relatif tinggi.
Sebaliknya, keramik alumina Al2O3 dianggap sebagai bahan yang
baik untuk isolasi transportasi oksigen, tapi sifat termal insulasi
mereka tidak sebagus zirconia.
Itulah sebabnya sistem lapisan multifungsi yang lebih kompleks
digunakan, dengan menggunakan dua lapisan keramik pada bahan
logam substrat untuk mengurangi dampak termomekanis tajam
ketidakcocokan properti di keramik A-keramik B-logam antarmuka M
Loncatan besar dalam sifat termomekanis bahan yang digunakan untuk
perlindungan termal substrat logam diamati. Hal ini diperoleh dari
berbagai komposisi kimia dan teknik manufaktur yang berbeda yang
digunakan untuk produksi. Juga teknik pengukuran dan kondisi
pengujian memegang peranan penting. Di antaranya suhu tes sangat
mempengaruhi data material.
Sebuah sistem TBC khas terdiri dari lapisan keramik (misalnya zirkonia
atau mulit) diendapkan selama obligasi FGM mantel lapisan (misalnya
intermetalik) pada substratbahan (misalnya steel- atau superalloy nikel-
based). Yang paling penting sifat mekanik dan termal dari bahan
penyusunnya, seperti: elastis modulus, koefisien konduktivitas termal,
koefisien ekspansi termal dan panas spesifik yang sangat tergantung
suhu konstanta: E (T), λ (T), α (T) dan c (T).
1.2 Sifat mekanis dan termal Bahan Suhu Tinggi
LOGO
Teknik Material Mutakhir(Advance Material)
Pertemuan 11
AGUS SALIM AFROZI, ST, MT
248
MATERIAL SUPER KONDUKTOR
Zat padat atau material padat yang ada disekitar kita memiliki sifat
dan karaketristik yang berbeda-beda. Salah satunya adalah sifat
yang berhubungan dengan daya hantar (konduktivitas) kelistrikan.
Berdasarkan daya hantar kelistrikannya, zat padat dibedakan
menjadi konduktor, isolator, dan semikonduktor, dan yang paling
baru adalah superkonduktor.
Bahan konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan
arus listrik dengan baik. Bahan konduktor konvensional memiliki
nilai resistansi atau hambatan listrik sehingga menyebabakan
disipasi sebagian energy listrik yang di ubah menjadi panas.
1. PENDAHULUAN
Terdapat jenis bahan yang memiliki hambatan nol, sehingga daya
hantarnya menjadi sangat baik dan dapat membuat hantaran energy
listrik lebih efisien, yang dikenal sebagai bahan superkonduktor.
Pada bahan superkonduktor, hambatan listrik benar-benar bernilai nol.
Artinya listrik dapat mengalir tanpa hambatan pada bahan
superkonduktor ini. Apabila pada rangkaian tertutup dari
superkonduktor dialirkan arus listrik, maka arus tersebut akan terus
mengalir mengintari rangkaian tanpa batas waktu bahkan setelah
sumber listrik dilepaskan dari rangkaian. Hal ini terjadi karena tidak ada
kehilangan energi selama arus mengalir karena hambatannya benar-
benar nol.
Sifat superkonduktivitas bahan ditemukan pertama kali oleh Heike
Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Pada saat itu, dia sedang
mencoba mengamati hambat jenis (resistivity) logam merkuri (Hg)
ketika didinginkan sampai suhu helium cair. Ternyata dia mendapatkan
hambat jenis merkuri tiba-tiba turun drastis menjadi nol pada suhu 4,2
K. Fenomena konduktivitas sempurna inilah yang disebut
superkonduktivitas,. Suhu ketika suatu bahan superkonduktor mulai
mempunyai sifat superkonduktif disebut suhu kritis (Tc).
Bahan semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam teknologi era
modern. Sifat superkonduktivitasnya dapat membuat transmisi elektronik
menjadi lebih efisien dan lebih cepat. Namun saat ini penggunaam
superkonduktor belum praktis, dikarenakan untuk mendapatkan bahan
superkonduktor diperlukan proses pendinginan yang perlu biaya cukup
besar, sebab suhu kritis bahan superkonduktor yang ada sekarang
masih jauh di bawah suhu kamar.
Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki
hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah.
Superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa
adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan
Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor
bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu
bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya.
Pengertian Bahan Superkonduktor
Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan
superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran
electron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang
dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons
akan memecahkan Cooper Pairs dan bahan kembali ke keadaan
normal.
Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga
bahan superkonduktor memiliki medan magnet.
Suhu dan Medan Magnet Kritis
Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas.
Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat
percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala
arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan
adanya hambatan listrik pada logam konduktor.
Sifat dan Karakteristik Bahan Superkonduktor
Sifat Kelistrikan
Pada superkonduktor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair)
dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal
sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai
satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron
harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan
dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh
karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.
Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga
tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut diamagnetisme
sempurna.
Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak
akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena
superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan
arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat
diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal
kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis,
medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner.
Sifat Kemagnetan
Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor
atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat
melayang di bawah magnet. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena
melayngnya magnet atau gejala “levitasi” yang terjadi pada bahan
superkonduktor.
Gejala levitasi ini dimanfaatkan dalam pembuatan kereta supercepat
MAGLEV.
Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan
Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori
BCS.
Teori BCS menjelaskan bahwa :
Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar
terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.
Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya
energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini
terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya.
Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua
elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.
Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah,
medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat
kecil dan dinamakan London Penetration Depth, yang merupakan
konsekuensi dari Teori BCS.
Sifat Kuantum Superkonduktor
Bahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh
Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata
beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor
dengan harga Tc yang berbeda..
Hal yang unik adalah logam emas, tembaga dan perak yang
merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.
Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan
suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor
No Bahan Suhu Kritis (Tc)
K
Tahun Ditemukan
1 Raksa Hg 4,2 1911
2 Timbal Pb 7,2 1913
3 Niobium nitrida 16,0 1960-an
4 Niobium-3-timah 8,1 1960-an
5 Al0,8Ge0,2Nb3 20,7 1960-an
6 Niobium germanium 23,2 1973
7 Lanthanum barium Tembaga oksida 28 1985
8 Yttrium barium tembaga
oksida (1-2-3 atau YBCO)
93 1987
9 Thalium barium kalsium
Tembaga oksida
125 -
10 Karbon ( C ) 15 -
11 HgBa2Ca2Cu3O8 164 1995
Superkonduktor Tipe I
Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer)
dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut
pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik
yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya
pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata
dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti
ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek
Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya
tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor.
Tipe-tipe Superkonduktor
Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan
menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus – menerus
menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet
kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan
normal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur
tunggal.
Superkonduktor Tipe II
Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS
karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS,
efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan
teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan
teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam
parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan
bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan
bagaimana medan magnet dapat melakukan penetrasi bahan sepanjang
terowongan dalam pusaran-pusaran ini.
Lebih lanjut dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring
meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih
digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet.
Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan.
Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap.
Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula.
Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari
superkonduktor tipe I.
Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur
molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V),
germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan
senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.
Dalam beberapa tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan
berbagai macam bahan yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-
bahan tersebut antara lain:
a. Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike
Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan
mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.
b. Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri
terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa
niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superkonduktor pada suhu 18,3
Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan
magnet besar.
Perkembangan Penemuan bahan Semikonduktor
c. Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor
temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.
d. Heavy Fermion (1979): Superkonduktor Heavy Fermion seperti
uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif
memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional
tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.
e. Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi
yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan
nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.
f. Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang
menjadi superkonduktor ketika didoping dengan atom logam alkali
seperti kalium, rubidium dan cesium.
g. HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini
memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada
tekanan tinggi bahan ini menjadi superkonduktor pada suhu 164
Kelvin.
h. Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi
dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari
superkonduktor konvensional.
i. Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu
senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor
suhu tinggi.
untuk menghasilkan keadaan atau kondisi superkonduktor membutuhkan syarat yaitu
suhu kritis (Tc), suhu kritis ini bervariasi dari tiap material, suhu kritis ini biasanya
antara 0K sampai 130K, di bawah suhu kritis akan menghasilkan hambatan bernilai 0
dan bersifat diamagnetik. Dari penelitian, logam murni seperti emas atau tembaga
yang di suhu ruang merupakan konduktor yang sangat baik, justru mempunyai suhu
kritis yang ekstrim, di bawah 4K untuk menjadi superkonduktor. Adalah keramik yang
mempunyai titik kritis cukup tinggi, di atas titik didih nitrogen cair, sehingga lebih
mudah untuk diaplikasikan. Padahal keramik adalah isolator yang baik pada suhu
ruang.
KELEMAHAN BAHAN SUPERKONDUKTOR
Tabel 1. Material superkonduktor dan suhu kritisnya (Tc)
1. YBCO (YBa2Cu3O7 = Yttrium Barium Tembaga Oksida)
Superkonduktor Tipe II
Superkonduktor suhu tinggi
Suhu Kritis (Tc) : 90 Kelvin
Struktur Kristal : Perovskits
Gambar 3. Strukutur Perovskits dari YBCO
YBCO jenis ini biasa disebut komponen 1-2-3, angka cacah 1,2, dan 3 dilihat dari kuantitas unsur Y, Ba, dan Cu pada senyawa YBa2Cu3O7.
Dengan struktur perovskits (ABX3), kelipatan tiga dari unit sel perovskits menghasilkan 9 atom oksigen, sementara YBa2Cu3O7 memiliki 7
Pengembangan Superkonduktor Suhu Tinggi
YBCO (YBa2Cu3O7 = Yttrium Barium Tembaga Oksida)
Superkonduktor Tipe II
Superkonduktor suhu tinggi
Suhu Kritis (Tc) : 90 Kelvin
Struktur Kristal : Perovskits
Pengembangan Superkonduktor Suhu Tinggi
Strukutur Perovskits dari YBCO
YBCO jenis ini biasa disebut komponen 1-2-3, angka cacah 1,2, dan 3 dilihat
dari kuantitas unsur Y, Ba, dan Cu pada senyawa YBa2Cu3O7. Dengan struktur
perovskits (ABX3), kelipatan tiga dari unit sel perovskits menghasilkan 9 atom
oksigen, sementara YBa2Cu3O7 memiliki 7 atom oksigen, sehingga disebut
struktur perovskits yang kekurangan oksigen. Elemen kunci dari senyawa ini
adalah kehadiran bidang yang mengandung atom-atom Cu dan O yang
saling terikat. Ikatan kimia Cu-O membuat material ini menjadi konduktor
listrik yang sangat baik.
Akan tetapi, YBCO ini sangat sensitif dengan oksigen, oksigen
dapat keluar dan masuk dengan cukup mudah, apabila oksigen berkurang
sedikit saja maka titik kristisnya akan menurun. Dengan mempunyai titik
kritis yaitu di atas suhu nitrogen cair ( > 77K), maka material ini lebih
mudah untuk diaplikasikan. Akan tetapi apabila pada senyawa ini
kandungan oksigen (O) pada senyawa lebih dari 7 atau kurang dari 6.3, sifat
superkonduktor tidak akan ditemui.
Titik kritis maksimum material ini, yaitu 95K , ketika x ~ 0.07 ,
serta mencapai tahanan medan magnet terbesar, yaitu 120 Tesla untuk
medan magnet eksternal yang tegak lurus dengan bidang CuO2, serta 250
Tesla untuk medan magnet eksternal yang sejajar dengan bidang CuO2.
1. Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)
Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi
transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat
ini diberi nama “The Yamanashi MLX01 MagLev Train”, dimana
kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan
melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan
akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph
(550 km/jam).
Pemanfaatan Superkonduktor
Hambatan
Ø Menggunakan rare earth, yaitu Yttria (Y2O3) yang harganya sekitar Rp 1.5 juta per
gram.
Ø Proses manufaktur yang harus terkontrol ketat untuk menemukan kondisi kandungan
yang ideal dari oksigen pada senyawa YBCO 1-2-3 ini.
2. Generator listrik super-efisien
Suatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp, diminta
untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama
Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-
SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3
MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila
terjadi gangguan listrik.
3. Kabel Listrik Super efisien
Untuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan superkonduktor
dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut
perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, karena
250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel
tembaga.
3.Supercomputer
Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu
superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis.
4. Magnetic resonance imaging (MRI).
Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan medis
untuk memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari
devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada gambar berikut.