Nama
: Aditya Kurniawan
NIM
: 15521079
Cacat-Cacat Pada Bahan Keramik Dan Bagaimana Pencegahannya Bahan baku keramik Secara umum bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : 1.Kristalin 2.Amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pa d a j a r ak j au h k et e r a tu r a nn ya t id ak a da . Be b er ap a k er am i k da pa t be ra da da l am kedua bentuk tersebut, misalnya SiO2 1. Bahan Kristal Studi bahan kristalin mempunyai sejarah yang jauh lebih panjang karena kristal lebih mudah dipelajari daripada bahan amorf. Sebuah kristal ideal disusun oleh satuan-satuan struktur yang identik secara berulang-ulang yang tak hingga di dalam ruang. Kristal yang umum kita lihat adalah natrium khlorida, tembaga sulfat hidrat, dan kuarsa. Letak partikel penyusun padatan kristal (ion, atom atau molekul) biasanya dinyatakan dengan dengan kisi, dan l etak setiap partikel disebut titik kisi. Satuan pengulangan pengulangan terkecil kisi dise but dengan sel satuan Sel satuan digambarkan dengan garis tebal. Jarak antar dua titik sepanjang ketiga sumbu didefiniskan sebagai a, b dan c. Sudut yang dibuat antar dua didefinisikan sebagai α, β dan γ . 2.Amorf (Non-Kristal) Susunan partikel dalam padatan amorf sebagian teratur dan sedikit agak miripdengan padatan kristalin. Namun, keteraturan ini, terbatas dan tidak muncul dikeseluruhan padatan. Banyak padatan amorf di sekitar kita seperti: gelas, karet danpolietena memiliki keteraturan sebagian. CACAT KRISTAL Seperti halnya pada bahan logam, maka pada bahan keramik t erjadi juga ketidak sempurnaan pada bangun bangun struktur kristalnya. Jadi dikenal cacat-cacat seperti :
1. Cacat titik 2. Cacat garis 3. Cacat bidang 4. Cacat ruang
Cacat pada kristal
Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar. Cacat paling sederhana adalah kehilangan atom pada posisi tertentu dalam kristal (vacancy) yang sering disebut cacat Schottky. Cacat kristal yang terjadi dalam suatu bahan padat dapat mempengaruhi sifat fisis tertentu seperti sifat mekanik atau sifat listrik. Cara memodelkan cacat ini adalah dengan menganggap terjadi perpindahan suatu atom (atau molekul) dari suatu titik dalam kristal ke permukaan. Perubahan ini adalah endoterm (tidak disukai) tetap diimbangi oleh pe nai kan en tro pi akib at pe ni ngk atan ke takt erat ura n kri stal . Ki ta gu nak an anggapan (1) energi yang diperlukan untuk memindahkan atom dari kisi ke pe rmuk aan ada lah “v da n (2) kek os on ga n ya ng ada am atl ah jaran g sehi ngg a p roses ini dianggap “independen”. Dengan asumsi ini, dapat dituliskan :
Dengan n adalah jumlah kekosongan, dan faktor kombinatorial adalah jumlah cara mendistribusikan kekosongan dalam kristal. Keadaan setimbang adalah keadaan dengan nilai A(n) minimum, yaitu :
Dimana kita mengabaikan nilai n dibandingkan dengan N. Cacat yang lain yang dikenal adalah acat Frenkel, dimana kekosongan diimbangi dengan interstisi di tempat lain. Anggap energi yang dibutuhkan untuk memindahkan atom dari kisi ke interstisi adalah “I , N adalah jumlah titik dalam kisi dan N0 adalah jumlah titik yang mungkin disisipi.
Dengan cara yang sama (meminimalkan A), kita peroleh:
Secara umum, entropi dapat dituliskan sebagai S = k ln (N; V;E), dengan adalah jum lah sus un an ya ng mu ngk in da ri sua tu sistem . Angka kesetimbangan vakansi, N v untuk material tertentu tergantung atas kenaikan temperatur sesuai dengan persamaan:
Dimana: N = jumlah total sisi Q v = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansi T = emperature mutlak, K k = konstanta Boltzmqan = 1,38 x 10 -23 J/atom-K = 8,62 x 10 - 5 eV/atom-K
Adapun macam cacat Kristal ialah : Cacat Titik Cacat titik yaitu adanya atom yang hilang atau terdapat sisipan atom asing dalam kisi. Cacat titik ini terdiri dari :
1.
Kekosongan Di alam ini tidak t erdapat Kristal yang sempurna dengan susunan atom yang teratur. Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal, dan yang paling sering dijumpai adalah cacat titik. Hal ini terutama ketika temperature Kristal cukup tinggi dimana atom-atom bergetar dengan frekuensi tertentu dan s ecara acak dapat meninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan disebut vacancy atau kekosongan. Dalam kebanyakan kasus difusi atau transportasi massa oleh gerak atom juga dapat disebabkan oleh kekosongan. Semakin tinggi suhu, maka semakin banyak atom yang dapat meninggalkan posisi kesetimbangannya dan jika semakin banyak atom yang dapat meninggalkan posisi kesetimbanganya maka semakin banyak pula kekosongan yang dapat dijumpai pa da Kris tal . Ba nya kn ya ke ko son ga n ya ng te rjadi Nv meni ngk at deng an meningkatnya suhu Kristal dan banyaknya kekosongan ini dapat diperoleh dengan pe rsa maan be ri ku t (di stri bu si Bo ltzma n) : [ Rj=Ro exp(-Em/kT) ] Dalam persamaan ini, N adalah banyaknya atom dalam Kristal, Q v adalah energy yang dibutuhkan untuk membentuk vacancy atau kekosongan, T adalah suhu kristal dalam Kelvin, dan k adalah konstanta Boltzman yang bernilai 1.38 x 10 -2 3 J/atom-K, atau 8.62 x 10 -5 eV/atom-K bergantung pada satuan Q v . Dengan menggunakan persamaan tersebut kita dapat mengestimasi bahwa pada suhu kamar terdapat satu kekosongan dalam 10 15 kisi Kristal dan pada suhu tinggi atau suhu mendekati titik leleh zat padat terdapat satu kekosongan dalam 10000 atom. Pada Kristal,atom membutuhkan energy untuk bergerak ke posisi kekosongan (misalnya energi termal) untuk lepas dari tetangga-tetangganya. Energi tersebut disebut energy aktivasi kekosongan, Em. Energi termal rata-rata atom biasanya lebih kecil dari energy aktivasi E m dan fluktuasi energy yang be sar di but uh kan un tuk lon cat . Pelua ng un tuk fl uk tua si atau freku ens i lon ca tan atom R j , tergantung secara eksponensial terhadap suhu dan dapat digambarkan oleh persamaan yang ditemukan kimiawan Swedia Arrhenius:
Dimana R 0 adalah frekuensi percobaan yang sebanding dengan frekuensi getaran atom
Ini adalah gambar atom yang telah berpindah dari titik kesetimbangan sehingga mengsasilkan kekosongan dalam s uatu material. Atau Skema representasi kekosongan pada Kristal dalam 2 dimensi.
Skema representasi difusi atom dari posisi asalnya ke posisi kosong. Energy aktivasi E m telah diberikan pada atom sehingga atom dapat memutuskan ikatan antar atom dan pindah ke posisi yang baru 2.
Subtitutional Cacat ini terjadi karena adanya pergantian atom pada susunan a tom . subtitusi menyebabkan strain di sekitar tempat yang diduduki dengan kata lain, cacat titik menyebabkan meningkatnya energi dalam material secara thermodinamik. Jika atom asing mengganti atau mensubtitusi matriks atom, maka disebut subtitusional impurity.
3.
Interstitial Interstitial yaitu Penekanan atau penumpukan antara tempat kisi teratur. Jika atom interstitial adalah atom yang sejenis dengan atom-atom pada kisi maka disebut self interstitial. Terciptanya self-interstitial menyebabkan distorsi besar disekeliling kisi dan membutuhkan energy lebih dibandingkan dengan energy yang dibutuhkan untuk membuat vacancy atau kekosongan (E i >E v ), dan dibawah kondisi kesetimbangan, self -interstitial hadir dengan konsentrasi lebih rendah dari kekosongan. Jika atom-atom interstitial adalah atom asing, biasanya lebih kecil ukurannya (karbon, nitrogen, hydrogen, oksigen) disebut interstitial impurities. Mereka memperkenalkan distorsi kecil pada kisi dan banyak terdapat pa da mat erial nya ta.
Gambar disamping menunjukan skema representasi macam-macam cacat titik dalam Kristal (1) kekosongan, (2) self-interstitial, (3) Interstitial impurity, (4) (5) subtitutional impurities. Tanda panah menunjukan tekanan local yang dihasilkan oleh cacat titik. 4.
Cacat Schottky dan Cacat Frenkel Dalam Kristal ionic (misalnya garam dapur- Na + Cl – ), ikatannya disebabkan oleh gaya Coulomb antara ion positif dan ion negatif. Cacat titik dalam Kristal ion adalah muatan itu sendiri. Gaya Coulomb sangat besar dan setiap muatan yang tidak seimbang memiliki kecenderungan yang kuat untuk menyeimbangkan diri. Untuk membuat muatan netral, beberapa cacat titik akan terbentuk. Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial . Atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial. Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pa san ga n ca cat titik tet ap ber de kat an sat u sama lai n ka rena ta ri kan co ul om b ya ng kuat antara muatan yang berlawanan.
Gambar disamping merupakan skema representasi dari (1) cacat Frenkel (kekosongan dan pasangan interstitial) dan cacat schottky (kekosongan pasangan kation dan anion) dalam Kristal ionic.
Cacat Garis / Line Defect (Dislocation) Dislokasi merupakan suatu pergeseran atau pegerakan atom – atom didalam sistem kristal logam akibat t egangan mekanik yang dapat menciptakan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Ikatan interatomik secara signifkan terdistorsi hanya dalam daerah sekitar dislokasi garis yang cepat. Dislokasi juga membentuk deformasi elastic kecil kisi pada jarak yang jau h. Un tuk meng ga mba rka n uk ur an da n arah di stors i ki si ut am a di seb ab ka n ol eh dislokasi, kita seharusnya memperkenalkan vector Burger b. Untuk me nentukan vector burger , kita dapat membuat lintasan dari atom ke atom dan menghitung masing-masing jarak antar atom dalam segala arah. Jika lintasan
melingkupi dislokasi, lintasan tidak akan ditutup. Vektor yang menutup loop merupakan vector Burger b. Dislokasi dengan arah vector Burger tegak lurus dengan dislokasi disebut dislokasi tepi atau dislokasi edge. Ada tipe dislokasi kedua yang disebut screw dislocation. Screw dislocation sejajar dengan arah Kristal yang dipindahkan atau yang digeser (vector Burger sejajar dengan dislokasi garis). Hampir seluruh dislokasi yang ditemukan pada Kristal bahan tidak terdiri daru edge dislocation saja atau screw dislocation saja tetapi terdiri dari campuran keduanya atau disebut mix dislocation.
edge dislocation
screw dislocation
Gerak dislokasi mengikuti slip-deformasi plastis ketika ikatan interatomik pa tah dan terbe nt uk ke mb al i. Seb en ar nya , slip selal u te rj ad i mel al ui ge rak dislokasi.
Lihatlah pada diagram diatas, kita akan mengerti mengapa dislokasi mengijinkan slip pada tekanan yang kecil yang diberikan pada Kristal yang sempurna. Jika setengah bagian atas Kristal di geser dan pada saat itu hanya fraksi kecil dari ikatan yang patah dan hal ini membutuhkan gaya yang cukup keci l. Pada pr os es per ge sera n ini di slo kas i ter be nt uk da n menye ba r me la lui Kri stal . Penyebaran satu dislokasi melalui bidang menyebabkan setengah bidang atas tersebut bergerak terhadap bagian bawahnya tetapi kita tidak memecah semua ikatan pada tengah bidang secara simultan (dimana akan membutuhkan gaya yang sangat besar). Gerak dislokasi dapat dianalogikan dengan perpindahan ulat bulu. Ulat bulu harus mengadakan gaya yang besar untuk memindahkan seluruh tubuhnya pada waktu yang sama. Untuk itu bagian belakang tubuh akan bergerak ke depan sedikit dan membentuk punggung bukit. Punggung bukit lalu menyebar terus dan memindahkan ulat bulu. Cara yang sama digunakan untuk memindahkan
karpet yang besar. Daripada memindahkan seluruhnya pada waktu yang be rsa maan, ki ta dap at mem bua t pu ng gu ng bu ki t pada ka rp et dan me nd oro ngn ya menyebarangi lantai. Macam dislokasi: a.)
Dislokasi Ulir Terjadinya dislokasi ulir akibat gerakan garis dislokasi yang saling tegak lurus dengan tegangan geser.
b. )
Di sl ok as i Te pi Terjadinya dislokasi tepi ini akibat tegangan geser (τ) searah dengan garis dislokasi.
c.)
Dislokasi Campuran Di dalam material biasanya ditemukan gabungan antara edge dislocation dan screw diclocation yang biasa disebut dislokasi campuran. Dislokasi dapat berpindah pi nd ah at au pu n berge rak . Pros es di mana def or mas i pl astis di -ka ren ak an ge rak an gerakan dislokasi yang berpindah-pindah tersebut biasanya dinamakan dengan SLIP.
Cacat Permukaan Cacat permukaan akan memisahkan material tersebut atas beberapa bagian yang mana tiap-tiap bagian akan memiliki struktur kristal yang sama tetapi be rbe da arah kr ist aln ya . a. Permukaan Material Salah satu batas yang selalu ada adalah permukaan luar atau permukaan eksternal, dimana permukaan ada disetiap ujung Kristal. Di permukaan, atom tidak memiliki jumlah tetangga maksimum s ehingga jumlah ikatanya lebih kecil dan memiliki keadaan energy yang lebih besar dari atom atom yang berada dibagian dalam. Ikatan atom pada permukaan Kristal yang tidak terikat memberikan energy permukaan yang diekspresikan dalam satuan energy
pe rsat ua n lua s pe rmu ka an (J /m 2 atau org/cm 2 ). Untuk mengurangi energy tersebut, suatu bahan cenderung untuk memperkecil permukaannya. Namun untuk zat padat hal ini sulit karena memiliki sifat yang kaku. Ketidak-sempurnaan kristal dalam dua dimensi merupakan suatu batas, dimana batas yang nyata adalah permukaan luar. Permukaan dapat diilustrasikan sebagai batas struktur kristal sehingga kita dapat melihat bahwa koordinasi atom pa da pe rm uka an ti dak sam a de nga n ko or din asi ato m da lam kr is tal . Den ga n kat a lain : Atom permukaan hanya mempunyai tetangga pada satu sisi saja, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi dimana ikatannya menjadi kurang kuat. Karena atom-atom ini tidak seluruhnya dikekelingi oleh atom lainnya, maka energinya jad i leb ih ba nya k di ba nd ing kan de nga n at om di dal am nya .
b.
Grai n Bo un da ri es Jenis lain dari cacat interfacial adalah grain boundaries yaitu batas yang memisahkan dua grain kecil atau Kristal yang memiliki struktur Kristal yang be rbe da dal am bah an po li kri stal in. Di da lam da erah bat as , di ma na terd apa t jarak cukup lebar diantara atom, terdapat beberapa atom yan g hilang dalam transisi dari orientasi Kristal dalam satu grain ke grain yang berdekatan. Bermacam-macam ketidak sejajaran kristalografi diantara grain yang berdekatan merupakan hal yang mungkin. Ketika orientasi yang tidak cocok ini diabaikan atau derajatnya kecil maka bentuk sudut kecil grain boundaries digunakan.Batas ini dapat digambarkan dalam bentuk susunan dislokasi. Salah satu contoh sederhana dari sudut kecil grain boundaries dibentuk ketika dislokasi tepi disejajarkan seperti pada gambar 1. Jenis ini disebut tilt boundaries atau batas kemiringan. Jika sudut kecil dibentuk dari susunan dislokasi screw maka disebut twist boundaries. Atom-atom disekitar batas diikat dengan jumlah kurang dari yang diperlukan dan konsekuensinya terdapat energy grain boundary yang serupa dengan energy permukaan eksternal. Besarnya energy ini merupakan fungsi dari derajat misorientasi dan menjadi besar jika sudut batasnya besar. Grain boundaries sifat kimianya lebih reaktif dari grain-grain itu sendiri sebagai akibat dari kehadiran energy tersebut. Lebih jauh lagi atom-atom yang tidak murni terpisahkan secara khusus karena tingkat energinya yang lebih besar. Energi interfacial total material bergrain kasar lebih kecil daripada material bergrain halus karena pada grain kasar memiliki area batas grain total yang kecil. Jumlah grain meningkat dengan meningkatnya s uhu untuk mengurangi energy total batas.
Kita dapat membedakan antara sudut batas grain kecil dan sudut batas grain be sar . H al ini mu ngk in u nt uk menj el as kan sud ut ba tas kec il gr ain seb aga i ke sat ua n dislokasi. Gambar disamping merupakan transmisi mikroskop electron dari kemiringan sudut batas grain kecil silicon. Garis merah menandakan dislokasi tepi atau edge dislocation dab garis biru mengindikasikan kemiringan sudut. J enis lain dari cacat permukaan dalam kisi adalah stacking fault dimana rentetan bidang atom memiliki kesalahan. Walaupun susunan atom tidak teratur dan ikatan yang seharusnya sangat kurang, material polikristalin sangat kuat. Gaya kohesif didalam dan sepanjang ba tas terb ent uk . Le bi h jauh , den sitas pol ikr istal in seb ena rnya serup a den ga n Kristal tunggal pada bahan yang sama
c.
Twin Boundaries Twin boundaries atau batas kembar merupakan jenis khusus dari grain bo un daries di mana terda pa t cerm in ki si ya ng si metri . At om da lam sat u sisi bat as ditempatkan sebagai cermin atom pada sisi yang lainnya. Daerah diantara dua sisi tersebut terbentuk bidang twin. Batas kembar dihasilkan dari perpindahan atom yang diproduksi oleh gaya mekanik yang dikerjakan pada bahan (mechanic twin) dan juga terbentuk selama proses annealing panas yang mengikuti deformasi (annealing twins). Perkembaran terjadi pada bidang Kristal tertentu dan arah tertentu juga dan keduannya tergantung pada struktur Kristal. Annealing twin adalah tipe yang ditemukan dalam metal yang berstruktur FCC dan mechanic twin dapat di observasi pada logam berstruktur BCC dan HCP.
Cacat Ruang Cacat ruang adalah ketidaksempurnaan kristal pada seruang atom yaitu timbulnya rongga antara batas butir karen a orientasi butir dan dapat dilihat secara langsung. Kehadiran volume defect di dalam materiaal biasanya memberikan suatu implikasi (misalnya terhadap sifat material) yang akan menyebabkan perubahan densitas material (terutama dengan adanya pori-pori ataupun fasa kedua pada material). Cacat ruang pada material dapat berupa : crack (retak)/pori-pori, inklusi, presipitat, fasa kedua, porositas , retak dan rongga.
Solusi Cacat Material Cacat material dapat diatasi dengan perlakuan panas sampai mencapai temp eratur rekristalisasi. Temperatur rekristalisasi dalah temperatur di mana mulai terjadinya atau munculnya kristal - kristal baru. Temperatur rekristalisasi ini dipengaruhi be ber ap a fakt or, sepe rt i de ra jat def or mas i, uk ur an bu tir dan ke mu rn ian un sur kimia dalam logam sehingga temperatur rekristalisasi tiap material berbeda – be da. Be riku t ad al ah dat a men ge nai tem per atur rek ristal isas i pad a be be rap a uns ur logam :
Adapun contoh dari perlakuan panas yang dapat di pergunakan untuk mengatasi masalah cacat material seperti, anneliing(pelunakan), Normalizing (menormalkan), hardening(pengerasan), dan quenching(pencelupan).
