Keramik, Grafit, dan Intan: Struktur, Sifat Sifat Umum dan Penggunaannya

Keramik, Grafit, dan Intan: Str truk ukttur ur,, Sifa ifat Sifat fat Umum dan Penggunaannya

Ada banyak aplikasi yang tidak sesuai didalam permesinan bila menggunakan logam atau polimer; keramik, intan, dan grafit di antaranya adalah bahan dengan sifat-sifat yang unik. Dalam Bab ini, kita menguraikan: Keramik: struktur dan sifat-sifatnya Jenis-jenis dan penggunaan khusus dari keramik Kaca: struktur, sifat-sifat, dan penggunaanya Intan : Sifat-sifat dan penggunaanya dalam permesinsan kasar dan permesinan halus Grafit : digunakan sebagai material cetakan dan sebagai serat dalam memperkuat plastic. • • • • •

8.1 Pendahuluan Beberapa jenis material dijelaskan dalam bab-bab sebelumnya yang tidak sesuai untuk aplikasi teknik tertentu. Seperti contoh: a. Sebuah isolator listrik yang dipergunakan pada temperatur tinggi. b. Ubin lantai untuk manahan tumpahan, lecetan, dan abrasi. c. Pembakar hidangan yang transparan. d. Bantalan bola kecil yang ringan, kaku, keras, dan tahan pada temperatur yang tinggi. e. Pesawat Pesawat ulang-al ulang-alik ik pengorbi pengorbit, t, terbuat terbuat dari aluminiu aluminium, m, bila bila suhu permukaa permukaan n mencapa mencapaii 14500 C dan yang tidak dibutuhkan masukan kembali keatmosfir. Dari beberapa contoh ini jelaslah bahwa sifat-sifat yang diperlukan adalah kekuatan terh terhad adap ap temp temper erat atur ur ting tinggi gi,, keke kekera rasa san, n, keta ketaha hana nan n dari dari baha bahan n kimi kimia, a, maka makana nan, n, dan dan lingkungan, tahan terhadap aus dan korosi; dan konduktivitas listrik dan termal yang rendah. Bab ini menjelaskan karakteristik umum dan penggunaan dari keramik, kaca, dan keramik kaca bahwa ini penting dalam pengguaan dipermesinan dan manufaktur. Karena karakteristik mereka yang unik, sifat dan penggunaan dari dua bentuk karbon, yaitu grafit dan intan, intan, juga dibahas dibahas di sini. sini. Pembuatan Pembuatan keramik keramik dan kaca dan berbagai berbagai membent membentuk uk dan operasi operasi penyele penyelesaia saian n secara secara rinci rinci dalam dalam Bab 1.8. 1.8. Komposi Komposit, t, yang merupakan merupakan kelompo kelompok k penting dari bahan, dijelaskan dalam Bab 9.

8.2 Struktur Keramik Keramik adalah senyawa dari unsur-unsur logam dan bukan logam. Istilah keramik (dari kata Yunani keramos, yang berarti pembuat barang tembikar tembikar tanah liat, dan keramikos, artinya artinya produk tanah liat) keduanya mengacun mengacun kepada bahan dan produk keramik itu sendiri. Karena Karena banyakny banyaknyaa kemungk kemungkinan inan kombinas kombinasii dari unsur-u unsur-unsur nsur,, beragam beragam keramik keramik sekarang sekarang 1

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.









tersedia untuk berbagai aplikasi industri dan konsumen. Keramik paling awal digunakan untuk membuat tembikar dan batu bata, sekitas sebelum 4.000 SM Keramik telah digunakan selama bertahun-tahun bertahun-tahun dalam otomotif sebagai busi baik sebagai isolator listrik dan kekuatan terhadap suhu yang tinggi. Mereka telah menjadi semakin penting dalam alat dan bahan bahan kuat bertahan, heat engines, komponen otomotif (seperti exhaust-port liners, pelapis piston, dan cylinder liners) Keramik dapat dibagi menjadi dua kategori umum: 1. Keramik tradisional-seperti whiteware, ubin, batu bata, sewer pipe, keramik, dan roda pengasah. 2. Keramik Industri (juga disebut keramik teknik , keramik teknologi tinggi, atau keramik halus) halus) sepert sepertii turbin turbin,, otomo otomoti tif, f, dan kompon komponen en kedir kedirgan gantar taraan aan;; heat heat exchan exchanger gers; s; semikonduktor; seals; prosthetics; dan alat pemotong. Struktur Struktur kristal keramik (terdiri dari berbagai ukuran atom yang berbeda) merupakan salah satu yang paling kompleks dari semua struktur bahan. Ikatan antara atom-atom ini umumnya ikatan kovalen (berbagi elektron, sehingga ikatan ini kuat) atau ion (terutama

Gambar 8.1 Variasi dari komponen komponen keramik (a) Alumina sangat kuat untuk penggunaan pada temperature tinggi. (b) Gas-Turbine Rotors Dibuat dari Silikon Nitrida. Sumber : Courtesy of Wesgo Div., GTE

ikatan antara antara ion bermuatan, bermuatan, sehingga ikatan ini kuat). kuat). Ikatan ini jauh lebih lebih kuat daripada daripada ikatan logam. Akibatnya, sifat-sifat sifat-sifat seperti kekerasan dan ketahanan panas dan listrik secara signifikan signifikan lebih tinggi keramik daripada logam. Keramik dapat berikatan kristal tunggal atau dalam bentuk polikristalin. Ukuran butir mempunyai pengaruh basar terhadap kekuatan dan sifat-sifat keramik; ukuran butir yang halus (sehingga dikatakan keramik halus), semakin tinggi kekuatan dan ketangguhannya.

8.2.1 Bahan Mentah









terdiri dari silikat aluminium, dengan lapisan ikatan lemah berselang-seling silikon dan ion alum alumini inium um.. Bila Bila ditam ditamba bahka hkan n ke kaoli kaolin, n, air mere meresap sap pada pada lapis lapisan an (adsor (adsorpsi psi). ). Hal Hal ini membuat membuat lapisan licin dan memberi memberi tanah liat basah yang terkenal baik kelembutan dan sifat plastik (hydroplasticity) yang membuatnya formable. Bahan mentah utama lainnya untuk keramik yang ditemukan di alam adalah flint (sebuah batu yang tersusun dari silica sangat halus,SiO2) dan feldspar (kelompok kristalin mineral mineral yang tersusun tersusun dari aluminiu aluminium m silikat silikat ditamb ditambah ah kalium, kalium, kalsium kalsium,, atau atau natrium natrium). ). Porselen adalah keramik putih terdiri dari kaolin,Quartz, dan feldspar; penggunaan paling b besa esarr pada pada alat alat alat alat keseh kesehat atan. an. Dalam Dalam keadaa keadaan n alami alami,, bahan bahan ment mentah ah ini umumny umumnyaa mengand mengandung ung kotoran kotoran dari berbagai berbagai jenis, jenis, yang yang harus harus dihilan dihilangkan gkan sebelum sebelum bahan bahan bahan bahan diproses lebih lanjut menjadi produk-produk bermanfaat dengan kinerja yang handal.

8.2.2 Keramik Oksida Ada dua jenis utama Keramik Oksida: Alumina dan Zirconia (Tabel 8.1) disebut juga amril atau korundum , alumina (aluminium oksida, Al2O3) Alumina. disebut adalah bahan Keramik Oksida yang paling banyak digunakan baik dalam bentuk murni atau sebagai bahan baku yang akan dicampur dengan oksida lainnya. alumina memiliki memiliki kekerasan yang tinggi dan cukup kuat. Meskipun alumina ada di alam, alumina diketahui mengandung sejumlah sejumlah kotoran dan sifat yang tidak seragam: hasilnya, hasilnya, perilakunya tidak dapat diandalkan. Aluminium oksida, silikon karbida, dan banyak keramik lainnya kini hampir seluruhnya diproduksi secara sintetik, sehingga kualitas mereka dapat dikendalikan. dikendalikan. Pertama kali dibuat pada tahun 1893, sintetis aluminium oksida diperoleh melalui peleburan bauksit cair (bijih aluminium oksida yang merupakan sumber utama dari aluminium), iron filings, dan coke dalam pembakaran oven listrik. Produk yang didinginkan adalah hancuran dari aluminium oksid oksidaa diteka ditekan n dingin dingin dan disin disinter ter (kera (kerami mik k putih) putih).. Sifa Sifatt merek merekaa diti ditingk ngkatk atkan an denga dengan n penambahan sedikit keramik lainnya, seperti titanium oksida dan titanium karbida. Struktur berisi alumina dan berbagai oksida lain dikenal sebagai mullite dan spinel; mereka digunakan sebagai bahan tahan panas untuk aplikasi pada temperatur tinggi. Mekanis dan sifat fisik alumina cocok terutama dalam aplikasi seperti kelistrikan dan isolator panas dan dalam alat pemotong dan alat pengamplas. Zirconia. Zirconia (Zirkonium oksida, ZrO2, berwarna putih) memiliki ketangguhan yang yang baik; baik; ketah ketahana anan n terha terhadap dap shock shock therm thermal, al, wear, wear, dan dan tahan tahan korosi korosi;; kon konduk dukti tivit vitas as termalnya rendah, dan koefisien gesekannya rendah. Partially Stabilized Zirconia (PSZ) memiliki kekuatan yang tinggi dan ketangguhan dan kehandalan dayaguna yang lebih baik darip daripada ada zirkon zirkonia. ia. Hal Hal ini ini dipero diperoleh leh dengan dengan penam penambah bahan an zirkon zirkonia ia dengan dengan oksida oksida dari dari kalsi kalsium um,, itri itrium um,, atau atau magne magnesi sium um.. Prose Prosess ini memb membent entuk uk bahan bahan denga dengan n parti partikel kel halus halus tetragonal tetragonal kubik zirkonia dalam kisi. Bahan baik untuk aplikasi pembuatan pembuatan dies untuk hot ekstrusi dan butiran butiran zirkonia digunakan untuk penggerindaan dan tersebar sebagai media pelapisan aerospace, untuk otomotif utama dan topcoats dan untuk mencetak fleksibel pada kemasan makanan.









mesin panas, seperti kapal dan paking katup silinder, untuk membantu membantu menjaga besi cor utuh dalam perakitan mesin. Transformation Transformation toughened zirconia (TTZ) (TTZ) memiliki memiliki ketangguhan ketangguhan yang lebih tinggi karena tahap kekerasannya tersebar dalam matriks keramik.

TABEL 8.1 Jenis dan Karakteristik umum keramik Jenis Keramik oksida Alumina

Zirconia Karbida Tungsten karbida

Titanium karbida

Silikon karbida Nitrida Cubic bic boro boron n nit nitride

Karakteristik umum kekerasan ti tinggi dan ke kekuatan se sedang; pa paling ba banyak digunak digunakan an untuk untuk keramik keramik;; alat alat pemotong pemotong;; Alat Pengam Pengamplas plas;; isolasi listrik dan termal. kekuatan dan ketangguhan tinggi; pemuaian panas dekati besi cor; cocok untuk aplikasi temperatur tinggi Kekerasan, kekuatan, dan ketahanan aus tergantung pada kandu kandunga ngan n pengik pengikat at kob kobal alty tya; a; sering sering diguna digunakan kan untuk untuk alat alat pemotong. Tidak setangguh Tungsten karbida; memiliki nikel dan Moly Mo lybd bden enum um seba sebaga gaii peng pengik ikat at;; digu diguna naka kan n seba sebaga gaii alat alat pemotong. Kuat terhadap temperature tinggi dan ketahanan aus; digunakan untuk heat engines dan sebagai alat pengamplas.

Bahan han kedua edua paling keras ras yang dik diketa etahui, ui, set setelah inta ntan; digunakan sebagai alat pengamplas dan alat pemotong. Titanium nitride Berwarna emas digunakan sebagai lapisan karena karakteristik gesekannya rendah. Silikon nitrida Ketahanannya tinggi terhadap perlahan maupun shock thermal; digunakan dalam aplikasi temperatur tinggi. Sialon Terdiri dari silikon nitrida dan oksida dan karbida; digunakan sebagai alat pemotong. Terdi Terdiri ri dari dari oksida oksida,, karbid karbidaa dan dan nitri nitrida; da; digun digunak akan an dalam dalam Sermet aplikasi temperaturtinggi. menunjukan efek piezoelektrik; piezoelektrik; silikat yang Silika Tahan terhadap temperatur tinggi; quartz menunjukan meng mengan andu dung ng berb berbag agai ai oksi oksida da digu diguna naka kan n dala dalam m apli aplika kasi si nonstructural tempertur tinggi. Mengandung ng paling paling sedikit sedikit 50 persen persen silika; silika; struktur struktur tak beratura beraturan; n; beberapa beberapa jenis jenis Kaca Mengandu tersedia luas dengan berbagai sifat mekanis dan fisik. Memp Mempun unya yaii komp kompon onen en kris krista tall ting tinggi gi dala dalam m stru strukt ktun unya ya;; Keramik kaca ketahanan shock thermal yang baik dan kuat. Kompone onen n krist kristal al terdi terdiri ri dari dari karbon karbon;; kon konduk dukti tivi vitas tas listr listrik ik dan term termal al tingg tinggi; i; Grafit Komp









Tunggal Tungg al atau atau bentuk bentuk polik polikris ristal talin in;; digun digunaka akan n sebag sebagai ai alat alat pemotong dan alat pengamplas

Contoh 8.1 Pisau Keramik Penggunaan keramik sekarang sedang diperluas ke pisau keramik yang umumnya terbuat dari zirkonium oksida. Pisau keramik diproduksi dengan proses yang dimulai dengan menyam menyampurk purkan an bubuk bubuk keramik keramik dengan dengan berbagai berbagai ikatan ikatan dan dipadatk dipadatkan an (dibentu (dibentuk) k) dalam dalam 0 tekanan yang tinggi. Ini kemudian dibakar (disinter) pada suhu di atas 1.000 C selama beb beber erap apaa hari hari.. Kemu Kemudi dian an digi digili ling ng dan dan dipo dipole less pada pada roda roda inta intan n sehi sehing ngga ga berb berben entu tuk k ketajamannya, dan pegangannya dipasang. Skala Mohs (bagian 2.6) dari keramik oksida zirkonium zirkonium adalah 8.2, dibandingkan dibandingkan untuk pengerasan pengerasan baja dengan 6 dan maksimal maksimal 10 untuk intan. Di anta antara ra keun keuntu tung ngan an pisa pisau u kera kerami mik k dari daripa pada da pisa pisau u baja baja:: a. Kare Karena na mere mereka ka mempunyai ketahanan aus dan kekerasan yang sangat tinggi, pisau keramik dapat berbulan bulan dan bahkan bertahun-tahun sebelum penajaman. b, mereka lamban terhadap bahan kimia. Akibatnya, mereka tidak bernoda, makanan tidak menempel (sehingga mudah untuk bersih) bersih) dan mereka mereka tidak meningg meninggalka alkan n rasa atau bau logam. c. Karena Karena mereka ringan, mereka lebih mudah untuk digunakan. Pisau harus disimpan dalam blok pisau kayu, dan memegangnya dengan hati-hati. Keta Ketaja jama mann nnya ya berd berdam ampa pak k terh terhad adap ap bend bendaa-be bend ndaa lain lainny nyaa (sep (seper erti ti mere meremu muka kan n atau atau menjatuhkannya pada tepi pada permukaan yang keras) harus dihindari, sebagai pisau tajam dibagian dibagian pinggir pinggir dapat dapat menghas menghasilka ilkan n tatal. tatal. Juga, Juga, mereka mereka harus harus digunaka digunakan n hanya hanya untuk untuk memotong (tidak untuk membongkar) dan dalam memotong daging, kontak dengan tulang ini tidak tidak dianjurk dianjurkan. an. Pisau harus harus diasah diasah di tepi tepat seperti seperti dari pabrik sehingga sehingga berbentuk berbentuk digunaka digunakan n roda grinding grinding intan. intan. Pisau Pisau keramik keramik lebih lebih mahal mahal daripada daripada pisau pisau baja, baja, biasany biasanyaa mulai dari $ 60 untuk sebuah pisau 75 mm sampai $ 250 untuk 150 mm pisau bergerigi. Sumber: Courtesy of Kyocera Corporation.

8.2.3 keramik lainnya Sebagian besar dari jenis keramik lain dapat diklasifikasikan sebagai berikut: Ciri karbida karbida yaitu yaitu terbuat terbuat dari tungsten tungsten dan titanium titanium (diguna (digunakan kan sebagai sebagai alat Karbida. Ciri pemotong pemotong dan bahan cetakan) dan silikon (digunakan sebagai alat pengamplas, pengamplas, terutama roda grinda), beberapa contoh dari karbida adalah:  Tungsten karbida (WC) terdiri dari partikel tungsten karbida dengan kobalt sebagai pengik pengikat. at. Jumlah Jumlah bahan bahan pengikat pengikat memili memiliki ki pengaruh pengaruh besar besar terhadap terhadap sifat-si sifat-sifat fat bahan; bahan; ketangguhan ketangguhan meningkat meningkat dengan kandungan kobalt, kobalt, sedangkan kekerasan, kekerasan, kekuatan kekuatan dan ketahanan aus menurun.  Titanium karbida (TiC) memiliki nikel dan molibdenum sebagai pengikat dan tidak setangguh tungsten karbida.









1891, silikon karbida sintetis terbuat dari pasir silika, coke dan sejumlah kecil natrium klorida dan serbuk gergaji. Proses ini mirip dengan membuat sintetik aluminium oksida Nitrida. Kelas lain keramik adalah nitrida, contoh-contoh di antaranya adalah:  Cubic Boron nitrida (CBN) adalah bahan paling keras kedua (setelah intan) dan memiliki aplikasi khusus, seperti pada alat pemotong dan grinda pengasah. Tidak terdapat di alam dan dan sinte sinteti tik k perta pertama ma kali kali dibuat dibuat pada pada 197 1970-a 0-an n mela melalu luii tekni teknik k serup serupaa dengan dengan yang yang digunakan dalam pembuatan intan sintetis  Titanium nitrida (TiN) (TiN) digunaka digunakan n secara secara luas sebagai sebagai lapisan lapisan dalam dalam alat alat pemoton pemotong, g, memperbaiki umur alat berdasarkan karakteristik gesekan yang rendah. N4) memiliki resistansi tinggi pada temperatur tinggi yang bergerak  Silikon nitrida (Si3 N perlahan perlahan lahan, ekspansi termal rendah, dan konduktivitas termal yang tinggi. Akibatnya, Akibatnya, tahan terhadap thermal shock. Hal ini cocok untuk aplikasi struktural suhu tinggi, seperti pada mesin otomotif dan komponen Turbin gas, cam follower rollers, bantalan, sand blast nozzles dan komponen untuk industri kertas. Sialon. Sialon terdiri dari silikon nitrida dengan berbagai penambahan aluminium oksida, ittr ittrium ium oksid oksidaa dan dan tita titani nium um karbid karbida. a. Sial Sialon on memi memili liki ki kekuat kekuatan an yang yang lebi lebih h tingg tinggii dan ketahanan ketahanan thermal thermal shock dari silikon nitrida. Saat ini, sialon digunakan terutama sebagai alat pemotong bahan. Kata sialon berasal dari silikon, aluminium, oksigen dan nitrogen. alah pen penyatuan dari ari ikata atan fase ker keramik den dengan gan fase logam gam. Sermet . Sermet adala Diperkenalkan Diperkenalkan pada tahun 1962 dan juga disebut keramik hitam atau keramik keramik tekanan panas, mereka mereka menggabu menggabungka ngkan n ketahan ketahanan an oksidasi oksidasi suhu tinggi tinggi keramik keramik dengan dengan ketanggu ketangguhan, han, ketahanan ketahanan thermal shock dan keuletan dari logam. logam. Penerapan Penerapan umum sermet sermet adalah dalam alat pemotong dengan komposisi yang khas menjadi 70% Al2O3 dan 30% TiC. Sermet lainnya mengandung berbagai oksida, karbida dan nitrida. Mereka telah dikembangkan untuk aplikasi temperatur tinggi, seperti nozel untuk mesin jet dan rem untuk pesawat. Sermet dapat dianggap sebagai material komposit, mereka dapat digunakan dalam berbagai kombinasi ikatan dengan keramik dan logam dengan teknik metalurgi serbuk.

8.2.4 Silika. Berlimpah di alam, silika adalah bahan yang polimorfik, ia dapat memiliki struktur kristal yang berbeda (sebagai contoh, struktur kubik ditemukan dalam batu bata tahan api yang yang digunaka digunakan n untuk untuk aplikas aplikasii pembaka pembakaran ran suhu tinggi) tinggi).. Kebanya Kebanyakan kan kaca kaca mengandu mengandung ng lebih dari 50% silika. Bentuk yang paling umum dari silika adalah Quartz, dimana keras, kristal heksagonal kasar digunakan secara ekstensif dalam aplikasi komunikasi sebagai kristal berosilasi frekuensi tetap karena menunjukkan efek piezoelektrik. Silikat merupakan produk dari reaksi silika dengan oksida aluminium, magnesium, kalsium, kalium, natrium dan besi; contoh tanah liat, asbes, mika dan silikat kaca Lithium aluminium silikat mempunyai ekspansi termal yang sangat rendah dan konduktivitas termal dan ketahanan thermal shock yang baik. Namun, juga memiliki kekuatan dan fatique life











Dalam rangka untuk untuk meningkatkan meningkatkan keuletan dan sifat yang yang dibuat dari keramik, keramik, ukuran partikel keramik telah dikurangi dengan menggunakan berbagai teknik, seperti gas kondensa kondensasi. si. Disebut Disebut nanocer nanocerami amics cs atau nanophas nanophasee keramik keramik,, bahan-ba bahan-bahan han ini terdiri terdiri dari kelompok kelompok atom yang berisi berisi beberapa beberapa ribu atom. atom. Pengawa Pengawasan san penting penting terhadap terhadap ukuran ukuran partikel, distribusition, dan kontaminasi dalam keramik ini. Keuletan pada Nanoceramics secara signifikan signifikan menunjukkan menunjukkan suhu lebih rendah daripada keramik keramik konvensional konvensional dan lebih kuat dan lebih mudah untuk dibuat dan untuk kerusakan mesin dengan lebih sedikit. Aplikasi sekarang ini dalam industri otomotif (seperti katup, rocker arms, turbocharger rotor dan Tabung silinder) dan dalam komponen mesin jet. Nanocrystalline partikel fasa kedua (di urutan 100 nm atau kurang) dan serat juga digunaka digunakan n sebagai sebagai penguat penguat dalam dalam komposit komposit.. Komposi Kompositt ini telah telah meningk meningkatka atkan n sifat-si sifat-sifat, fat, seperti kekuatan tarik dan ketahanan mulur. (Lihat juga Nanomaterials dalam bagian 6.16)

8,3 Sifat Sifat Umum Dan Aplikasi Keramik Dibandingkan Dibandingkan dengan logam, keramik biasanya memiliki karakteristik relatif sebagai berikut; rapuh, kekuatan dan kekerasan tinggi pada temperatur yang meningkat; modulus elastis elastisitas itas tinggi; tinggi; ketanggu ketangguhan, han, kepadata kepadatan, n, expansi expansi panas panas yang rendah rendah dan kondukti konduktivit vitas as listrik dan panasnya panasnya rendah. Namun, Namun, karena bervariasi bervariasi jenis bahan dan komposisi komposisi ukuran butir, butir, sifat sifat mekanik mekanik dan sifat sifat fisik fisik keramik keramik berubah berubah secara secara signifik signifikan. an. Sebagai Sebagai contoh, contoh, kondukti konduktivit vitas as listrik listrik keramik keramik dapat dapat dimodif dimodifikas ikasii dari kurang kurang menjadi menjadi baik, baik, perubaha perubahan n belakang ini adalah prinsip semikonduktor. Karena kepekaan terhadap kekurangan, cacat, dan permukaan permukaan atau keretakan internal; kehadiran kehadiran berbagai jenis dan tingkat kotoran; kotoran; dan metode yang berbeda berbeda membuat membuat keramik dapat memiliki berbagai sifat. Meskipun karakteristik karakteristik individu keramik keramik yang telah diuraikan diuraikan dalam bagian 8.2, secara umum sifat mekanik dan fisik akan dijelaskan selanjutnya.

8.3.1 Sifat Mekanik Sifat-s Sifat-sifa ifatt mekanik mekanik beberapa beberapa keramik keramik teknik teknik disajik disajikan an pada tabel tabel 8.2. 8.2. Perhati Perhatikan kan bahwa kekuatan tegangan tarik mereka (kekuatan pecah melintang, bagian 2.5) besarnya adalah sekitar satu urutan lebih rendah daripada kekuatan kompresi. Alasan untuk ini adalah kepekaan retak mereka, ketidakmurnian dan porositas. Menyebabkan cacat seperti inisiasi dan propagasi retak di bawah tegangan tarik dan mengurangi kekuatan tarik parah. Dengan









2

E = E 0(1-1.9P+0.9P )

(8.2)

Di mana E0 adalah modulus porositas nol. Tabel 8.2 Sifat Sifat Dari Berbagai Jenis Keramik Pada Temperature Ruangan

Material

Alumunium Oksida Cubic Boron Nitrida Intan Paduan Silika Silikon Karbida Silikon Nitrida Titanium Karbida Tungsten Karbida Partially Stabilized Zirkonia

Lambang

Kekuatan Putus Melintang (Mpa)

Kekuatan Tekan (Mpa)

Modulus Elastisits (Gpa)

Kekerasan (HK)

Poisson 's Ratio (v)

Kepadatan (kg/m3)

Al2O 3

1 4 0 - 24 0

1000-2900

3 10 - 41 0

2000-3000

0.26

4000-4500

CBN

7 25

70 0 0

8 50

4000-5000

-

34 80

-

14 0 0

70 00

8 30 - 1 00 0

7000-8000

-

35 0 0

SiO2

-

13 0 0

70

5 50

0.25

-

SiC

1 0 0 - 75 0

7 00 - 35 00

2 40 - 4 8 0

2100-3000

0.14

31 00

Si3N 4

4 8 0 - 60 0

-

3 00 - 31 0

2000-2500

0.24

33 00

TiC

1 4 00 - 1 9 0 0

3100-3850

3 1 0 - 41 0

1800-3200

-

5500-5800

WC

1 0 30 - 2 6 0 0

4100-5900

5 20 - 70 0

1800-2400

-

1000015000

PSZ

6 20

-

2 00

1 10 0

0.30

58 00

Tidak seperti kebanyakan logam dan termoplastik, termoplastik, keramik secara umum berdampak berdampak kurangnya ketangguhan dan ketahanan shock thermal karena kurangnya keuletan inheren; pertama dimulai, dari retakan yang menjalar dengan cepat. Selain mengalami kegagalan fatik di bawah siklik muatan, keramik (terutama kaca) memperlihatkan fenomena yang disebut









Kemaju Kemajuan an besar besar telah telah dilakuk dilakukan an dalam dalam meningk meningkatka atkan n ketangg ketangguhan uhan dan sifat-si sifat-sifat fat keramik lainnya, termasuk pengembangan penggunaan mesin dan penggerindaan keramik. Di antara kemajuan ini adalah pilihan yang tepat dan pengolahan bahan baku, pengawasan kemurni kemurnian an dan struktur struktur,, dan pengguna penggunaan an bala bantuan dengan dengan penekana penekanan n khusus khusus pada metode analisa tegangan lanjutan selama desain komponen keramik.

8.3.2 Sifat Fisik Kebanyakan keramik mempunyai bobot yang relatif rendah, mulai dari sekitar 3-5,8 untuk keramik oksida dibandingkan dengan 7,86 untuk besi (tabel 3.1) Mereka mempunyai titik leleh atau dekomposisi pada tempertura yang sangat tinggi. Kondukti Konduktivita vitass termal termal keramik keramik bervaria bervariasi si sebanya sebanyak k tiga urutan urutan (tergan (tergantung tung pada komposisi mereka), mereka), sedangkan pada logam, berbeda-beda dengan hanya satu urutan. Seperti pada bahan lain, konduktivitas termal keramik berkurang dengan meningkatnya temperatur dan porosit porositas, as, karena karena udara udara merupak merupakan an kondukto konduktorr termalya termalyang ng tidak tidak baik. baik. Kondukt Konduktivit ivitas as termal k adalah berkaitan dengan positas oleh K = k 0

(1 - P)

(8.3)

Di mana k 0 adalah konduktivitas termal nol porositas dan P adalah porositas sebagai fraksi dari total volume. Ekspansi termal dan konduktivitas termal menyebabkan tekanan internal yang dapat laed laed untuk untuk shock shock therma thermall atau atau kelelah kelelahan an panas panas dalam dalam keramik keramik.. Kecender Kecenderunga ungan n ke arah cracking termal (disebut spalling ketika sepotong kecil atau lapisan dari permukan breaks off) yang lebih rendah dengan kombinasi dari ekspansi termal rendah dan konduktivitas termal yang tinggi. Sebagai contoh, leburan silika memiliki ketahanan shock thermal yang tinggi karena ekspansi termalnya hampir nol. Sebuah Contoh yang menggambarkan pentingnya ekspansi termal yang rendah adalah keramik tahan panas untuk peralatan masak dan kompor listrik bagian atas, (Lihat juga keramik kaca, Bagian 8.5). Mereka dapat menopang gradient temperatr temperatr tinggi, dari panas ke ke dingin dan sebaliknya sifat buruk. Selain itu, ekspansi termal yang sama baik antara keramik dan logam adalah penting sebab dari penggunaan komponen keramik pada heat engines. Kenyataan Kenyataan bahwa konduktivitas termal pada komponen partially stabilized stabilized zirconia dengan tertutup bahwa dari besi cor di blok mesin keuntungan tambahan dari penggunaan









penampilan putih. Meskipun pada dasarnya keramik adalah resistor, mereka dapat dibuat konduktor listrik dengan memaduan mereka dengan unsur-unsur tertentu dalam rangka untuk membuat keramik bertindak seperti semikonduktor atau bahkan seperti superkonduktor.

8.3.3 Aplikasi Keramik Keramik memiliki banyak penggunaan oleh konsumen dan industri. Berbagai jenis keramik digunakan dalam industri listrik dan elektronik, karena mereka memiliki tahanan listrik yang tinggi, kekuatan dielektrik yang tinggi (tegangan yang dibutuhkan untuk breakdown listrik per unit ketebalan) dan sifat-sifat magnetik cocok untuk aplikasi seperti magnet dalam pengeras suara Kema Kemamp mpua uan n kera kerami mik k untu untuk k memp memper erta taha hank nkan an keku kekuat atan an dan dan keka kekaku kuan an pada pada temp tempera eratu turr tingg tinggii memb membua uatt merek merekaa sangat sangat menar menarik ik untuk untuk aplik aplikasi asi temp tempera eratu turr tingg tinggi. i. Pengoperasi pada temperature yang lebih tinggi dimungkinkan oleh penggunaan komponen keramik berarti pembakaran lebih efisien bahan bakar dan pengurangan emisi dalam mobil. Saat ini, efisien pembakaran internal mesin hanya sekitar 30%, tetapi dengan menggunakan komponen keramik, kinerja operasi dapat ditingkatkan paling sedikit 30%. Banyak penelitian telah dilakukan pada pengembangan bahan dan teknik untuk semua heat heat engi engine ne kera kerami mik k yang ang mam mampu bero berope pera rasi si pada pada tem tempera peratu turr hing hingga ga 1000 10000C. Bagaimanapun, Bagaimanapun, Kemajuan Kemajuan yang diharapkan diharapkan berjalan lambat karena masalah-masalah masalah-masalah seperti tidak tidak dapat dapat diandalk diandalkan, an, kurang kurang ketanggu ketangguhan han , kesuli kesulitan tan dalam dalam pelumas pelumas bantalan bantalan dan komponen panas, belum terpenuhi kebutuhan teknik evaluasi yang tidak merusak yang dapat diandalk diandalkan, an, dan kurangny kurangnyaa kemamp kemampuan uan untuk untuk struktu struktural ral keramik keramik (sepert (sepertii silikon silikon silikon silikon nitrida dan karbida) untuk dapat diproduksi secara ekonomis dalam bentuk bersih, seperti ditimba ditimbang ng dengan dengan mesin mesin dan proses proses finishin finishing g yang yang diperluk diperlukan an untuk untuk kebutuha kebutuhan n akurasi akurasi dime dimensi nsi dari dari mesin mesin.. Keram Keramik ik yang yang sedang sedang sukse suksess diguna digunakan kan,, khu khusus susny nyaa di kompon komponen en otomotif otomotif mesin turbin gas (seperti rotor), adalah silikon nitrida, silikon karbida, dan partially partially stabilized zirconia. Pelapisan logam dengan keramik adalah aplikasi lain; hal itu dapat dilakukan untuk penurunan pemakaian, mencegah korosi, atau memberikan penghalang termal. Ubin pada pesawat ulang-alik, misalnya, yang terbuat dari serat silika mempunyai struktur sel terbuka yang terdiri dari 5% silika. Bagian lain dari struktur ubin udara, sehingga keramik tidak hanya sangat ringan di beratnya tapi juga merupakan penghalang panas yang sangat baik.









tinggi yang dipakai membuat mereka cocok untuk aplikasi seperti silinder liners, Bushings, seals, bantalan dan kapal untuk silinder dan gun barel.

Contoh 8.2 Keramik Gun Barrel Keta Ketahan hanan an aus dan kepad kepadat atan an yang yang renda rendah h dari dari keram keramik ik tela telah h meny menyeba ebabka bkan n penyelidikan mengenai penggunaan mereka sebagai gun barrel. Keberhasilan mereka yang terbatas telah menyebabkan perkembangan lebih baru dalam pembuatan keramik komposit gun barel, barel, yang yang telah telah meningk meningkatka atkan n kinerja kinerja baja baja tradisi tradisional onal barel. Kaliber Kaliber 50 keramik keramik zirkonia barel dibentuk dalam beberapa segmen yang terpisah, masing-masing 150-200 mm dan panjang dengan ketebalan dinding 3,75 mm dengan pembentukan pembentukan dan proses sinter yang diuraikan dalam bagian 17.9 Segmen selanjutnya selanjutnya adalah adalah dimesin untuk mendapatkan mendapatkan dimensi dimensi yang diiginkan dan penyelesaian penyelesaian pada permukaan. permukaan. Zirconia Zirconia telah dipilih dipilih untuk ketangguhannya ketangguhannya yang yang tinggi, kekuatan lentur, spesifik panas, temperatur operasi, dan konduktivitas termal yang sangat rendah. Sifat termal penting bagi kinerja laras dan peluru. Segmen keramik yang terpisah bergabung dan laras dibungkus dengan serat karbon / compsite matriks polimer yang mana keramik barrel sebagai subjek dengan tekanan kompresi 690 Mpa, sehingga sangat meningkatkan kapasitasnya untuk menahan tegangan tarik yang ber berke kemb mban ang g sela selama ma pemb pembak akar aran an.. Bagi Bagian an dala dalam m dari dari lara larass kemu kemudi dian an meng mengge gele leda dah h (memotong alur spiral internal untuk memberikan rotasi ke peluru keluar untuk stabilitas gyroscopic) dan dipasang gagangnya. Sumber: Courtesy of KH Kohnken, Permukaan P ermukaan konversi Technologies, Inc, Cumming, Georgia.

Ceramic 8,3 Bantalan keramik bola dan rol Bantal Bantalan an keramik keramik Silicon Silicon nitrida nitrida bola dan rol digunaka digunakan n saat tempera temperatur tur tinggi, tinggi, kecepatan tinggi, atau secara garis besar kondisi dilumasi terjadi. Bantalan dapat dibuat sepenuhnya sepenuhnya dari keramik atau hanya bola dan rol adalah keramik dan arena adalah logam, di mana mereka disebut sebagai bantalan hibrida. Contoh mesin memanfaatkan keramik dan bantalan hibrida termasuk alat mesin kinerja tinggi, logam dapat kepala seaming, aliran kecepatan tinggi meter dan pesawat ulang-alik roket pendorong utama pompa oksigen dan hidrogen cair.











Gambar 8.2 ( Lanjutan ) Bola Bola keramik keramik mempuny mempunyai ai tolerans toleransii diameter diameter 0,13 μm dan kekasara kekasaran n permukaa permukaan n 0.02μm. Mereka memiliki ketahanan aus yang tinggi, ketangguhan fraktur tinggi, kinerja yang baik dengan sedikit atau tanpa pelumas dan memiliki kerapatan yang rendah. Bola memiliki koefisien ekspansi termal yang seperempat dari baja, dan mereka dapat bertahan hingga suhu 14000C. Dihasilk Dihasilkan an dari dari titaniu titanium m dan karbon karbon nitrida nitrida dengan dengan menggun menggunakan akan teknik teknik metalur metalurgi gi bubuk, bubuk, kepadata kepadatanny nnyaa penuh penuh dengan dengan titaniu titanium m carbonit carbonitride ride (TiCN) (TiCN) atau atau silikon nitrida (Si3 N N4) nilai bahan bantalan dapat dua kali sekeras baja kromium dan 40% lebih ringan. Komponen hingga diameter 300 mm dapat dihasilkan.

Karena kekuata kekuatan n dan kelamban kelambanan, an, keramik keramik digunaka digunakan n sebagai sebagai biomate biomaterial rial Biokeramik . Karena (Bioceramics) untuk mengganti sendi dalam tubuh manusia, sebagai perangkat palsu, dan dalam dalam peraw perawat atan an gigi. gigi. Bioce Bioceram ramics ics yang yang umum umum digun digunak akan an adala adalah h alum alumini inium um oksi oksida, da, hidroksil apatit, tricalcium fosfat, silikon nitrida, dan berbagai senyawa silika. Penanaman









dengan mekanik khusus, kelistrikan, temperatur tinggi, anti kimia, korosi dan karakteristik optik. Kaca khusus digunakan dalam serat optik (untuk komunikasi dengan cahaya dengan sedikit kerugian pada kekuatan sinyal) dan dalam serat kaca dengan kekuatan yang sangat tinggi (untuk digunakan dalam memperkuat plastik) Semua kaca berisi minimal 50% silika, yang dikenal sebagai mantan kaca. Komposisi dan sifat kaca sangat dapat dimodifikasi dengan penambahan aluminium oksida, natrium, kalsium, barium, boron, magnesium, titaniun, lithium, memimpin dan kalium. tergantung pada fungsi mereka, oksida ini dikenal sebagai perantara

8.4.1 Jenis Gelas Hampir semua kaca komersial yang dikelompokkan menurut tipe  Kaca soda kapur  Kaca alkali  Kaca borosilikat  Kaca aluminosilikat  Kaca silika 96 %  Kaca paduan silika Kaca juga digolongkan menurut warna, buram (putih dan bening), ragam (berbagai bentuk) bentuk),, optik, optik, photochr photochroma omatic tic (gelap (gelap ketika ketika terkena terkena cahaya cahaya,, seperti seperti dalam dalam kaca hitam) hitam),, fotosensitif, (berubah dari bening menjadi buram), fibrosa (ditarik ke serat yang panjang, seperti dalam fiberglass). dan busa atau seluler (berisi gelembung, sehingga isolator termal yang baik). kaca juga dapat disebut menurut keras atau lunak, biasanya dalam pengertian termal daripada sifat mekanik (lihat juga kekerasan kaca) dengan demikian, kaca lembut melembutkan pada suhu yang lebih rendah daripada kaca yang keras. soda alkali kapur









Paling Baik

Agak Baik

Kurang

Paling Kurang

Baik

Baik

Kurng

Tidak Ada

Tidak Ada

Kurang

Agak Baik

Baik

Lebik Baik

Paling Baik

Dampak perlawanan abrasi

Agak Baik

Kurang

Baik

Baik

Paling Baik

Transmisi Sinar ultraviolet

Kurang

Kurang

Agak Baik

Baik

Baik

Biaya Relatif

Paling Rendah

Rendah

Sedang

Tinggi

Hot Workability

Baik

Heat Treatability Tahanan Terhadap Bahan Kimia

Paling Tinggi

8.4.2 Sifat Mekanik Perilaku dari kaca, seperti kebanyakan keramik, umumnya dianggap sebagai elastis sempurna dan rapuh. Modulus elastisitas untuk rentang kaca komersial kebanyakan hingga 90 GPa dan poissons rasio dari 0,16 hingga 0,28. Kekerasan kaca, sebagai langkah perlawanan terhadap goresan, berkisar 5-7 pada skala Mohs, yang kira-kira setara dengan kisaran dari 350 sampai 500HK Sebagian Sebagian besar kaca umumnya umumnya memiliki kekuatan kekuatan kurang dari 140 Mpa. Mpa. Kekuatan Kekuatan relatif rendah dari sebagian besar kaca tersebut menunjukan hadirnya kekurangan kecil dan microcracks di permukaannya, beberapa atau semua yang mungkin diperkenalkan selama penanga penanganan nan normal normal dari kaca cacat cacat abrading abrading.. Kerusaka Kerusakan n ini mengura mengurangi ngi kekuata kekuatan n kaca besarnya dua dari tiga urutan, dibandingkan dengan kekuatan ideal (cacat bebas). Kaca dapat diperkuat dengan perlakuan panas atau kimia untuk memperoleh kekuatan dan ketangguhan yang tinggi. Kekuatan dari kaca secara teori dapat mencapai 35 Gpa. ketika kaca cair baru saja ditarik ke dalam serat (fiberglass), (fiberglass), maka kekuatan tarik berkisar 0,2-7 Gpa, dengan nilai









pembiasan) dapat diubah dengan mengubah komposisi dan perlakuannya. Kaca umumnya tahan terhadap serangan kimia dan tergolong tahan terhadap korosi oleh asam, alkali atau air

8.5 Keramik Kaca Meskipun Meskipun kaca tidak tidak berbentu berbentuk, k, keramik keramik kaca (sepert (sepertii pyrocera pyroceram, m, nama nama dagang) dagang) memilik memilikii komponen komponen mikrost mikrostrukt ruktur ur kristali kristalin n tinggi. tinggi. Kaca Kaca keramik keramik berisi berisi beberapa beberapa oksida oksida dengan proporsi yang besar, dan dengan demikian, sifat-sifat mereka merupakan kombinasi dari orang- kaca dan - keramik. Kebanyakan keramik kaca lebih kuat daripada kaca. Produk ini pertama kali dibentuk ketika perlakuan panas, dengan devitrification (rekristalisasi) dari kaca terjadi. Tidak seperti kebanyakan kaca, keramik kaca pada umumnya jelas putih atau warna abu-abu. Kekerasa Kekerasan n keramik keramik kaca berkisar berkisar sekitar sekitar 520-650 520-650 HK. Mereka Mereka memili memiliki ki koefisie koefisien n ekspansi termal mendekati nol; sebagai akibatnya, mereka memiliki ketahanan thermal shock yang tinggi. Mereka kuat, karena tidak adanya porositas biasanya ditemukan pada keramik konvensional. Sifat dari keramik kaca dapat ditingkatkan dengan memodifikasi komposisinya dan oleh teknik perlakuan panas. Pertama kali dikembangkan dikembangkan pada tahun 1957, keramik kaca cocok untuk peralatan masak, heat exchangers dalam mesin turbin gas, radomes (antena radar untuk perumahan) dan aplikasi listrik dan elektronik.

8,6 Grafit Grafit adalah bentuk kristal karbon yang memiliki struktur berlapis dengan bidang dasar dasar atau atau lemb lembara aran n meme memenuh nuhii atom atom karbon karbon tertu tertutup tup.. Akiba Akibatn tnya ya,, grafi grafitt lema lemah h ketik ketikaa dipotong sepanjang lapisan. Karakteristik Karakteristik ini, pada gilirannya, gilirannya, memberikan grafit gesekan yang yang rend rendah ah seba sebaga gaii pelu peluma mass pada padat. t. Namu Namun, n, sifa sifatt gese geseka kan n itu itu rend rendah ah hany hanyaa dala dalam m









Gambar 8.3 (a) Macam macam komponen permesinan yang terbuat dari Grafit. Source: Courtesy of Poco Grafhite, Inc., a Unocal Co. (b) Contoh dari Grafit elektoda electrical dischange machining. Source: Courtesy of Unicar, Inc

penggunaan an penting penting grafit grafit adalah adalah sebagai sebagai serat serat yang yang memperk memperkuat uat Grafit Grafit serat. serat. pengguna plastik dan material komposit, seperti yang dijelaskan di bagian 9.2 Foams ini memilik memilikii sifat-si sifat-sifat fat penting penting untuk untuk peralat peralatan an Grafit karbon dan foams . Foams temperatur tinggi, tahan bahan kimia, ekspansi termal rendah, dan sifat termal dan listrik yang dapat disesuaikan untuk aplikasi tertentu. Foams karbon yang tersedia baik dalam struktur graphitic atau nongraphitic. Graphitic Foams (biasanya dihasilkan dari minyak bumi, batu bara tar, dan sintetik pithes) memiliki kerapatan yang rendah, konduktivitas panas dan listr listrik ik yang yang tingg tinggii (tet (tetapi api kekuat kekuatan an mekan mekanik ik yang yang lebi lebih h rendah rendah), ), dan jauh jauh lebih lebih maha mahall daripada Nongraphitic Foams (dihasilkan dari batubara atau resin organik), yang mana sangat











secara komersial sampai saat ini. Nanotube paling sering dikutip sebagai bahan bangunan alami untuk sistem microelectromechanical baru.

8,7 Intan Intan Intan adala adalah h bentu bentuk k utama utama dari dari karbo karbon n denga dengan n strukt struktur ur kov koval alen. en. Intan Intan adala adalah h substansi paling keras yang diketahui (7.000 hingga 8.000 HK). Namun, rapuh dan mulai mengurai di udara sekitar 7000C, tapi tahan terhadap suhu yang lebih tinggi di lingkungan oksidasi. Sintet Sintetis is intan (sebutan (sebutan diindustri diindustri)) pertama pertama kali dibuat dibuat pada tahun tahun 1955. Metode umum pembuatan pembuatan adalah subjek grafit grafit dengan tekanan hidrostatik hidrostatik 14 GPa dan temperatur temperatur 0 3000 C. Sintetis Sintetis intan identik dengan intan intan alami. Sintetis Sintetis intan memiliki memiliki sifat-sifat unggul unggul dari kurangn murninya dan digunakan secara luas dalam aplikasi industri. Sintetis intan tersedia dalam berbagai ukuran dan bentuk; untuk mesin kasar, pasir yang halus yang paling umum adalah berdiameter berdiameter 0,01 mm. Diamond Diamond like karbon (DLC) (DLC) juga telah dikembangkan dikembangkan dan digunaka digunakan n sebagai sebagai lapisan lapisan film film intan, intan, seperti seperti yang yang dijelas dijelaskan kan dalam dalam bagian bagian 34.13. 34.13. Partikel Intan juga dapat dilapisi dengan nikel, tembaga, atau titanium untuk meningkatkan









aus dan korosi. Bagian penting penting dalam desain dan pembuatan pembuatan keramik adalah keramik keramik oksida (alumina dan zirkonia), tungsten dan silikon karbida, nitrida dan sermet. Kaca Kaca adalah adalah cairan yang superdingi superdingin n dan tersedia tersedia dalam berbagai berbagai komposisi komposisi dan mekanis mekanis,, fisik, fisik, dan optikny optiknya. a. Keutama Keutamaan an keramik keramik kaca adalah dalam dalam struktur struktur kristal kristal dan mempunyai sifat yang lebih diperlukan sekali daripada gelas. Sebagian Sebagian besar kaca memiliki kekuatan yang relatif rendah, tapi kaca dapat diperkuat dengan perlakuan panas dan kimia untuk memperoleh kekuatan dan ketangguhan tinggi. Kaca serat digunakan secara luas sebagai bahan penguat dalam material komposit, seperti plastik yang diperkuat serat. Grafi Grafit, t, fulle fulleren renes, es, dan inta intan n adalah adalah bentuk bentuk-be -bentu ntuk k karbon karbon yang yang menam menampil pilkan kan kombinasi sifat yang tidak biasa. Bahan ini memiliki beberapa aplikasi yang unik dan muncul dalam bidang teknik dan manufaktur. manufaktur. Grafit memiliki memiliki aplikasi pada temperature temperature tinggi dan listrik; serat grafit digunakan untuk memperkuat plastik dan bahan komposit lainnya. Intan (baik alami dan sintetis) sintetis) digunakan sebagai alat pemotong untuk pengoperasian mesin halus, seperti thin wire drawing, dan sebagai abrasif untuk roda grinda. Intan mempunyai aplikasi seperti karbon sebagai bahan pelapis memberikan peningkatan ketahanan aus.

Keramik, Grafit, dan Intan: Struktur, Sifat Sifat Umum dan Penggunaannya

Recommend Documents