Memahami Teori Dasar dan Klasifikasi Material Teknik

TEORI DASAR MATERIAL TEKNIK

Material adalah segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Berdasarkan pengertian tersebut maka material teknik adalah material yang digunakan untuk menyusun sebuah benda dan digunakan untuk perekayasaan dan perancangan di bidang teknik.

KLASIFIKASI MATERIAL TEKNIK

Material teknik dapat diklasifikasikan menjadi 5 : 

• Logam, 
• Keramik, 
• Polimer, 
• Komposit, 
• Semikonduktor. 

LOGAM

Logam adalah material yang mempunyai daya hantar listrik yang tinggi dengan sifat konduktor yang baik dan tahan terhadap temperatur tinggi, mempunyai titik didih tinggi, keras, mengkilap, tidak tembus cahaya, dan dapat dideformasi.

Jenis material teknik yang dipakai secara luas dalam teknologi modern adalah baja. Baja adalah material logam yang dapat dipakai secara fleksibel dan mempunyai beberapa karakteristik. Material ini kuat dan siap dibentuk menjadi bermacam-macam keperluan teknik. Material ini berspektrum luas dan mempunyai kemampuan berdeformasi secara permanen yang merupakan modal penting dalam menentukan harga tegangan luluh pada berbagai beban.

Berbagai material logam tidak dalam bentuk murni dipakai dalam teknik, tetapi dipakai dalam bentuk paduan, misalnya : paduan besi dan baja (dari Fe), aluminium (Al), magnesium (Mg), titanium (Ti), nikel (Ni), paduan seng (Zn) dan tembaga (Cu) (perunggu). Gambar 1.1 ditunjukkan satu contoh bagian seni pengerjaan logam yang dibentuk dengan deformasi superplastis.

KERAMIK DAN KACA

Material keramik merupakan material yang terbentuk dari hasil senyawa (compound) antara satu atau lebih unsur-unsur logam (termasuk Si dan Ge) dengan satu atau lebih unsur-unsur non logam. material jenis keramik semakin banyak digunakan, mulai berbagai abrasive, pahat potong, batu tahan api, kaca, dan lain-lain, bahkan teknologi roket dan penerbangan luar angkasa sangat memerlukan keramik.

Al2O3 adalah material teknik yang disebut keramik, atau Aluminium oksida (Al2O3) mempunyai 2 keunggulan. 

Pertama, Al2O3 stabil secara kimia dalam lingkungan yang beraneka ragam, karena Al akan di oksidasi. Pada kenyataannya hasil reaksi oksidasi dari aluminium akan memberikan aluminium oksida yang lebih stabil. Kedua, keramik Al2O3 mempunyai titik lebur lebih tinggi (2020oC) daripada logam Al (660o). Hal ini membuat Al2O3 sukar lebur dan dipakai secara luas dalam industri peleburan.

Contoh material keramik yang lain yang banyak dipakai adalah magnesium oksida (MgO) dan silika (SiO2). Material keramik ini sering dipadukan dengan aluminium oksida (Al2O3) untuk mendapatkan sifat yang lebih baik. Material keramik silikon nitrida Si3N4 dapat diurai menjadi keramik oksida yang penting. Selanjutnya, material keramik yang berdaya jual tinggi adalah keramik yang mempunyai gabungan unsur antara satu unsur logam dan satu unsur bukan logam (C, N, 0, P, S).

Logam dari keramik mempunyai ciri susunan yang sama pada skala atomik. Susunannya kristalin, artinya atom-atomnya tertumpuk dalam sebuah keteraturan atau pola yang berulang. Perbedaan antara bahan logam dan keramik adalah pada material keramik dengan pengolahan yang sederhana dan bersih dapat dibuat dalam bentuk nonkristalin, sehingga atom-atom tertumpuk atau tersusun dalam ketidakteraturan atau pola yang acak.

POLIMER

Plastik (polimer) adalah material hasil rekayasa manusia, merupakan rantai molekul yang sangat panjang dan banyak molekul MER yang saling mengikat. Pemakaian plastik juga sangat luas, mulai peralatan rumah tangga, interior mobil, kabinet radio/televisi, sampai konstruksi mesin.

Polimer merupakan material hasil teknologi modern yang mempunyai karakteristik lebih banyak dari pada material yang lain. Bahan buatan ini merupakan cabang khusus dari kimia organik. Plastik adalah bahan murah yang dapat dibentuk dari beberapa polimer selama fabrikasi. Mer dalam sebuah polimer adalah sebuah molekul hidrokarbon tunggal seperti etilen (C2H4). Polimer adalah molekul rantai panjang yang mengandung beberapa ikatan mer. Polimer yang umum dalam dunia perdagangan adalah polietilen -(C2H4 ) dengan harga n berkisar antara 100 sampai 1000. Beberapa polimer penting (termasuk polyethylene) adalah campuran sederhana dari hidrogen dan karbon. Beberapa yang lain mengandung oksigen, misalnya : acrylic, nitrogen (nylon), fluorine (fluoroplastic), dan silikon (silicone). Polimer mempunyai sifat ringan, murah dan mampu menggantikan logam dalam aplikasi disain struktur. 

KOMPOSIT

Komposit merupakan material hasil kombinasi dari dua material atau lebih, yang sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing material asalnya. Komposit selain dibuat dari hasil rekayasa manusia, juga dapat terjadi secara alamiah, misalnya kayu, yang terdiri dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Komposit saat ini banyak dipakai dalam konstruksi pesawat terbang, karena mempunyai sifat ringan, kuat dan non magnetik.

Perkembangan teknologi material telah melahirkan suatu material jenis baru yang dibangun secara bertumpuk dari beberapa lapisan. Material ini lah yang disebut material komposit. Material komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk mendapatkan kombinasi karakteristik terbaik dari setiap komponen penyusunnya. Pada dasarnya, komposit dapat didefinisikan sebagai campuran makroskopik dari serat dan matriks. Serat merupakan material yang (umumnya) jauh lebih kuat dari matriks dan berfungsi memberikan kekuatan tarik.Sedangkan matriks berfungsi untuk melindungi serat dari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan.

Serat kaca (glass fibre) adalah material yang umum digunakan sebagai serat. Namun, teknologi komposit saat ini telah banyak menggunakan karbon murni sebagai serat. Serat karbon memiliki kekuatan yang jauh lebih baik dibanding serat kaca tetapi biaya produksinya juga lebih mahal. Komposit dari serat karbon memiliki sifat ringan dan juga kuat. Komposit jenis ini banyak digunakan untuk struktur pesawat terbang, alat-alat olahraga, dan terus meningkat digunakan sebagai pengganti tulang yang rusak.

Selain serat kaca, polimer yang biasanya menjadi matriks juga dapat dipakai sebagai serat atau penguat. Contohnya, kevlar merupakan serat polimer yang sangat kuat dan dapat meningkatkan toughness dari material komposit. Kevlar dapat digunakan sebagai serat dari produk komposit untuk struktur ringan yang handal, misalnya bagian kritis dari struktur pesawat terbang. Sebenarnya, material komposit bukanlah pengguaan asli dari kevlar. Kevlar dikembangkan untuk pengganti baja pada ban radial dan untuk membuat rompi atau helm antipeluru.

Sedangkan untuk matriks, kebanyakan material komposit modern menggunakan plastik thermosetting, yang biasanya disebut resin. Plastik adalah polimer yang mengikat serat dan membantu menentukan sifat fisik dari material komposit yang dihasilkan. Plastik termosetting berwujud cair tetapi akan mengeras dan menjadi rigid ketika dipanaskan. Plastik ini memiliki tahanan terhadap serangan zat kimia yang baik meskipun berada pada lingkungan ekstrim. Untuk tujuan khusus, digunakan matriks dari keramik, karbon dan logam. Contohnya, keramik digunakan untuk material komposit yang didesain bekerja pada temperatur sangat tinggi dan karbon digunakan untuk produk yang menerima gaya gesek seperti bearing dan gir.

Pada material komposit dikenal istilah lamina dan laminate. Lamina adalah satu lembar komposit dengan satu arah serat tertentu, sedangkan laminate adalah gabungan beberapa lamina. Laminate dibuat dengan cara memasukkan pre-preg lamina ke dalam autoclave selama selang waktu tertentu dan dengan tekanan serta temperatur tertentu pula. Auroclave adalah suatu alat semacam oven bertekanan untuk menggabungkan lamina.

Dibanding dengan material konvensional keunggulan komposit antara lain yaitu memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi.

Manfaat utama dari penggunaan komposit adalam mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat, kita dapat membuat suatu material komposit dengan sifat yang tepat sama dengan kebutuhan sifat untuk suatu struktur tertentu dan tujuan tertentu pula.

Penerbangan modern, baik sipil maupun militer, adalah contoh utamanya. Keduanya akan menjadi sangat tidak efisien tanpa adanya material komposit. Material komposit canggih kini telah umum digunakan pada bagian sayap dan ekor, propeller, bilah rotor, dan juga struktur internal pesawat terbang. Selain aplikasi di industri dirgantara, dewasa ini material komposit telah banyak juga digunakan untuk badan mobil F1, alat-alat olahraga, struktur kapal dan industri migas. Hambatan dalam aplikasi material komposit umumnya adalah soal biaya. Meskipun sering kali proses manufaktur material komposit lebih efisien, namun material mentahnya masih terlalu mahal. Material komposit masih belum bisa secara total menggantikan material konvensional seperti baja, tetapi dalam banyak kasus kita memiki kebutuhan akan hal itu. Tidak diragukan, dengan teknologi yang terus berkembang, pengunaan baru dari material komposit akan bermunculan. Kita belum melihat semua yang material komposit dapat lakukan.

SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut materi doping). Untuk informasi bagaimana semikonduktor digunakan sebagai alat elektronik. Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant. Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam. Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) mengganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer. Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan. Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan.

Demikian yang bisa saya sampaikan tentang Memahami Teori Dasar dan Klasifikasi Material Teknik, semoga bisa bermanfaat bagi parapembaca, dan jangan lupa untuk share tulisan singkat ini agar bisa lebih bermanfaat.

Posted in: Seputar Teknik

loading...

loading...

Please Share

Share on Facebook

Share on Twitter

Share on Google+