Top Banner

of 34

10683484 Ceramic Matrix Composites

Oct 13, 2015

Download

Documents

1
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • KOMPOSIT

    Komposit merupakan sistem material

    hasil kombinasi dari 2/lebih fasa yang

    berbeda secara fisika agar didapatkan

    sifat agregat yang berbeda dari masing-

    masing konstituennya.

  • MATERIAL KOMPOSIT

    TERDIRI DARI 2 FASA:

    PRIMER Membentuk matriks di

    mana fase sekunder

    tertanam.

    Tiga jenis material dasar:

    polimer, logam, keramik.

    SEKUNDER Terarah ke fasa yang tertanam

    (disebut agen penguat).

    Berfungsi untuk memperkuat komposit (fiber, partikel, dll).

    Contoh: polimer, logam, keramik, ataupun unsur seperti

    C, B, dll.

  • KLASIFIKASI MATERIAL KOMPOSIT

    Metal Matrix Composites (MMCs)

    Terdiri dari matrix logam (Al, Mg, Cu, Fe, Co) yang diperkuat oleh serat dengan kekakuan tinggi (oksida, karbida, Pb, W, Mo).

    Ceramic Matrix Composites (CMCs)

    Terdiri dari matrix keramik ditanami oleh serat/fiber keramik lainnya (fasa terdispersi) yang dapat memperbaiki sifat khususnya untuk aplikasi temperatur tinggi.

    Polymer Matrix Composites (PMCs)

    Terdiri dari matrix resin Thermoset (Unsaturated Polyester (UP), Epoxy (EP) atau thermoplastic (Polycarbonate (PC), Polyvinylchloride, Nylon, Polysterene) dengan fasa terdispersi glass, carbon, steel atau Kevlar fibers.

  • FUNGSI MATRIX MATERIAL

    DI DALAM KOMPOSIT:

    Untuk membentuk produk seperti yang diinginkan.

    Tempat untuk menyangga fasa yang tertanam.

    Membagi beban dengan fasa sekunder.

  • CERAMIC MATRIX COMPOSITES

    KELEBIHAN KERAMIK

    High stiffness

    Hardness

    Hot hardness

    Compressive strength

    Relatively low density

    KEKURANGAN KERAMIK

    Low toughness and bulk tensile strength

    Susceptibility to thermal cracking

    Contoh matrix keramik:

    Alumina

    Boron carbide

    Boron nitride

    Silicon carbide

    Silicon nitride

    Titanium carbide

    Ceramic Matrix Composites (CMC) adalah material yang terdiri dari matriks keramik dikombinasikan dengan fiber/whisker keramik (oksida, karbida) pada fasa terdispersi.

  • Alumina matrix composites

    (discontinuous-fiber reinforced)

    Serat SiC menigkatkan strength & toughness Alumina

  • PROSES PEMBUATAN CMC

    1. FASA CAIR

    a. Polymer impregnation and pyrolysis (PIP)

    b. Reactive Melt Infiltration (RMI)

    c. Slurry impregnation and hot pressing (SIHP)

    2. FASA UAP

    a. Isothermal isobaric CVI (I-CVI)

    b. Temperature pressure gradient CVI (F-CVI)

    c. Pressure-pulsed CVI (P-CVI)

    3. SOLID STATE

  • Polymer Impregnation and Pyrolysis (PIP)

    Dapat digunakan jika fasa cair memiliki viskositas cukup rendah dan dapat membasahi fiber, precursor harus mampu menghasilkan keramik yang tinggi (7085 wt.%) pada tahap pirolisis.

    Kekurangan proses PIP yaitu:

    Selama proses pirolisis dapat terjadi penyusutan yang besar karena pembentukan gas. Dapat diatasi dengan menambahkan pengisi inert (serbuk halus dari matrix keramik).

    Cairan precursor organologam sangat sensitif terhadap kelembaban.

  • CONDITION

    Pada proses ini, pori-pori fiber diisi dengan cairan organik / organologam yang merupakan pelopor dari matrix. Setelah pemanasan dan terjadi proses kimia, material dipirolisis pada T 700-1000 C.

    Jika perlu, dilakukan heat treatment (2500-3000 C untuk C) untuk penstabilan mikrostruktur dan optimasi properties.

    Liquid precursor yang digunakan yaitu lelehan/larutan. Contohnya, polimer thermoset (polyfenol) untuk C, polycarbosilanes untuk SiC, & polycarbosilazanes untuk matrix Si-C-N.

  • Reactive Melt Infiltration (RMI)

    Dapat digunakan jika salah satu elemen matrix keramik memiliki Titik leleh rendah dan mudah membasahi fiber.

    Contoh:

    aluminum (Mp650 C) & silikon (Mp=1410 C)

    Pembentukan matrix alumina melalui reaksi oksidasi & matrix SiC melalui reaksi kimia dengan fiber karbon.

  • CONDITION Proses DIMOX

    Lelehan Al bereaksi dengan udara, melalui gaya kapiler merambat melalui pori-pori sehingga mengasilkan matriks alumina yang tumbuh melalui mekanisme kompleks melibatkan pelarutan oksigen dan presipitasi alumina. Proses terjadi pada T 1200 C dengan fiber Nicalon Si-C-O.

  • CONDITION

    Proses SILCOMP Fiber keramik bergabung dengan C (proses PIP),

    lalu diisi oleh Si cair (T 1450 C). Dengan adanya gaya kapiler secara spontan merambat melalui pori-pori dan bereaksi dengan dinding C seingga dihasilkan matrix SiC. Fiber yang digunakan harus memiliki ketahanan/stabilitas temperatur tinggi.

  • Slurry Impregnation and Hot Pressing

    (SIHP)

    Proses ini digunakan untuk membuat komposit matrix oksida & nanoksida.

    1. Fiber tow (serat pita) diresapi slurry, seperti suspensi stabil dari matrix powder dalam cairan mengandung fugitive organic binder & berbagai aditif. Lalu dikeringkan dan dihasilkan green composite prepreg.

    2. Setelah itu melalui proses cutting & stacking, kemudian dilanjutkan dengan pemanasan untuk menghilangkan fugitive organic binder dan hot pressing agar komposit matrix menjadi padat.

  • CONDITION

  • CONDITION

    Syarat proses SIHP:

    Fiber harus stabil pada kondisi hot-pressing (contoh; oxygen-free SiC fibers).

    Matrix harus cukup soft dan mengalir selama hot pressing agar fiber tertanam, kemungkinan terbentuk

    fasa cair (T hot pressing 1200-1400 C). Hal ini biasa terjadi pada matirk dasar silika (glass & keramik-glas).

    Untuk matrix tersebut, heat treatment dilakukan setelah proses hot pressing untuk mengubah seluruh/sebagian matrix glass ke fasa kristalin yang lebih stabil.

  • FASA UAP

    Disebut juga Chemical vapour infiltration (CVI).

    Reaksi kimia harus diaktifkan, dengan cara memanaskan

    serat pada suhu yang cukup (900-1100 C) di dalam reaktor.

    CVI berhubungan dengan CVD (hanya berbeda pada

    temperatur (T), tekanan (P), dan kondisi laju alir gas (Q)

    yang berbeda, serta tempat terjadinya deposisi.

    CVDpermukaan luar substrat, CVI di dalam pori-pori

    substrat.

  • CONDITION Dua fenomena berbeda yang terjadi pada CVI:

    a) Terjadi reaksi kimia (baik dalam fasa gas atau pada permukaan serat) yang membentuk deposit.

    b) Adanya perpindahan massa dari gas reaktan dan produk di dalam jaringan pori secara konveksi/difusi (T-P-Q).

    Contoh; reaksi pengendapan C, SiC, BN, & Al2O3.

  • Isothermal Isobaric CVI (I-CVI)

    Fiber preforms diletakkan di dalam hotwall deposition chamber isotermal.

    Gaseous precursor di luar preform mengalir secara konveksi dan difusi.

    Agar tidak terjadi penyumbatan pori-pori maka deposisi dilakukan pada T&P yang relatif rendah (agar gas cukup waktu untuk berdifusi).

    Jika diperlukan proses densifikasi dihentikan agar pori-pori terbuka kembali.

  • Temperature Pressure Gradient CVI

    (F-CVI) F menunjukkan gaya (berasal dari T, P gradien) yang dirancang

    untuk meningkatkan laju deposisi & mempersingkat waktu

    densifikasi.

    Reaktan diinjeksikan (dibawah tekanan) melalui permukaan fiber

    preform yang dingin (dimana deposisi hampir tidak terjadi).

    Porositas dekat permukaan yang panas secara cepat terisi (laju

    deposisi tinggi).

    Hasil deposisi, densifikasi bergerak dari permukaan panas ke dingin

    (terjadi peningkatansuhu karena adanya konduksi dari deposit).

    unreacted precursor & hasil reaksi diekstrak dengan memompa

    melalui permukaan panas sampel kemudian melalui permukaan

    lainnya.

  • Pressure-Pulsed CVI (P-CVI)

    Reaktan disuntikkan ke dalam reaktor dalam waktu singkat, kemudian didiamkan selama waktu tertentu sehingga terjadi deposisi.

    Perlakuan diatas dilangi beberapa kali, dimana pembukaan dan penutupan katup aliran gas dilakukan secara otomatis.

    Hasil dari P-CVI yaitu depossi multilayer.

    Ketebalan deposit per pulse < 1 nm.

  • CONDITION

  • KEUNTUNGAN CVI

    Temperatur proses relatif rendah sehingga kerusakan

    fiber sangat kecil.

    Sifat mekanik yang sangat baik karena dihasilkan

    interphase dan matriks dengan kualitas mikrostruktur

    yang sangat tinggi.

    Proses sangat fleksibel dengan bentuk hasil akhir yang

    akurat.

  • KEKURANGAN CVI

    Membutuhkan investasi yang besar.

    Kemungkinan masih terdapat sisa pori-pori yang

    terbuka pada beberapa bagian, tetapi tidak jadi masalah

    karena CMCs memiliki ketangguhan yang tinggi.

  • SOLID STATE

    Powder of matrix

    Particulate or

    whisker

    reinforcement

    Binder

    mixer pressed fired

  • CONDITION Prinsipnya sama seperti proses powder ceramic.

    Bahan awal yaitu campuran homogen dari serat, matrix, & aditif (fugitive binder, sintering aids, stabilizers, dll). Proses pencampuran menggunakan ball-milling dengan media pelindung cair.

    Hasil dari ball-milling dikeringkan, dicetak, dan disinter dengan uniaxial hot pressing.

    Dapat juga menggunakan cold pressed dan dibungkus dengan materialyang cocok (logam/glass) lalu disinter secara isostatik.

  • KEKURANGAN SOLID STATE

    Proses terbatas karena hanya bisa memakai serat pendek (whiskers).

    Fragmentasi fiber yang brittle dapat terjadi selama proses ball-milling & hot pressing sehingga rasio kemampuan penguat menurun.

    Diperlukan sintering additive, T & P tinggi sehingga serat haruslah memiliki kestabilan yang tinggi (SiC whiskers).

    Sifat mekanik jauh lebih rendah dibanding menggunakan continuous fibers.

    Penggunaan whiskers dalam ukuran kecil menyebabkan gangguan kesehatan yang sama seperti serat asbes.

  • APLIKASI CMCs

    Turbine engines (Combustors, liners, turbine rotors)

    Heat recovery equipment (Preheaters, recuperators, heat exchangers)

    Process equipment (Reformers, reactors, heat exchangers)

    Aerospace (Thermal protection, thruster nozzles, turbo

    pump components, leading edges)

    Cutting tools

  • TERIMA KASIH