Material and Their Properties

6/15/2015
Outline
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Materials and their
Properties
Dhimas Satria
Great Idea:
A material’s properties result from its constituent atoms
and the arrangements of chemical bonds that hold
those atoms together
Latar Belakang
• Kesalahan pemilihan material dapat berakibat
pada beberapa kerusakan/kegagalan.
• Tanpa pemilihan material yang tepat, rekayasa
disain yang baik sekalipun tidak akan bermanfaat.
Perlu material yang tepat untuk aplikasi material
tertentu.
• Pengetahuan tentang sifat-sifat material menjadi
penting untuk memperoleh hasil rekayasa yang
baik.
• Diperlukan pengetahuan tentang kegagalan akibat
kesalahan disain dan pemilihan material.
Latar Belakang
Material dan Dunia Modern
Ikatan Kimia
Fase Zat
Klasifikasi Material
Rekayasa Material
Sifat-sifat Material
Piranti Semikonduktor
Advanced Material & Nanotechnology
Knowledge/Creative Based Economy
1
Tragedi Concorde Tahun 2000
2
Runtuhnya World Trade Center
World Trade Center:
• Rangka berbentuk tabung
• Disain yang sangat baik
dan kuat, tetapi tidak kuat
untuk robohan
• Dapat menopang
benturan pesawat.
• Panas akibat terbakarnya
bahan bakar pesawat
menyebabkan kekuatan
struktur baja berkurang.
• Bangunan di atas tempat
pesawat menabrak
merupakan beban yang
merobohkan WTC.
Komponen lepas (fatigue) dari pesawat yang sebelumnya menggunakan
runaway yang sama → terhantam roda pesawat → tangki bahan bakar bocor
Material Dan Dunia Modern
CNN
• Material telah mengubah peradaban dunia
(contoh: transportasi, perdagangan dan
komunikasi).
• Fungsionalisasi material didasarkan atas
sifat-sifat materialnya.
• Sifat material bergantung pada:
– Jenis atom penyusunnya
– Susunan atomnya
– Jenis ikatan antar atomnya
4
Tabel Periodik Unsur-unsur
3
Penting untuk
mengetahui sifat material
agar material tersebut
dapat difungsikan sesuai
kebutuhan
5
Jenis Atom Dan Susunannya
6
Ikatan Kimia
Atom saling berikatan melalui pengaturan susunan
elektron dari atom-atom tersebut.
• Elektron dengan jumlah tertentu (seperti 2, 10, 18 dan
36) membentuk atom yang stabil.
• Elektron dapat pindah atau digunakan bersama untuk
membentuk atom yang stabil.
• Jenis-jenis ikatan kimia :
– Ikatan ionik: ikatan melalui gaya tarik elektrostatik dari ionion yang berbeda muatan
– Ikatan kovalen: ikatan kimia hasil berbagi (sharing)
elektron
– Ikatan metal: ikatan yang dibentuk dari gaya tarik-menarik
elektrostatik antara elektron-elektron yang terdelokalisasi,
dengan ion-ion metal bermuatan positif.
DIAMOND
7
GRAPHITE
8
9
1
6/15/2015
Ikatan Ionik
Ikatan Ionik
Ikatan Kovalen
Hidrogen
10
Ikatan Kovalen
11
Ikatan Metalik
12
Ikatan Metalik
Air
13
14
Zat Padat
(Bentuk Dan Volume Tetap)
Fase Zat
Zat Padat: Plastik
Plastik: terbentuk dari
rantai molekul
Kristal: atom-atom tersusun secara teratur
16
15
17
18
2
6/15/2015
Plastik Daur Ulang
Zat Cair
Gas
• Kristal Cair (Liquid Crystals): Molekul
dapat diorientasikan oleh medan listrik.
19
Perubahan Fase Zat
Volume dan bentuk dapat berubah
20
21
Proses Penyulingan (Destilasi)
Klasifikasi Material
Bensin, minyak tanah,
solar, aspal dan
pelumas merupakan
hasil penyulingan dari
minyak mentah.
1.
2.
3.
4.
5.
Metal
Keramik
Polymer
Material Elektronik
Komposit
HYDROCARBONS
22
Klasifikasi Material
23
Klasifikasi Material
1. Metal
Metal Dan Sifat-sifatnya
3. Polymer
– Besi
– Alloy dan Superalloy (contoh: alloy untuk keperluan
dirgantara)
– Senyawa Intermetalik (contoh: high-T structural materials)
Ciri-ciri utama:
• Atom tersusun dalam bentuk kristal.
• Memiliki kekuatan dan kelenturan yang
cukup baik.
• Padat
• Dapat dibengkokkan.
• Penghantar listrik dan panas yang baik.
• Tidak tembus cahaya.
• Memiliki permukaan yang mengilap
– Plastik
– Liquid crystals
– Adhesives
4. Material Elektronik
2. Keramik
– Silicon dan Germanium
– Senyawa golongan III-V (contoh: GaAs)
– Materials Fotonik (contoh: solid-state lasers, LEDs)
– Keramik untuk struktur (contoh: high-temperature
load bearing)
– Keramik untuk material insulator dan tahan korosi.
– Keramik untuk alat rumah tangga (contoh: porselen)
– Gelas
– Keramik untuk keperluan listrik (kapasitor, insulator,
transdusers, dll.)
– Semen dan beton
5. Komposit
– Particulate composites (Komposit yang terbuat dari
partikel-partikel yang tersusun di dalam material yang
berbeda).
– Laminate composites (contoh: tongkat golf, raket tenis)
– Fiber reinforced composites (contoh: fiberglass)
25
24
26
27
3
6/15/2015
Metal Dan Sifat-sifatnya
Metal Dan Sifat-sifatnya
Ciri-ciri lainnya:
• Metal dapat dibentuk dan diproses dengan
mudah dan cukup awet.
• Metal tidak mudah bereaksi dengan unsur
lain, tetapi, Fe dan Al dapat dengan mudah
membentuk senyawa.
• Salah satu kekurangan metal adalah dapat
dapat berekasi dengan lingkungan dalam
bentuk karat.
• Beberapa metal memiliki titik leleh yang
rendah sehingga tidak dapat digunakan
dalam beberapa aplikasi.
Metal Dan Sifat-sifatnya
Aplikasi:
• Kabel listrik
• Keperluan struktur: bangunan, jembatan dll.
• Mobil: rangka dan bodi, pegas, blok mesin, dll.
• Pesawat: komponen mesin, body pesawat, perlengkapan pendaratan
• Kereta Api: rel, komponen mesin, rangka dan bodi, roda, dll.
• Perkakas mesin: bor, obeng, gergaji, martil, dll.
• Perlengkapan keseharian: kaca mata, kepala sabuk, dll
• Magnet
Unsur-unsur metal dalam tabel periodik
Beberapa contoh:
• Unsur metal murni (Cu, Fe, Zn, Ag, dll)
• Alloy
–
–
–
–
•
28
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Ciri-ciri lainnya:
• Keramik lebih resisten terhadap zat kimia
dari lingkungan (contoh: Alumina (Al2O3)
dan Silica (SiO2, Quartz).
• Keramik dapat berbentuk kristalin dan
non-kristalin. Keramik berfase gelas dapat
dibentuk dengan mendinginkannya dari
fase cair.
31
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Beberapa contoh:
• Oksida (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO)
• Campuran metal-oksida (SrTiO3, MgAl2O4, YBa2Cu3O7-x)
• Nitrida (Si3N4, AlN, GaN, BN, dan TiN, yang digunakan untuk hard
coatings.)
34
Senyawa intermetalik (Ni3Al)
29
Ciri-ciri utama:
• Kecuali gelas, atom-atom tersusun secara teratur.
• Terdiri dari campuran metal dan non-metal.
• Memiliki densitas yang lebih kecil dari metal.
• Lebih kuat daripada metal.
• Lebih regas daripada metal.
• Lebih sulit untuk dibentuk.
• Memiliki titik leleh yang tinggi.
• Penghantar listrik dan panas yang buruk.
• Keramik dalam bentuk kristal tunggal umumnya
transparan.
Aplikasi:
• Insulator listrik dan panas
• Alat penggosok, pengasah
• Kaca jendela, tabung TV, serat optik. (Gelas).
• Peralatan yang tahan terhadap korosi.
• Piranti listrik: kapasitor, varistor, transducers, dll.
• Jalan raya (beton)
• Lapisan komponen Biocompatible.
• Self-lubricating bearings
• Material magnetik (komponen audio/video, hard disks, dll.)
• Optical wave guide
• Night-vision
Cu-Sn = perunggu
Cu-Zn = kuningan
Fe-C = baja
Pb-Sn = solder
30
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Unsur-unsur pembentuk keramik dan gelas
32
33
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Ciri-ciri utama:
• Tersusun dari unsur-unsur utama C dan H
(hydrocarbon).
• Titik leleh rendah.
• Beberapa polymer berbentuk kristal, tapi
sebagian besar bukan kristalin.
• Sebagian besar merupakan penghantar listrik
dan panas yang buruk.
• Sebagian besar bersifat plastik, tapi
beberapa polymer bersifat elastik.
• Sebagian polymer bersifat transparan dan
sebagian lain tidak transparan.
Ciri-ciri lainnya:
• Polymer biasanya sangat ringan dan mudah
dalam proses pembentukannya, seperti di
cetak, dibuat lembaran tipis atau sebagai
lapisan pelindung (coating). Selain itu
polymer lebih murah biaya pembuatannya.
• Umumnya sangat resisten terhadap
lingkungan.
• Karena merupakan penghantar listrik dan
panas yang buruk serta mudah dibentuk,
polymer sangat berguna untuk insulator listrik
dan peralatan rumah tangga.
35
36
4
6/15/2015
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Dua tipe utama polymer:
• Thermosets: cross-linked polymers yang
membentuk jaringan 3D, sehingga lebih kuat dan
lebih kaku.
• Thermoplastics: long-chain polymers yang dapat
dengan mudah bergeser antara satu dengan
lainnya jika dipanaskan, sehingga lebih mudah
dibentuk, dibengkokkan dan mudah patah.
Polymer Dan Sifat-sifatnya
Aplikasi:
• Bahan perekat
• Berbagai jenis wadah dan botol
• Produk cetakan (casing komputer, printer, telepon, dll)
• Material untuk mebel dan pakaian (vinyls, polyester,
nylon)
• Water-resistant coating (latex)
• Biomaterial (organic/inorganic)
• Liquid crystal
• Low-friction material (teflon)
• Oli sintetis dan pelumas.
• Gasket dan O-rings (karet)
• Sabun dan surfaktan
Unsur-unsur pembentuk polymer (terbatas)
37
Sifat-sifat Material (Mekanik)
38
39
Kekuatan Tekanan
• Jenis kekuatan (strength)
untuk karakterisasi material
Kekuatan Tarikan
• Kabel
• Tali
• Rantai
• Tumpukan kertas
• Bangunan terbuat
dari susunan
batu/bata
• Susunan kayu
– Tekanan (compressive strength)
– Tarikan (tensile strength)
– Geseran (shear strength)
• Ada batas elastik untuk setiap
material
• Kekuatan material bergantung
pada:
– Jenis unsur penyusun
– Cara atom tersusun
– Ikatan kimia susunan atomnya.
40
Kekuatan Geseran
41
Sifat Magnetik
• Susunan alat penopang
• Intan
Sifat Listrik
• Medan magnetik
Berdasarkan sifat penghantaran
arus listrik, material dapat
digolongkan kedalam:
• Konduktor: dapat
menghantarkan arus listrik
(muatan bebas)
• Insulator: tidak dapat
menghantarkan arus listrik.
• Semikonduktor: bersifat antara
konduktor - isolator
• Superkonduktor: resistansi nol
– Ditimbulkan oleh
arus listrik.
– Sifat magnetik atom
ditimbulkan oleh
spin elektron
• Kemagnetan
– Derajat kesearahan
domain menentukan
besar kekuatan medan
magnet.
43
42
44
45
5
6/15/2015
Terima Kasih
Bab XI
Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan (KPIP)
46
6