Analisis Sifat Mekanik Material Komposit

Selain melalui pengujian, sifat mekanik material komposit juga dapat diketahui dari perhitungan atau analisis. Perhitungan dengan menggunakan rumus-rumus matematik ini tidak hanya memperhitungkan sifat mekanik matriks (matrix) dan penguatnya (reinforcement) saja namuan juga interface antara keduanya.

Bahkan interface inilah yang menjadi kunci utamanya. Walaupun matriks dan penguat komposit memiliki mechanical properties yang baik, namun tidak didukung dengan interface yang baik juga maka bahan kompsit tersebut tidak akan memiliki keunggulan apa-apa.

Apa itu Interface?

Sifat mekanik material komposit sangat dipengaruhi oleh proses awal dalam pembuatannya. Pemilihan matriks dan penguat yang tepat mutlak diperlukan. Namun sifat mekanik bahan komposit juga dipengaruhi oleh interface antara matriks dan penguat yang digunakan.

Interface adalah daya ikat antara matriks dan penguat pada sebuah komposit yang bekerja hanya pada bagian luar permukaan reinforcement yang bersinggungan dan matrix (bounding surface).

Besar kecilnya daya ikat interface antara matriks dan penguat ini sangat bergantung pada besarnya ikatan yang dibentuk antara matriks dan penguat ini. Makanya dalam pembuatan bahan komposit, diusahakan serat harus benar-benar dalam kondisi bersih – bebas dari segala macam kotoran. Tujuannya, agar tidak ada penghalang antara ikatan matrix dan penguat.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Bahan Komposit

Ada 3 faktor yang berpengaruh terhadap mechanical properties bahan komposit, yaitu:

1. Jenis Matrix dan Reinforcement

Bahan baku yang digunakan, baik matrix maupun reinforcement memiliki pengaruh yang sama-sama kuat.

Bahan komposit yang baik adalah jika matrix dan reinforcement-nya mengalami failure (kerusakan) dalam waktu yang bersamaan ketika mengalami beban lebih. Dengan kata lain, antara matrik dan penguatnya memiliki kekuatan yang optimal dan seimbang.

2. Bentuk Geometri Bahan Komposit

Bentuk reinforcement seperti serat memanjang, partikel, batangan dan lain sebagainya dapat mempengaruhi kekuatan bahan komposit yang dihasilkan. Selain itu juga cara menyusun bahan reinforcement dan bentuk geometri komposit.

3. Cara Menyatukan antara Matriks dan Penguat

Pada umumnya matrix memiliki sifat mengikat reinforcement Ketika dibuat menjadi komposit. Misalnya matrix resin yang bisa mengikat penguat dengan sendirinya ketika sudah mulai mengeras. Akan tetapi jika matrix memiliki sifat ikat yang lemah dapat juga ditambahkan bahan pegikat tersendiri.

Rule of Mixtures

Massa Komposit (m_c)

m_c = m_m + m_r

dengan m_m = massa matrix (kg) dan m_r=massa reinforcement (kg)

Volume Komposit (V_c)

V_c = V_m + V_r + V_v

dengan V_m = Volume matrix (cm³) dan V_v=Volume Void (Pore) (cm³)

Densitas Komposit (ρ_c)

ρ_c  = m_m/v_c = (m_m +m_r)/V_c

Fraksi Vulume (f)

Karena massa matrix dan reinforcement yang pada umumnya adalah tidak sama maka:

m_m = ρ_{m .} V_m dan m_r= ρ_r . V_r

Sehingga:

ρ_c = f_{m .} ρ_m + f_r. ρ_r

dimana :

  dan

dengan f_m = Fraksi Volume Matrix dan f_r=Fraksi Volume Reinforcement.

Fiber-Reinforced Composites

Modulus Elastisitas Komposit (E_c)

E_c = f_{m .} E_m + f_r. E_r

dengan E_c = Modulus Elastisitas Komposit (MPa), E_m = Modulus Elastisitas Matrix (MPa)  dan E_r = Modulus Elastisitas Reinforcement (MPa)

Modulus Elastisitas Komposit yang Tegak Lurus Arah Serat (E’_c)

E’_c  = (E_m .E_r)/(f_m . E_r + f_r . E_m)

Itulah beberapa rumus utama yang dapat Anda pergunakan untuk menghitung kekuatan bahan komposit. Namun demikian pengujian bahan komposit tetap perlu dilakukan untuk mengetahui mechanical properties yang sesungguhnya.

Bukan berarti perhitungan rumus-rumus ini tidak berguna. Masalahnya dalam pembuatan komposit terutama yang menggunakan matrix polimer berbentuk gel dengan reinforcement berupa benda padat sangat mungkin terbentuknya void atau pori. Void ini biasanya terjadi karena munculnya gelembung udara kerika proses membuat komposit.

Selain itu, void juga bisa terbentuk karena impurity atau kotoran yang ikut tercampur dalam membuat komposit. Banyak sekali impurity yang mengganggu dalam proses membuat komposit, seperti kerikil, debu atau tanah, atau bahan pengotor lainnya.*

Referensi:

Chawla K.K, 2012, Composite Materials (Science and Engineering) Third Edition, Springer, USA.

Groover M.P, 2010, Fundamentals of modern manufacturing (materials, processes and system), Jhon Wiley & Soon. Inc, USA.