Matriks Komposit : Definisi, Jenis dan Fungsinya

Pemilihan bahan matriks dan penguat (reinforcement) sangat mempengaruhi mechanical properties komposit yang dihasilkan. Jangan sampai material komposit yang Anda buat memiliki mechanical properties yang lebih rendah dari matriks nya. Ingat, tujuan membuat material komposit adalah untuk mendapatkan sifat material baru yang lebih baik dari sebelumnya.

Seringkali saya menguji ujian skripsi mahasiswa dengan topik material komposit yang hasilnya justru memiliki mechanical properties yang lebih rendah dari pada matrik nya. Ternyata setelah ditelusuri, cara memilih bahan matriks dan penguat yang tidak tepat.

Matriks dan Fungsinya?

Matriks adalah bahan utama dari sebuah material komposit yang akan dinaikkan mechanical properties nya oleh bahan penguat (reinforcement). Matrik ini harus mampu mengikat bahan reinforcement dengan baik agar tidak terjadi fenomena fiber pull out, yaitu serat yang terlepas dari matrik.

Sebenarnya tujuan membuat material komposit adalah untuk meningkatkan bahan matrik ini. Jadi, kuncinya bahan reinforcement harus memiliki kekuatan yang lebih baik dari pada matriks.

Jenis-Jenis Bahan Matriks Komposit

Banyak sekali bahan di alam ini yang dapat Anda jadikan sebagai matrik dalam sebuah komposit. Namun jika dikelompokkan menurut jenisnya, terdapat 3 jenis matrik yaitu matrik dari bahan polimer, logam dan keramik.

1. Polimer

Polimer memiliki struktur yang lebih komplek dari pada logam dan keramik. Selain berharga murah, polimer juga mudah diproses. Akan tetapi yang menjadi kelemahan dari bahan ini adalah strength dan modulus yang rendah. Selain itu juga tidak tahan pada temperature tinggi.

Janis-Jenis Polimer

Terdapat dua jenis polimer, yaitu Thermoplastic dan Thermoset.

Thermoplastic

Polimer thermoplastic adalah polimer yang akan mengalami lunak hingga meleleh jika dikenai suhu tinggi.

Beberapa jenis polimer thermoplastic adalah: Polyethylene (baik low maupun high density), Polystyrene dan PMMA.

Untuk thermoplastic konvensional seperti: Polypropylene, Nylon, Thermoplastic Polyester (PET, PBT) dan Polycarbonat.

Sedangkan yang termasuk baru adalah: Polyamide imide, Polyphenylene Sulfide (PPS), Polyarysulfone dan Polyetherether Ketone (PEEK).

Thermoset

Apabila sebuah polimer jika dikenai panas tidak akan melunak dan meleleh namun akan rusak dengan sendirinya maka polimer tersebut dikatakan sebagai Polimer Thermoset.

Sebagai contoh bahan polimer thermoset adalah dari jenis karet. Sebagai contohnya adalah Resin Epoxy, Resin Polyester, Phenolic, Polyimide dan Vinyl Ester.

Mechanical Properties

Karakteristik Bahan Resin Epoxy:

1.	Density, ρ	=	1,2 -1,3	g/cm3
2.	Strength, σ	=	50 – 125	MPa
3.	Modulus, E	=	2,5 – 4	GPa
4.	Poisson Ratio, v	=	0,2 – 0,33
5.	CTE, α	=	50 – 100	10-6.K-1
6.	Cure Shrinkage	=	1 – 5	%
7.	Temperatur	=	150	oC

Karakteristik Bahan Resin Polyester:

1.	Density, ρ	=	1,1 -1,4	g/cm3
2.	Strength, σ	=	30 – 100	MPa
3.	Modulus, E	=	2 – 4	GPa
4.	Poisson Ratio, v	=	0,2 – 0,33
5.	CTE, α	=	50 – 100	10-6.K-1
6.	Cure Shrinkage	=	5 – 12	%
7.	Temperatur	=	80	oC

2. Logam

Metal atau logam merpakan sebuah material Teknik yang sangat popular digunakan di berbagai bidang. Selain terkenal kuat dan ulet, logam juga memiliki sifat palstis sehingga mudah untuk dibentuk dengan berbagai jenis metode.

Jenis Logam

Logam termasuk dalam material crystalline yang dapat digolongkan menjadi 3, yaitu Face Centered Cubic (FCC), Bocy Centered Cubic (BCC) dan Hexagonal Close Packed (HCP).

Namun untuk membentuk menjadi bentuk kristal yang sempurna tidaklah mungkin karena berbagai macam hal gangguan selama proses produksi. Sehingga, bentuk kristal logam yang ada di alam ini tidak ada yang sempurna atau cacat (imperfection).

Cacat Logam

Beberapa crystal imperfection yang sering terjadi adalah:

• Point defects (zero dimentional)
• Line defects (unidimensional)
• Planar atau interfacial defects (bidimensional)
• Volume defects (tridimensional)

Contoh Krtistal Logam

FCC

Iron (910 – 1.390^oC), Nickel, Cooper, Aluminum, Emas, Platinum dan Silver.

BCC

Iron (T < 910^oC dan T > 1.390^oC), Beryllium (T > 1.250^oC), Cobalt (T > 427^oC), Tungsten, Molybdenum, Chromium, Vanadium dan Niobium.

HCP

Titanium, Beryllium (T < 1.250^oC), Cobalt (T < 427^oC), Zinc, Magnesium dan Zirconium.

Mechanical Properties Logam

Bahan Logam	E (GPa)	σy (MPa)	σmax (MPa)	KIC (MPa.m1/2)
Aluminum	70	40	200	100
Copper	120	60	400	65
Nickel	200	70	400	350
Aluminum Alloys	70	100-380	250-480	40-23
Stainless Steel (304)	195	240	365	200

3. Keramik

Keramik dikenal sebagai material yangbersifat keras dan getas. Pada umumnya keramik terdiri dari beberapa bahan logam yang dikombinasikan dengan non logam, seperti oxygen, carbon atau nitrogen.

Logam memiliki ikatan kuat kovalen dan ionic bonding. Terutama dalam bentuk glass, keramik juga berbentuk crystalline yang sama dengan logam.

Jenis Bahan Keramik

Ada dua jenis bahan keramik, yaitu ceramic compound (stoichiometric) dan nonstoichiometric ceramic compound.

1. Ceramic compound (stoichiometric) : Alumina (AL₂O₃), Beryllia (BeO), Spinel (MgAl₂O₄), Silicone Carbide (SiC) dan Silicone Nitride (Si₃N₄).
2. Nonstoichiometric ceramic compound : Fe_0,96O.

Mechanical Properties Bahan Keramik

Bahan Keramik	Young’s Modulus (GPa)	Tensile Strength  (MPa)	Coefficient of thermal expansion (10-6K-1)	Density (g/cm3)
Aumina	360-4–	250-300	2,25-2,87	3,2
Mullite	143	83	5,3	–
MgO	210-300	97-130	13,8	3,6
SiC	400-440	310	4,8	3,2
Si3N4

Cara Memilih Bahan Matrik Komposit yang Baik

Cara membuat bahan komposit perlu pertimbangan yang baik antara bahan matrik dan reinforcement nya. Bahan matrik dengan reinforcement A belum tentu baik jika digunakan dengan reinforcement B. Antara matrik dan reinforcement memiliki hubungan yang sangat erat dalam membuat bahan komposit yang optimal.

Beberapa hal yang perlu Anda perhatikan dalam memilih bahan matrik komposit adalah:

1. Kesamaan antara nilai koefisien thermal ekspansi antara matrik dan reinforcement, jika ada perbedaan yang cukup signifikan maka komposit akan mudah retak.
2. Bahan matrik memiliki sifat perekat yang baik agar reinforcement tidak mudah lepas dari matrik.

Itulah cara memilih bahan matrik komposit agar dapat membuat material komposit yang memiliki mechanical properties yang baik.*

Referensi:

1. Chawla K.K, 2012, Composite Materials (Scence and Engineering) Third Edition, Springer, USA.
2. Groover M.P, 2010, Fundamentals of modern manufacturing (materials, processes and system), Jhon Wiley & Soon. Inc, USA.