Tiga bahan pengumpulan Bahan komposit

Bahan komposit dibuat apabila dua bahan dicampur untuk mendapatkan kombinasi sifat yang tidak dipunyai oleh individu masing-masing bahan tersebut.

Bahan komposit boleh jadi campuran antara logam dengan logam, logam-seramik, logam-polimer, polimer-seramik atau polimer-polimer.

Bahan komposit boleh dikumpulkan dalam 3 kategori: iaitu Zarahan (particulate): a) zarahan besar iaitu seperti konkrit yang

merupakan campuran simen, batu kecil dan pasir. b) zarahan kecil (dispersion strengthened small particle) bersaiz antara 0.01 - 0.1m.

Gentian (fibre): iaitu seperti bahan gentian kaca yang dimuat isikan ke dalam bahan polimer.

Struktur laminar: iaitu seperti papan lapis (plywood) yang merupakan lapisan kayu yang dilapiskan.

Umumnya komposit terdiri dua fasa: yang pertama merupakan fasa matriks atau bahantara bagi bahan kedua tersebar di dalamnya yang dipanggil fasa tersebar.1

Komposit Bertetulang Zarahan Umumnya komposit ini terdiri daripada zarah yang keras dan rapuh

dikelilingi oleh bahan matrik yang lebih lembut dan mulur. Susunan strukturnya menyamai susunan struktur aloi logam tetapi dalam

bahan komposit tidak berlaku perubahan fasa untuk mendapatkan zarah-zarah tersebar dalam matrik.

Terbahagi kepada dua kelas a) komposit zarah besar (large particles composites) dan b) komposit zarah kecil (Dispersion strengthened composites).

Dalam komposit zarah besar mekanisme penguatan ialah zarahan yang tersebar menghalang pergerakan matrik disekitarannya. Tegasan yang bertindak ke atas bahan komposit turut teragih ke atas zarah-zarah besar pada tahap yang hampir sama. Oleh itu ikatan antara matrik dan zarah memainkan peranan utama dalam kekuatan bahan komposit ini.

Pecahan isipadu masing-masing bahan dalam bahan komposit ini mempengaruhi kekuatan bahan.

2

Komposit Bertetulang Zarahan Modulus kekenyalan bahan

komposit zarah besar dipengaruhi oleh kandungan zarah besar dan dinyatakan secara formula matematik menurut batasan atas dan bawah seperti berikut:

dengan Ec ialah bahan komposit, Em=modulus matrik, Ep=modulus zarah, Vm=isipadu matrik, Vp=isipadu zarah.3

ppmm VEVEuE )( (atas)

mppm

pmc EVEV

EElE

)( (bawah)

Formula matematik bagi batasan atas dan bawah diplot dalam geraf di atas dengan Modulus kekenyalan bergantung pada peratusan isipadu bahan zarah (tungsten). Matriks ialah kuprum.

Komposit Bertetulang Zarahan

4

Komposit cemented carbide yang menggunakan tungsten karbida dalam matrik kobalt. (WC-Co) menjadikan bahan ini sangat keras digunakan sebagai bahan pemotong keluli.

Komposit bahan getah tayar yang menggunakan zarah karbon dalam matrik getah sintetik menjadikan lebih kuat dan lebih tahan haus.

Komposit Bertetulang Zarahan Dalam komposit zarah kecil, zarahan adalah kecil dan tindakbalas antara

zarah dan matrik pada tahap atom atau molekul berperanan dalam penguatan bahan komposit. Beban yang dikenakan sebahagian besar ditanggung oleh bahan matrik.

Peranan zarah-zarah kecil terserak dalam matrik ini berperanan menahan pergerakan kehelan dan menguatkan komposit.

Bahan zarah ini yang digunakan pada jumlah yangkecil sahaja boleh daripada logam atau bahan bukan logam. Selalunya juga digunakan bahan oksida.

Bahan komposit ini tidak akan lembut apabila dipanaskan pada suatu tempoh yang lama seperti berlaku pada pengerasan mendakan aloi kerana bahan zarah yang dipilih tidak bertindak dengan matrik pada suhu tinggi.

Contoh: kekuatan aloi nikel pada suhu tinggi boleh dipertingkatkan dengan penambahan 3% (isipadu) Thoria (ThO2) dalam bentuk zarah halus terserak dalam matrik aloi berkenaan. Bahan ini dikenali sebagai Thoria-dispersed nickel (TD).5

Komposit Bertetulang Gentian Bahan komposit dengan fasa serakan ialah bahan berbentuk gentian.

Gabungan antara bahan gentian yang kuat, keras dan rapuh dengan bahan matrik yang lebih mulur dan lembut.

Bahan komposit bertetulang gentian adalah dibuat bertujuan memperbaiki sifat kekuatan bahan, rintangan lesu (fatigue resistance), kekukuhan atau kekakuan (stiffness) dan nisbah kekuatan kepada berat (strength to weight ratio).

Oleh itu bahan ini dibuat dengan menggunakan gentian dan matrik yang berketumpatan rendah supaya dapat menghasilkan nisbah kekuatan kepada berat yang lebih tinggi.

Apabila bahan komposit ini dikenakan beban, beban dihantar (transmit) kepada gentian pada sepanjang panjang gentian. Oleh itu panjang gentian memainkan peranan dalam menentukan keberkesanan peningkatan kekuatan dan kekukuhan baahn komposit ini.

6Beban dihantar kepada gentian

Komposit Bertetulang Gentian Panjang gentian yang berkesan meningkatkan kekuatan dan kekukuhan itu

dipanggil panjang kritikal (lc) diberikan seperti berikut:

dengan d ialah diameter gentian, c ialah kekuatan alah ricih atau ikatan bahan gentian-matrik, *

c ialah kekuatan tegangan muktamad gentian

apabila l=lc; beban maksimum hanya pada kedudukan tengah panjang gentian, l>lc; kesan diperkuat oleh gentian lebih berkesan, l<lc; beban maksimum yang diperkuat oleh gentian tidak tercapai kerana berlaku ubah bentuk pada matrik.7

c

fc

dl

2

*

Komposit Bertetulang Gentian Apabila panjang gentian l >>>lc, pada umumnya l>15lc, gentian berkenaan

dipanggil gentian selanjar (continous). Gentian yang panjang kurang daripada 15lc, dipanggil gentian tidak selanjar (discontinous) atau gentian pendek.

Kekuatan bahan komposit ini juga dipengaruhi oleh orientasi gentian dalam matrik. Iaitu orientasi yang selari atau berarah, dan rawak.

Pada gentian yang selanjar, hanya orientasi selari saja yang mungkin berlaku tetapi pada gentian tidak selanjar kedudukan boleh pada keadaan rawak, selari atau berarah atau sebahagian berarah dan sebahagian lain rawak.

8

a) selanjar dan berarah

b) Tidak selanjar dan berarah

c) tidak selanjar dan rawak.

Komposit Bertetulang Gentian Kelakuan elastik terhadap beban membujur (longitudinal loading) sepaksi. Pada tahap I, matrik dan gentian mengalami ubah bentuk elastik dan pada

tahap II, matrik mengalami ubah bentuk plastik tetapi gentian masih terus meningkat keupayaan menanggung beban sehingga gagal. Pada ketika ini bahan komposit gagal. (ditunjukkan pada rajah (b)

9

Komposit Bertetulang Gentian Bagi komposit bergentian selanjar dan berarah modulus dapat dikira sbb:

Misalkan Fc , Fm dan Ff ialah beban ditanggung oleh bahan komposit, matrik dan gentian. Dengan menganggap ubah bentuk matrik dan gentian adalah sama dan serentak, boleh dinyatakan,

Fc = Fm + Ff dengan takrif F = A , persamaan pertama boleh ditulis dalam bentuk tegasan , iaitu

cAc = mAm + fAf , kemudian dibahagikan dengan luas keratan rentas komposit Ac

c = m (Am/Ac) + f (Af/Ac) jika Vm=Am/Ac dan Vf = Af/Ac merupakan pecahan masing-masing luas keratan rentas bagi fasa matrik dan gentian.

c = mVm + fVf (formula 1) dengan menganggap kedua-dua fasa mengalami terikan sama dan

serentak, maka c = m = f (formula 2) dengan membahagi formula 1 dengan formula 2, didapati, Ec = EmVm + EfVf (formula 3) Vm =1-Vf

dengan formula 3 kitadapat kira modulus kekenyalan bahan komposit pada arah membujur (longitudinal).

10

Bahan Komposit -tetulang gentian Jenis gentian: Antara gentian yang banyak digunakan dalam membuat

bahan komposit ialah gentian kaca, gentian karbon, gentian semulajadi seperti buluh, jut, sabut kelapa dan lain-lain.

Gentian kaca paling banyak digunakan kerana : ia tidak mahal dan mempunyai modulus elastik lebih tinggi daripada matrik

polimernya. Mudah dibuat menjadi gentian kekuatan tinggi dari fasa cecair. Mudah diperolehi dan banyak cara membuat komposit bertetulang gentian

kaca ini. Bila digunakan dalam polimer ia boleh digunakan dalam sekitaran yang

mengkakis (corrosive environment). Komposit dengan gentian kaca dan matrik polimer ini mempunyai ciri

komposit yang bergentian selanjar (panjang) dan berarah. Apabila tegasan dikenakan pada arah gentian, keupayaan menanggung bebanya adalah tinggi.

11

Komposit - bertetulang gentian

12

Komposit - Struktur Struktur komposit ialah terdiri daripada bahan

komposit atau/dan bahan yang homogen disusun menurut susunan geometri tertentu.

Sifat-sifat struktur komposit bukan sahaja ditentukan oleh bahan yang digunakan tetapi juga oleh reka bentuk geometri bahan berkenaan.

Dua jenis struktur komposit yang paling banyak dibuat ialah: struktur laminar dan panel sandwich.

Struktur laminar: terdiri daripada lapisan atau panel 2 dimensi yang mempunyai kekuatan tinggi pada arah tertentu sahaja seperti terdapat pada kayu dan komposit bergentian selanjar dan berarah.

Lapisan atau laminar ini dilapiskan dengan arah setiap lapisan serenjang secara berselangan. Tiap lapisan dilekatkan dengan glu atau bahan pelekat.

13

Struktur laminar

Komposit - Struktur Panel sandwich - yang terdiri daripada dua kepingan luar yang kuat

dengan lapisan dalam antara keduanya diisi dengan bahan yang kurang kuat dan kurang ketumpatan tetapi mempunyai ciri-ciri tertentu seperti mempunyai rintangan api dan sebagainya disamping memberikan kemantapan terhadap daya ricih.

Antara kepingan luar yang digunakan ialah aloi aluminium, plastik bertetulang gentian, keluli, plywood dll.

Terdapat juga bahan tengah digunakan struktur bersel atau honeycomb atau beralun (congurated).

14

Komposit - Pemprosesan

15

Proses Pultrusion

Proses Prepreg

Proses Menggulung filamen