Polimer Komposit

Makin berkembangnya industri di bidang kimia polimer, tentu sepintas kita pernah mendengar istilah komposit polimer.

Jika ditilik pengertian komposit, maka komposit itu merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur bahan penyusunnya. Dalam prakteknya komposit terdiri dari suatu bahan utama (matrik - matrix) dan suatu jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre, fiber), terkadang ada juga penambahan aditif lainnya seperti agent coupling seperti maleat anhidrat (MAH), kelompok silan dan lain-lain.
Sekarang ini , pada umumnya komposit yang dibuat manusia dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama:

1. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC)
2. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)
3. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)

Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC) – Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut, Polimer Berpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) – bahan ini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai penguatannya.Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC) – ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida.Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC) – digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida

Komposit Matrik Polimer

Sistem resin seperti epoksi dan poliester mempunyai batasan penggunaan dalam manufaktur strukturnya, dikarenakan sifat-sifat mekanik tidak terlalu tinggi dibandingkan sebagai contoh sebagian besar logam. Bagaimanapun, bahan tersebut mempunyai sifat-sifat yang diinginkan, sebagian besar khususnya kemampuan untuk dibentuk dengan mudah kedalam bentuk yang rumit.

Bahan seperti kaca, aramid dan boron mempunyai kekuatan tarik dan kekuatan tekan yang luar biasa tinggi tetapi dalam ‘bentuk padat’ sifat-sifat ini tidak muncul. Hal ini berkenaan dengan kenyataan ketika ditegangkan, serabut retak permukaan setiap bahan menjadi retak dan gagal dibawah titik tegangan patah teoritisnya. Untuk mengatasi permasalahan ini, bahan diproduksi dalam bentuk serat, sehingga, meskipun dengan jumlah serabut retak yang terjadi sama, serabut retak tersebut terbatasi dalam sejumlah kecil serat dengan memperlihatkan sisa kekuatan teoritis bahan. Oleh karena itu seikat serat akan mencerminkan lebih akurat kinerja optimum bahan. Bagaimanapun juga satu serat dapat hanya memperlihatkan sifat-sifat kekuatan tarik sesuai panjang serat, seperti halnya serat dalam suatu tali.

Jika sistem resin dikombinasikan dengan serat penguat seperti kaca, karbon dan aramid, sifat-sifat yang luarbiasa dapat diperoleh. Matrik resin menyebarkan beban yang dikenakan terhadap komposit antara setiap individu serat dan juga melindungi serat dari kerusakan karena abrasi dan benturan. Kekuatan dan kekakuan yang tinggi, memudahkan pencetakan bentuk yang rumit, ketahanan terhadap lingkungan yang tinggi dengan berat jenis rendah, membuat kesimpulan komposite lebih superior terhadap logam dalam banyak aplikasi.

Bila Komposit Matrik Polimer mengabungkan sistem resin dan serat penguat, sifat-sifat yang dihasilkan bahan komposit akan memadukan beberapa hal sifat-sifat yang dimiliki oleh resin dan yang dimiliki oleh serat.

Secara umum, sifat-sifat komposit ditentukan oleh:

1. Sifat-sifat serat
2. Sifat-sifat resin
3. Rasio serat terhadap resin dalam komposit (Fraksi Volume Serat – Fibre Volume Fraction)
4. Geometri dan orientasi serat pada komposit

Bahan komposit dibentuk pada saat yang sama ketika struktur tersebut dibuat. Hal ini berarti bahwa orang yang membuat struktur menciptakan sifat-sifat bahan komposit yang dihasilkan, dan juga proses manufaktur yang digunakan biadanya merupakan bagian yang kritikal yang berperanan menentukan kinerja struktur yang dihasilkan.

Pembebanan
Terdapat empat beban langsung utama dimana setiap bahan dalam suatu struktur harus menahannya: tarik, tekan, geser/lintang dan lentur

Tarik
Gambar dibawah memperlihatkan beban tarik yang diterapkan pada suatu komposit. Reaksi komposit terhadap beban tarik sangat tergantung pada sifat kekakuan dan kekuatan tarik dari serat penguat, dimana jauh lebih tinggi dibandingkan dengan resinnya.

Tekan
Gambar dibawah ini memperlihatkan suatu komposit dibawah beban tekan. Disini sifat daya rekat dan kekakuan dari sistem resin adalah penting, sebagaimana resin menjaga serat sebagai kolom lurus dan menjaganya dari tekukan (buckling)

Geser/Lintang
Gambar dibawah ini memperlihatkan suatu komposit dikenakan beban geser. Beban ini mencoba untuk meluncurkan setiap lapisan seratnya. Dibawah beban geser resin memainkan peranan utama, memindahkan tegangan melintang komposit. Untuk membuat komposit tahan terhadap beban geser, unsur resin harus tidak hanya mempunyai sifat-sifat mekanis yang baik tetapi juga daya rekat yang tinggi terhadap serat penguat.

Lenturan
Beban lentursebetulnya merupakan kombinasi beban tarik, tekan dan geser. Ketika beban seperti diperlihatkan, bagian atas terjadi tekan, bagian bawah terjadi tarik dan bagian tengah lapisan terjadi geser.

Sistem-sistem Resin

Apapun sistem resin yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut:

1. Sifat-sifat mekanis yang bagus
2. Sifat-sifat daya rekat yang bagus
3. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus
4. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus

Sifat-sifat Mekanis Sistem Resin
Gambar dibawah memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem resin ideal. Kurva untuk resin menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa resin pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.

Seharusnya dicatat dimana ketika suatu komposit di bebani tarik, untuk mencapai sifat-sifat mekanis yang optimal dari komponen serat, resin harus mampu berubah panjang paling tidak sama dengan serat. Gambar dibawah ini memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat kaca-E, serat kaca-S, serat aramid, dan serat karbon berkekuatan tinggi (yaitu bukan dalam bentuk komposit). Disini terlihat, sebagai contoh, serat kaca-S dengan perpanjangan 5,3%, akan membutuhkan resin dengan perpanjangan paling tidak sama dengan nilai tersebut untuk mencapai sifat tarik yang maksimum.

Sifat-sifat Daya rekat Sistem Resin
Daya rekat yang tinggi antara resin dan serat penguat diperlukan untuk apapun jenis sistem resin. Hal ini akan menjamin bahwa beban dipindahkan secara efisiensi dan akan menjaga pecahnya atau lepasnya ikatan serat dan resin ketika ditegangkan.

Sifat Ketangguhan Sistem Resin
Ketangguhan adalah suatu ukuran dari ketahanan bahan terhadap propaganda retak, tetapi dalam komposit hal ini akan susah untuk diukur secara akurat. Bagaimanapun juga, kurva tegangan dan regangan yang dimiliki sistem resin menyediakan beberapa indikasi ketangguhan bahan. Sistem resin dengan regangan terhadap kegagalan yang rendah akan cenderung menciptakan komposit yang getas, dimana retak dapat mudah terjadi.

Sifat terhadap Lingkungan Sistem Resin
Ketahanan terhadap lingkungan, air dan substansi agresif lain yang bagus, bersama-sama dengan kemampuan untuk bertahan terhadap siklus tegangan konstan, adalah sifat yang paling esensi untuk apapun jenis sistem resin. Sifat-sifat ini secara khusus penting untuk penggunaan pada lingkungan laut.

Read More

Isothermal Transformation Diagram

Diagram TTT atau Isothermal Transformation Diagram (I-T diagram) merupakan sebuah diagram yang menghubungkan transformasi austenite terhadap waktu (dalam skala log) dan temperatur. Dalam proses laku panas pada baja, biasanya pemanasan dilakukan hingga mencapai temperature austenite, kemudian ditahan pada temperature tersebut beberapa saat lalu didinginkan dengan laju pendinginan tertentu. Struktur mikro yang terjadi setelah pendinginan akan tergantung pada laju pendinginan. Karenanya sifat mekanik dari baja setelah akhir suatu proses laku panas akan banyak ditentukan oleh laju pendinginan. Proses transformasi ini dibaca dengan diagram TTT karena kondisi tidak setimbang. Setiap baja (komposisi penyusun baja yang berlainan) akan mempunyai I-T diagram sendiri.

Gambar 1. Diagram TTT untuk Baja Eutektoid (0.8%)

            Kurva sebelah kiri menunjukkan saat mulainya transformasi isothermal dan kurva sebelah kanan menunjukkan saat selesainya transformasi isothermal. Diatas garis A₁ austenit dalam keadaan stabil (tidak terjadi transformasi walaupun waktu penahannya bertambah). Di bawah temperature kritis A₁ pada daerah di sebelah kiri kurva awal transformasi austenite tidak stabil (suatu saat ia akan bertransformasi) dan disebelah kanan kurva akhir transformasi terdapat hasil transformasi isothermal dari austenite, sedang pada daerah diantara dua kurva tersebut terdapat sisa austenite (yang belum bertransformasi) dan hasil transformasi isotermalnya. Titik paling kiri dari kurva awal transformasi disebut hidung (nose) diagram ini. transformasi austenite diatas nose akan menghasilkan perlit sedangkan di bawah nose akan menghasilkan bainit. Tetapi bila transformasi berlangsung pada temperature yang lebih rendah lagi (dibawah garis M_s = Martensite start) akan diperoleh martensit.

Mekanisme Transformasi

            Perubahan austenite menjadi perlit berlangsung dengan difusi, suatu proses yang berlangsung dengan difusi selalu temperature activated dan time dependent serta berlangsung dengan mekanisme pengintian dan pertumbuhan.

            Bila austenite dipaksa berada pada temperature di bawah temperature kritis A1 maka dorongan untuk berubah makin besar, perubahan terjadi lebih awal tetapi pertumbuhan makin lambat, sehingga perlit yang terjadi makin halus. Makin rendah temperaturnya, maka dorongan termodinamik ini berubah menjadi gaya geser (shear force) yang dapa menggeser atom besi pada posisi tertentu (agar dapat berubah dari FCC menjadi BCC).

            Sebenarnya belum ferrit BCC yang terjadi namun suatu struktur BCT (Body Centered Tetragonal) karena austenite mengandung banyak karbon ketika berada di bawah temperatur A1.  Atom karbon yang terperangkap dalam ferrit tersebut membuat BCC memanjang. Karbon yang banyak ini akan keluar melalui proses difusi membentuk sementit dan BCT akan menjadi BCC (ferrit). Sementit yang keluar dari BCT akan keluar pada arah/bidang kristallografik tertentu dari ferrit yang terbentuk ( struktur bainit). Proses ini terjadi bila austenite didinginkan cepat sampai dibawah nose dan temperature berada diatas M_s.  Bainit akan terjadi pada transformasi isothermal dari austenite pada temperature di bawah nose. Pada temperature lebih tinggi diperoleh upper bainite (bainit atas) atau feathery bainite sedangkan pada temperature lebih rendah diperoleh lower bainite (bainit bawah) atau acicular bainite. Perbedaan dari kedua bainit tersbeut terletak pada susunan lamellarnya.

            Selain itu, dari phase austenite pada suhu diantara A₁ dan dibawah nose, terbentuk pula perlit (struktur eutectoid 0.8% C yang terdiri dari phasa ferit yang diselingi dengan lapisan-lapisan Fe₃C). dekomposisi dimulai dari nucleus cementit yang nantinya membentuk nodule dari ferrit. Nodul perlit terbentuk dari plat-plat ferit yang diselingi dengan pelat-pelat cementit. Pada  suhu  dekomposisi  austenit  pada  daerah  nose  akan  menghasilkan campuran perlit dan bainit dalam periode waktu tertentu.

Ketika austenite berada dibawah Ms, maka yang terjadi adalah difusi telah terhenti (karena atom karbon sudah tidak memiliki cukup energi) dan timbul struktur baru dari atom karbon menjadi BCT yaitu martensit. Karena adanya karbon yang terperangkap maka struktur itu menjadi tegang dan kekerasannya tinggi, tetapi juga getas. Banyaknya austenite yang bertransformasi menjadi martensit hanya tergantung pada temperature (mulai Ms dan berakhir di Mf). 

Read More

Titanium Dioxide

1.      Titanium Dioxide (TiO₂)

     TiO₂ (Titanium dioxide / titania) merupakan material semikonduktor yang termasuk kedalam keluarga oksida logam. Pada umumnya TiO₂ digunakan sebagai pigmen putih pada cat, plastik, dan kertas. Selain aplikasi sebagai pigmen, karakteristik fotokatalis dan semikonduktor dari TiO₂ juga membuat material ini banyak digunakan sebagai pendekomposisi bahan organik dengan proses oksidasi, sel surya, dan juga sensor gas. Aplikasi ini dikarenakan TiO₂ mempunyai indeks bias yang tinggi (n = 2,4) dan juga tahan terhadap degradasi warna akibat sinar matahari.

Aplikasi dari TiO₂ pada umumnya dapat ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 1. Aplikasi TiO₂

TiO₂ polikristalin merupakan semikonduktor yang paling banyak digunakan sebagai fotokatalis. Hal ini disebabkan karena sifatnya yaitu: stabil terhadap cahaya (tidak mudah mengalami fotodegradasi)[8], mempunyai kestabilan kimia yang tinggi, nilai celah energi yang tidak terlalu besar, pasangan electron-hole memiliki umur yang lama dan tidak beracun.

     TiO₂ yang ada di alam pada umumnya mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan brookite. Struktur kristal TiO₂ pada fasa rutile, anatase dan brookite seperti dalam gambar.

Gambar 2.  Struktur Kristal Fasa-Fasa Titania

Rutile dan anatase memiliki struktur tetragonal dengan tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda, sedangkan brookite memiliki struktur ortorombik. Rutile memiliki parameter kisi a = b ≠ c, anatase memiliki parameter kisi a = b ≠ c, dan brookite memiliki parameter kisi a ≠ b ≠ c. Kedua struktur kristal rutile dan anatase dibedakan oleh distorsi setiap oktahedron dan susunan rantai oktahedralnya. Pada kedua fasa tersebut, setiap oksigen dan kation titanium yang bertetanggaan membentuk segitiga datar. Pada rutile, ketiga sudut Ti-O-Ti memiliki nilai 120º. Sedangkan pada anatase posisi atom pada kisi mengalami distorsi sehingga salah satu sudut adalah 180º dan dua lainnya mendekati 90º. 

       Rutile lebih stabil pada suhu tinggi, sedangkan rutile lebih stabil pada suhu rendah. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, hanya dua fasa TiO₂ yang sering digunakan sebagai fotokatalis, yaitu: anatase dan rutile. Terbentuknya fasa anatase maupun fasa rutile pada struktur polikristalin TiO₂ bergantung pada transisi fasa yang kristalin TiO₂. Titania pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile diatas 35 nm. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, umumnya digunakan TiO₂ pada fasa anatase karena mempunyai kemampuan fotokatalitik yang tinggi. Selain itu, untuk meningkatkan kinerja sistem, struktur nanokristal dan juga luas permukaan yang tinggi dari TiO₂ adalah faktor yang penting untuk meningkatkan densitas dan transfer elektron.Karakteristik dari fasa-fasa titania ini ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah ini.

Tabel 1 Tabel Karakteristik Fasa-Fasa Titania

TiO₂ telah diproduksi secara komersial. Salah satu merek dagang TiO₂ adalah Degussa P-25 dengan fasa kristal campuran antara rutile dan anatase. Degussa P-25 diperoleh melalui metode klorida. TiO₂ Degussa P-25 memiliki luas permukaan yang cukup besar (sekitar 50 m2g-1), ukuran rata-rata partikel 21 nm dan cacat kristal dalam jumlah yang sedikit.

2.        Fotokatalisis Pada Permukaan Lapisan TiO₂

     Fotokatalisis merupakan proses terjadinya reaksi suatu materi terhadap materi lainnya yang diperantarai oleh energi dari penyinaran ultraviolet. Penyinaran permukaan TiO₂ (bersifat semikonduktor) menghasilkan pasangan electron dan hole positif pada permukaannya juga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan/atau hidrofilik (suka akan air) dan kemudian berubah lagi menjadi nonpolar dan/atau hidrofobik (tidak suka air) setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran lagi.

     Sifat hidrofilik dan hidrofobik, salah satunya, ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapisan tipis TiO₂ tersebut, yaitu sedikit lebih besar dari 50 derajat pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi mendekati 0 derajat setelah disinari. Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik).

Mekanisme fotokatalisis pada TiO₂ dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 3.Ilustrasi Mekanisme Fotokatalisis pada TiO₂

Bahan semikonduktor TiO₂ memiliki selang energi yang kecil antara pita valensi dan pita konduksi. Untuk menghasilkan proses fotokatalisis, bahan semikonduktor membutuhkan serapan energi yang lebih besar dari selang energinya (Eg = 3.2 eV). Adsorpsi molekul organik pada permukaan partikel fotokatalis memperkecil aktivasi energi dari proses reaksi. Penyerapan sinar matahari (UV) oleh partikel fotokatalis akan membentuk 2 pasang electron dan hole. Electron akan bereaksi dengan oksigen dari larutan membentuk anion (O₂-) yang mana akan mengoksidasi secara kuat hydroxyl radikal (OH-). Sedangkan hole akan mengoksidasi hydroxyl yang terlarut dan membuatnya menjadi radikal dengan energi yang besar. Hydroxyl radikal yang memiliki energi yang besar akan mengubah polutan organi menjadi zat yang tidak berbahaya, sehingga TiO₂ dapat diaplikasikan untuk self-cleaning.

3.        Aplikasi fotokatalisis TiO₂ untuk disinfeksi bakteri E. Coli

                   Teknologi fotokatalisis menarik untuk dikembangkan pada proses disinfeksi mikroorganisme karena kemampuannya untuk mendegradasi mikroorganisme dalam konsentrasi yang sangat kecil tanpa menghasilkan produk samping yang berbahaya.Penelitian fotokatalisis TiO₂ dikembangkan secara luas untuk menguji kemampuannya dalam membunuh virus, bakteri, fungi, alga, dan sel kanker. Ketika diterangi dengan sinar ultraviolet-dekat, titanium oksida (TiO₂) menunjukkan aktivitas anti bakteri yang baik. Kematian sel bakteri oleh fotokatalisis disebabkan berkurangnya permeabilitas sel. Kontak pertama fotokatalis dengan sel terjadi pada dinding sel, dimana reaksi oksidasi oleh fotokatalis akan merusak dinding sel bakteri. Bakteri dengan dinding sel yang rusak masih merupakan bakteri yang sehat, namun tanpa perlindungan. Setelah menghilangkan perlindungan dinding sel, selanjutnya reaksi oksidasi terjadi di membran sitoplasma, Kerusakan oksidatif yang terjadi akan semakin meningkatkan permeabilitas sel, dan menyebabkan isi dalam sel mengalir bebas keluar sel yang menyebabkan kematian sel. Partikel TiO₂ yang bebas juga dapat mencapai membran sel yang sudah rusak, dan serangan langsung tersebut dapat mempercepat kematian sel.

4.        Aplikasi fotokatalisis TiO₂ untuk self-cleaning

            Adanya sifat hidrofilik dan hidrofobik pada fotokatalisis permukaan TiO₂ maka kotoran yang bersifat suka air pada setiap bagian permukaan akan terbawa saat air mengalir di atas permukaan tersebut. Sementara kotoran yang tidak suka air (minyak) yang berarti nonpolar atau hidrofobik akan tergelincir saat berada pada permukaan yang sangat hidrofilik[1]. Sebagai tambahan kotoran nonpolar (kebanyakan zat organik) yang tertinggal di permukaan lapisan tipis TiO₂ secara pelahan akan hancur, dipecah menjadi karbondioksida dan air akibat proses fotokatalisis. Hal inilah yang dapat diaplikasikan untuk self-cleaning pada permukaan beberapa permukaan material.

Read More

Fase, Komponen, dan Hukum Fase Gibbs

             Fase merupakan keadaan materi yang seragam di seluruh bagiannya, bukan hanya dalam komposisi kimianya, melainkan juga dalam keadaan fisiknya. Gas, atau campuran gas adalah fase tunggal, Kristal adalah fase tunggal dan dua cairan yang dapat campur secara total membentuk fase tunggal. Es adalah fase tunggal (P=1), walaupun es itu dapat dipotong-potong menjadi bagian-bagian kecil. Campuran es dan air adalah sistem dua fase (P=2) walaupun sulit untuk menentukan batas antara fase-fasenya. 

            Komponen merupakan spesies yang ada dalam system, seperti zat terlarut dan pelarut dalam larutan biner. Banyaknya komponen dalam sistem C adalah jumlah minimum spesies bebas yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fase yang ada dalam sistem. Dengan kata lain, kita hanya menghitung banyaknya jika spesies yang ada dalam sistem tidak bereaksi. Misalnya, air murni adalah sistem satu-komponen (C=1) dan campuran etanol dan air adalah sistem dua-komponen (C=2). Biasanya untuk melakukan perhitungan banyaknya komponen bisa didefinisikan sebagai C = S – R ; dengan C merupakan komponen, S adalah spesies/molekul dan R adalah reaksi yang terjadi antara spesies-spesies (reaksi-reaksi pada kesetimbangan, kenetralan muatan).

            Dalam sistem komponen-tunggal  (C=1), tekanan dan temperature dapat diubah secara bebas jika hanya ada satu fase (P=1). Jika kita mendifinisikan varian F sistem sebagai banyaknya variable intensif yang dapat diubah dengan bebas tanpa mengganggu banyaknya fase yang berada dalam kesetimbangan, maka F=2. Jadi sistem itu bivarian dan mempunyai dua derajat kebebasan. Berdasarkan perhitungan J.W. Gibbs tentang aturan fase yang menunjukkan hubungan umum antara varian F, jumlah komponen C, dan jumlah fase pada kesetimbangan P untuk suatu sistem dengan komposisi sembarang, ialah:

P + F = C + N

(2.1)

Dengan N adalah jumlah variable non-komposisi.

P + F = C + 2

Secara umum, hukum fase Gibbs, didefinisikan sebagai

Misalnya :

Sistem Cu – Ag (berdasar diagram fase untuk reaksi eutektik)

Dari diagram diketahui bahwa tekanan konstan. N = 1 (hanya temperature varibel non-komposisi).

P + F = C + N

P + F = 2 + 1 = 3

F = 3 – P

Jika fase = fase tunggal (a atau b atau L), P = 1

F = 3 – 1 = 2

Artinya bahwa untuk menerangkan karakteristik paduan mempunyai fase tunggal, harus menentukan 2 parameter yaitu komposis dan temperatur.

Sistem satu komponen

Untuk sistem satu-komponen, seperti air murni,

F = 3 – P

Jika hanya ada satu fase, F= 2 dan P dan T dapat diubah-ubah dengan bebas. Dengan kata lain, fase tunggal digambarkan denan daerah pada diagram fase. Jika dua fase dalam kesetimbangan, F = 1, yang berarti tekanan bukanlah variable bebas jika kita sudah menentukan temperaturnya. Jadi, kesetimbangan dua fase digambarkan dengan garis di dalam diagram fase. Jika ketiga fase ada dalam kesetimbangan, F = 0. Kondisi invarian yang khusus ini hanya dapat terjadi pada temperatur dan tekana tertentu. Oleh karena itu kesetimbangan tiga fase itu digambarkan dengan satu titik, yaitu titik tripel, pada diagram fase. Empat fase tidak dapat berada pada kesetimbangan dalam sistem satu-komponen karena F tidak dapat negatif.

Sistem dua-komponen (biner)

Jika dua komponen ada dalam satu sistem, C = 2 dan hanya ada 1 non-komponen, N = 1, maka persamaan 2.1 berubah menjadi

P + F = 3

Untuk penyerdehanaan, di sistem biner tekana dibuat supaya tetap (misalnya pada 1 atm), yang berarti akan menghabiskan satu derajat kebebasan, dan F = 3 – P untuk varian sisanya. Salah satu sisa derajat kebebasan ini adalah temperatur, yang lain adalah komposisi (yang dinyatakan dengan fraksi mol satu komponen).

Sistem tiga-komponen

Untuk sistem tiga-komponen, F = 5 – P, sehingga variannya dapat mencapai 4. Dengan menjaga temperatur dan tekanan tetap, masih ada dua derajat kebebasan (yaitu fraksi mol dua komponen). Salah satu cara terbaik untuk memperlihatkan variasi kesetimbangan fase dengan sistem komposisi digunakan diagram fase segitiga.

Read More

Teknologi Semikonduktor Sekarang dan yang Akan Datang - http://www.opto.lipi.go.id

Teknologi Semikonduktor Sekarang dan yang Akan Datang
Wilson Walery Wenas

Kemampuan menguasai teknologi tinggi adalah merupakan syarat mutlak bagi suatu negara untuk memasuki negara industri baru. Salah satu bidang teknologi tinggi yang sangat mempengaruhi peradaban manusia di abad ini adalah teknologi semikonduktor dan mikroelektronika. Bidang ini biasanya dianalogikan dengan tiga kata bahasa Inggris yang mempengaruhi kehidupan modern yaitu Computer, Component dan communication. Untuk komputer, topik utama dalam bidang ini adalah bagaimana membuat komputer menjadi lebih cepat, lebih ramping dengan fungsi yang lebih kompleks dan komsumsi daya yang makin kecil. Untuk tujuan tersebut, terdapat dua pendekatan yang saling mendukung yakni dari segi hardware dan software. Dari segi hardware adalah bagaimana membuat transistor sebagai komponen aktif terkecil menjadi semakin kecil dan berkecepatan tinggi. Dari segi software adalah bagaimana mendesain rangkaian terpadu (integrated circuit) yang makin kompleks menjadi semakin ramping dan kompak. Tulisan di bawah ini membahas mengenai pendekatan dari segi hardware yakni perkembangan dari divais-divais elektron (elektron devices) saat ini dan yang akan datang sebagai komponen dasar peralatan semikonduktor/elektronika, dengan tinjauan dari sudut material semikonduktor itu sendiri.

Teknologi Silikon

Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak bisa lepas dari material semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan persediaan yang berlimpah di bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan, telah menjadi pilihan dalam teknologi semikonduktor. Silikon very large scale integration (VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini. Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari komputer telah mendorong teknologi silikon VLSI ke silikon ultra high scale integration (ULSI). Saat ini metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar teknologi integrated circuit (IC). Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi sekitar 0,1 mikron untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa masalah yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short channel dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu sendiri.

Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.

Teknologi berbasis silikon

Seperti diketahui, ditinjau dari struktur elektronikanya, material semikonduktor dapat dibedakan atas dua jenis yaitu yang memiliki celah pita energi langsung (direct bandgap) dan celah pita energi tidak langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material dengan celah energi yang tidak langsung, di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari membawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya. Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik, sehingga tertutup kemungkinan misalnya membuat IC yang di dalamnya terkandung detektor optoelektronik atau suatu sumber pemamcar cahaya dengan hanya menggunakan material silikon saja. Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengatasi hal ini antara lain dengan mengembangkan apa yang dikenal sebagai bandgap engineering. Salah satu contohnya adalah menumbuhkan struktur material SiGe/Si straitned layer superlattice. Parameter mekanik strain yang timbul karena perbedaan konstanta kisi kristal antara lapisan SiGe dan Si tersebut akan mempengaruhi struktur elektronik dari material di atas sehingga muncul efek brillioun-zone folding yang mengubah struktur pitanya menyerupai material dengan celah energi langsung (direct bandgap). Kombinasi dari kedua material tersebut memungkinkan terjadinya pemancaran dan penyerapan cahaya. Cara lain yang juga popular untuk memperbaiki sifat optik dari silikon adalah apa yang dinamakan material silikon porous. Dengan pelarutan secara elektrokimia, pada lempeng silikon dapat berbentuk lubang-lubang yang berukuran puluhan angstrom. Dengan bantuan sinar laser, akan dapat dilihat dengan mata telanjang pemancaran cahaya dari material silikon tersebut. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan model two-dimensional quantum confinement. Kelemahan dari teknik ini adalah sifat reproducibility-nya yang rendah. Kemajuan-kemajuan di atas membuka era baru bagi material silikon dan panduannya untuk diaplikasikan pada divais optoelektronika.

Teknologi GaAs

Salah satu hambatan dari teknologi silikon adalah sifat listrik yang berhubungan dengan rendahnya mobilitas pembawa muatan dari material silikon ini. Mobilitas adalah parameter yang menyatakan laju dari pembawa muatan dalam semikonduktor bila diberi medan listrik. Untuk membuat piranti berkecepatan tinggi, galium arsenide (GaAs) dan material-material panduannya telah dipertimbangkan sebagai material pengganti silikon. Selain untuk divais elektron, material ini juga digunakan divais fotonik/laser dan divais gelombang mikro (microwave device). GaAs adalah material semikonduktor dari golongan III-V yang memiliki mobilitas elektron sekitar enam kali lebih tinggi dari silikon pada suhu ruang. Material ini bertipe celah energi langsung. Dengan memanfaatkan kelebihan ini, telah berhasil dibuat transistor yang disebut high electron mobility transistor (HEMT), menyusul transistor yang lebih dahulu popular untuk teknologi GaAs yaitu metal semiconductor field effect transistors (MESFET). Struktur dari HEMT mirip dengan MOSFET, tapi dengan menggunakan teknik modulasi doping, di mana elektron dapat dipisahkan dari ion pengotornya dan bergerak dalam sumur potensial dua dimensi (2DEG) dengan kecepatan tinggi. Pengembangan IC dengan berbasis material GaAs saat ini juga sedang ramai diteliti. Beberapa tahun yang lalu telah berhasil dibuat 64 kb static random access memory (SRAM) yang berkecepatan tinggi sebesar 2ns dengan menggunakan teknologi HEMT berukuran 0,6 mikron. Transistor berkecepatan tinggi lainnya yang sedang dikembangkan adalah heterojunction bipolar transistor (HBT). Struktur dari transistor ini adalah sambungan npn di mana emiter menggunakan material dengan celah energi yang lebih besar dibandingkan dengan base dan kolektor. Pada kondisi ini, diharapkan resistansi dari base dan kapasitansi dari sambungan base-emitter akan dapat direduksi sehingga dapat diperoleh frekuensi maksimum osilasi (fmaks) yang tinggi. Saat ini sudah dibuat HBT dengan fmaks 200 GHz. Walaupun banyak kemajuan yang sudah dicapai, banyak orang meragukan kemampuan teknologi GaAs ini untuk dapat bersaing dengan teknologi silikon dalam orde 0,1 mikron atau yang lebih kecil. Itulah sebabnya, banyak perusahaan semikonduktor terutama di Amerika Serikat yang tidak menganggap teknologi GaAs ini sebagai pengganti silikon.

Divais kuantum

Dewasa ini, perhatian besar juga diberikan pada struktur semikonduktor berdimensi rendah (low-dimensional semiconductor) seperti quantum well (2D), quantum wire (1D) dan quantum dot (0D). Struktur seperti ini adalah pembuka jalan ke era fabrikasi nanoteknologi dan divais kuantum (quantum device). Telah diketahui bahwa bila elektron dikurung dalam daerah potensial dengan dimensi yang sama dengan panjang gelombangnya maka akan muncul sifat gelombang elektron dan berbagai fenomena kuantum akan dapat diamati. Beberapa fenomena kuantum dapat mengurangi performansi dari divais itu sendiri sedangkan fenomena yang lain dapat memacu terciptanya divais kuantum yang baru. Beberapa divais kuantum seperti wire-transistor, single-electron transistor sudah berhasil dibuat dan menunjukkan kecepatan yang tinggi. Permasalahan yang timbul dari divais yang dibuat berdasarkan struktur semikonduktor dimensi rendah ini adalah arus drive yang rendah sehingga masih sulit untuk diaplikasikan. Secara umum, permasalahan yang dihadapi divais kuantum ini adalah operasi kerjanya yang masih harus dilakukan pada suhu rendah (seperti suhu helium cair : 4,2K) agar dapat diamati fenomena kuantum secara jelas. Hal ini tentunya akan menaikkan ongkos pembuatan sehingga belum menarik untuk diproduksi.

Intelligent material

Dari uraian di atas terlihat bahwa meskipun perkembangan divais semikonduktor dewasa ini sangat cepat, beberapa hambatan sudah mulai terlihat. Pertanyaan yang muncul adalah apakah usaha-usaha untuk memperbaiki performasi dari divais semikonduktor dapat terus dilakukan dengan pola yang ada sekarang ini atau harus dicari pola yang lain. Pola yang ada sekarang adalah bahwa dalam teknologi IC, transistor sebagai divais aktif dasar hanya mempunyai satu fungsi saja dan kemudian diubah menjadi berfungsi banyak dengan bantuan disain sirkuit dan software. Dengan berkembangnya permintaan untuk menciptakan suatu rangkaian terpadu yang makin kompleks, beban yang ditanggung oleh disain software akan makin berat sehingga kemungkinan besar sulit untuk direalisasikan. Untuk itu, dari pihak hardware, haruslah dilakukan usaha untuk dapat membantu meringankan beban tersebut. Salah satu usul adalah menciptakan divais yang multifungsi sehingga divais menjadi lebih adaptif. Divais seperti ini dapat direalisasikan dengan menggunakan apa yang disebut sebagai intelligent material. IC yang terbuat dari divais yang adaptif seperti ini akan menjadi bermultifungsi tanpa harus membebani disain software yang makin kompleks.

Tantangan di Indonesia

Jadi terlihat bahwa teknologi semikonduktor berkembang sangat pesat dengan mengeksploitasi fenomena-fenomena fisika yang sebelumnya hanya tertulis dalam texbook semikonduktor atau zat padat saja. Hal ini dimungkinkan karena banyaknya kemajuan yang dicapai dalam pengembangan peralatan-peralatan penumbuh material dalam bentuk film tipis. Hal ini juga diimbangi dengan kemajuan dalam teknik fabrikasi divais dan proses produksi. Sebagai teknologi tinggi, teknologi semikonduktor saat ini hanya terpusat di negara-negara industri dan negara industri baru saja karena memang membutuhkan biaya riset yang besar dan banyak tenaga ahli. Untuk Indonesia, langkah terbaik yang harus dilakukan adalah secepat mungkin terlibat dalam teknologi ini sehingga tidak jauh tertinggal. Prioritas pengembangan harus dapat ditentukan sendiri tanpa harus mengikuti jejak dari negara-negara yang sudah lebih dahulu maju dengan teknologi ini. Hal ini tentunya harus dikaitkan dengan peluang kompetisi yang masih tersisa. Negara-negara industri baru di Asia sudah membuktikan bahwa selalu ada peluang yang dapat ditempuh. Salah satu langkah konkrit yang mendesak saat ini adalah memperbanyak para ahli yang menguasai teknologi ini sehingga dapat terbentuk suatu masyarakat semikonduktor ynag dapat bekerja sama.

Sumber : Elektro Indonesia 5/1996

---

revisi terakhir : 1 Desember 2004

Read More

Zeolit

Zeolit merupakan salah satu bahan kekayaan alam yang sangat bermanfaat bagi industri kimia di Indonesia. Zeolit ada dua macam yaitu zeolit alam dan sintetik. Zeolit alam sudah banyak dimanfaatkan sehingga jumlahnya semakin berkurang. Umumnya zeolit alam digunakan untuk pupuk, penjernihan air, dan diaktifkan untuk dimanfaatkan sebagai katalis dan adsorbent. Zeolit sintetik sudah banyak digunakan di industri namun di Indonesia belum banyak diproduksi dan umumnya diperoleh dari impor. Untuk memenuhi kebutuhan zeolit ini maka para ahli melakukan penelitian sehingga didapatkan berbagai macam zeolit sintetik. Indonesia banyak membutuhkan zeolit sintetik untuk proses – proses kimia di industri kimia seperti sebagai katalis, ion exchanger, dan adsorbent dalam pengolahan limbah. Untuk itu dibutuhkan zeolit sintetik yang mempunyai kemurnian tinggi dan kualitas baik. Bahan baku pembuatan zeolit adalah bahan yang mengandung

silika dan alumunium. Kedua bahan baku ini jika diambil dari alam dan bahan logam tentunya mahal, namun dalam bentuk senyawa banyak diperoleh dan murah harganya. Silika dapat diperoleh dari bahan gelas / water glass, dan alumunium dapat diperoleh dari tawas, dan masih banyak bahan yang dapat digunakan untuk pembuatan zeolit sintetik.

Zeolit adalah kristal alumino silikat dari elemen grup IA dan grup IIA seperti natrium, kalium, magnesium, dan kalsium [6]. Secara kimia zeolit dapat ditulis dengan rumus empirik :

M2/nO.Al2O3.ySiO2.wH2O

dimana y adalah 2 atau lebih besar, n adalah valensi kation, dan w melambangkan air yang terkandung didalamnya. Struktur zeolit adalah kompleks yaitu merupakan polimer kristal anorganik didasarkan kerangka tetrahedral yang diperluas tak terhingga dari AlO4 dan SiO4 dan dihubungkan satu dengan lainnya melalui pembagian bersama ion oksigen.

Struktur kerangka ini mengandung saluran yang diisi oleh kation dan molekul air. Kation aktif bergerak dan umumnya bertindak sebagai ion exchange. Air dapat dihilangkan secara reversibel yang secara umum dengan pemberian panas. Jika zeolit didasarkan pada satu unit sel kristal dapat dituliskan sebagai :

Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].wH2O

dimana :

n : valensi dari kation M

w : jumlah molekul air per unit sel

x dan y : jumlah total tetrahedral per unit

sel

Biasanya y / x bernilai 1 - 5, tetapi zeolit dengan silika tinggi harga y / x dibuat hingga 10 – 100 atau bahkan lebih tinggi.

Banyak kristal zeolit baru telah disintesis dan memenuhi beberapa fungsi penting dalam industri kimia dan minyak bumi dan juga dipakai sebagai produk seperti deterjen. Telah diketahui lebih dari 150 tipe zeolit sintetik dan 40 mineral zeolit. Beberapa jenis zeolit berdasarkan rasio Si / Al antara lain, zeolit silika rendah dengan perbandingan Si/Al 1 – 1,5, memiliki konsentrasi kation paling tinggi, dan mempunyai sifat adsorp s i yan g op timu m , contoh zeoli t silika rendah adalah zeolit A dan X; zeolit silika sedang, yang mempunyai perbandingan Si/Al adalah 2-5, contoh zeolit jenis ini adalah Mordernit, Erionit, Klinoptilolit, zeolit Y; zeolit silika tinggi, dengan perbandingan kadar Si/Al antara 10 – 100, bahkan lebih, contohnya adalah ZSM-5.

Proses pembuatan zeolit secara komersial terbagi menjadi tiga kelompok yaitu pembuatan zeolit dari gel reaktif aluminosilika atau hidrogel, konversi dari mineral tanah liat menjadi zeolit, dan proses berdasarkan pada penggunaan material mentah zeolit yang sudah ada di alam. Hidrogel dan konversi dari mineral tanah liat

membentuk bubuk atau pellet zeolit dengan kemurnian tinggi. Produk zeolit bubuk biasanya terikat dengan oksida organik atau mineral membentuk partikel yang menyatu untuk mempermudah dalam menangani dan menggunakannya.

Kristal zeolit kemurnian tinggi yang digunakan dalam proses adsorbsi harus dibentuk menjadi gumpalan yang mempunyai kekuatan fisik tinggi dan ketahanan terhadap keausan. Bubuk kristal dibentuk menjadi gumpalan dengan tambahan pengikat anorganik umumnya adalah tanah liat, dalam campuran basah. Campuran tanah liat zeolit kemudian dipotong menjadi pellet tipe silinder atau dibentuk menjadi manikmanik, setelah itu dikalsinasi membentuk komposit yang kuat. Proses komersial pertama dalam pembuatan zeolit sintesis dalam skala besar yang berdasarkan sintesis dalam laboratorim adalah dengan menggunakan hidrogel tak berbentuk (amorphous hydrogels). Material yang digunakan adalah natrium silikat, natrium aluminat, dan natrium hidroksida. Hydrogel process didasarkan baik sebagai sel gel homogen yang hidrogelnya disiapkan dari alumina reaktif atau silika dalam bentuk padat sebagai contoh bubuk silika padat. Bahan baku diukur dalam tangki pencampuran dalam rasio yang tepat. Kristalisasi dilakukan dalam kristaliser terpisah. Langkah aging pada

suhu kamar sebelum kristalisasi mungkin diperlukan untuk sintesa beberapa zeolit kemurnian tinggi. Umumnya suhu kristalisasi adalah dekat titik didih air, dalam kasus tertentu seperti sintesa zeolit tipe mordenit suhu yang lebih tinggi diperlukan. Setelah periode penghancuran, slurry kristal dalam larutan disaring pada rotary filter.

Jika dilihat dari manfaatnya, zeolit X dapat digunakan sebagai katalis, adsorbent, separasi gas, ion-exchanger, petrochemical, dan dapat pula digunakan sebagai deterjen. Oleh karena berbagai manfaat tersebut, maka penelitian mengenai pembuatan zeolit X ini perlu dilakukan. Pada penelitian sebelumnya pembuatan zeolit X dilakukan dengan proses hidrogel, dengan bahan baku larutan natrium aluminat, yang dicampur dengan larutan KOH dan NaOH, kemudian ke dalam campuran tersebut ditambahkan larutan natrium silikat. Pada penelitian ini, kami mengganti larutan natrium aluminat, KOH, dan NaOH, dengan bahan lain yang memiliki kandungan unsur-unsur yang sama yaitu tawas. Dan waterglass digunakan sebagai alternatif pengganti larutan natrium silikat. Penggunaan bahan baku water glass ini didasari oleh alasan bahwa kandungan silikat dalam water glass besar dan harganya relatif murah. Kondisi operasi optimum dalam pembuatan zeolit X dapat ditentukan dengan metode Response Surface Methodology (RSM). Dengan metode ini dapat diketahui bagaimana kombinasi kondisi proses yang cukup baik untuk mendapatkan zeolit X dengan perolehan hasil atau yield yang baik. Di samping itu, dalam metode RSM ini juga ditinjau pengaruh interaksi antar variabel. Tujuan penelitian ini adalah mencari kondisi operasi optimum dari pembuatan zeolit X dari bahan tawas dan waterglass.

Flanigen, E.M., 1991, “Zeolite and Molecular Sieves An Historical Perspective”, Elsevier Science Publishers B.V., New York

Read More

Sifat Mekanik Bahan

Sifat mekanik bahan

1. Elastisitas

Elastisitas merupakan kemampuan benda untuk ekmbali ke bentuk semula setelah gaya yang bekerja pada benda tersebut dihilangkan. Benda-benda yang memiliki sifat elastik disebut benda elastik, misalnya karet gelang, mistar platik dan pegas baja. Selain memiliki sifat elastik, benda padat juga memiliki sifat plastis yaitu sifat yang bertolakbelakang dengan sifat elastis. Contohnya ialah tanah lempung dan plastisin.

2. Hukum Hooke

Hukum hooke menyatakan bahwa gaya yang bekerja pada pegas sebanding dengan konstanta pegas dan pertambahan panjang pegas. Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah pegas hingga pegas terenggang.

3. Kekuatan Bahan

Dalam bidang teknologi, kualitas bahan yang digunakan harus sesuai dengan keperluan dan fungsinya. Untuk keperluan tersebut, suatu bahan yang digunakan harus sesuai dengan keperluan dan fungsinya. Untuk keperluan tersebut, suatu bahan harus diuji macam-macam komposisi zatnya dan juga dilakukan pengujian sifat mekanis bahan yaitu tentang kelenturan dan kekerasannya. Empat sifat mekanis yang penting ialah kekuatan (strength), kekakuan (stiffness), kelenturan (ductility), dan kekerasan (hardhness).

Kekuatan suatu bahan berhubungan dengan besar gaya yang mampu ditahan oleh bahan sampai bahan itu tepat pecah atau patah. kekakuan berhubungan dengan ketahanan bahan itu terhadap suatu gangguan pada perubahan bentuk atau ukuran atau kedua-duanya. Kelenturann suatu bahan berhubungan dengan ketahanan terhadap pukulan, tekanan, bengkokan, juga bila digulung atau diregang menjadi bentuk-bentuk yang kita kehendaki. Sedangkan kekerasan suatu bahan berhubungan dengan bahan yang tidak rapuh atau tidak mudah retak.

Read More