material and their properties -...
TRANSCRIPT
6/15/2015
1
Materials and their
Properties
1
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
• Material dan Dunia Modern
• Ikatan Kimia
• Fase Zat
• Klasifikasi Material
• Rekayasa Material
• Sifat-sifat Material
• Piranti Semikonduktor
• Advanced Material & Nanotechnology
• Knowledge/Creative Based Economy
Outline
2
• 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
3
Tragedi Concorde Tahun 2000
Komponen lepas (fatigue) dari pesawat yang sebelumnya menggunakan
runaway yang sama → terhantam roda pesawat → tangki bahan bakar bocor
4
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.
Runtuhnya World Trade Center
CNN
5
• 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
Material Dan Dunia Modern
Penting untuk
mengetahui sifat material
agar material tersebut
dapat difungsikan sesuai
kebutuhan
6
Tabel Periodik Unsur-unsur
7
DIAMOND GRAPHITE
Jenis Atom Dan Susunannya
8
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 ion- ion 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.
Ikatan Kimia
9
6/15/2015
2
Ikatan Ionik
10
Ikatan Ionik
11
Ikatan Kovalen
Hidrogen
12
Ikatan Kovalen
Air
13
Ikatan Metalik
14
Ikatan Metalik
15
Fase Zat
16
Zat Padat
(Bentuk Dan Volume Tetap)
Kristal: atom-atom tersusun secara teratur
17
Zat Padat: Plastik
Plastik: terbentuk dari
rantai molekul
18
6/15/2015
3
Plastik Daur Ulang
19
• Kristal Cair (Liquid Crystals): Molekul
dapat diorientasikan oleh medan listrik.
Zat Cair
20
Gas
Volume dan bentuk dapat berubah
21
Perubahan Fase Zat
HYDROCARBONS
22
Bensin, minyak tanah,
solar, aspal dan
pelumas merupakan
hasil penyulingan dari
minyak mentah.
Proses Penyulingan (Destilasi)
23
1. Metal
2. Keramik
3. Polymer
4. Material Elektronik
5. Komposit
Klasifikasi Material
24
1. Metal – Besi
– Alloy dan Superalloy (contoh: alloy untuk keperluan dirgantara)
– Senyawa Intermetalik (contoh: high-T structural materials)
2. Keramik
– 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
Klasifikasi Material
25
3. Polymer – Plastik
– Liquid crystals
– Adhesives
4. Material Elektronik – Silicon dan Germanium
– Senyawa golongan III-V (contoh: GaAs)
– Materials Fotonik (contoh: solid-state lasers, LEDs)
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)
Klasifikasi Material
26
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
Metal Dan Sifat-sifatnya
27
6/15/2015
4
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
28
Unsur-unsur metal dalam tabel periodik
Metal Dan Sifat-sifatnya
29
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
Beberapa contoh:
• Unsur metal murni (Cu, Fe, Zn, Ag, dll)
• Alloy – Cu-Sn = perunggu
– Cu-Zn = kuningan
– Fe-C = baja
– Pb-Sn = solder
• Senyawa intermetalik (Ni3Al)
Metal Dan Sifat-sifatnya
30
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.
Keramik Dan Sifat-sifatnya
31
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.
Keramik Dan Sifat-sifatnya
32
Keramik Dan Sifat-sifatnya
Unsur-unsur pembentuk keramik dan gelas
33
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
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.)
Keramik Dan Sifat-sifatnya
34
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.
Polymer Dan Sifat-sifatnya
35
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.
Polymer Dan Sifat-sifatnya
36
6/15/2015
5
Polymer Dan Sifat-sifatnya
37
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
Unsur-unsur pembentuk polymer (terbatas)
38
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
Polymer Dan Sifat-sifatnya
39
• Jenis kekuatan (strength) untuk karakterisasi material – 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.
Sifat-sifat Material (Mekanik)
40
• Tumpukan kertas
• Bangunan terbuat
dari susunan
batu/bata
• Susunan kayu
Kekuatan Tekanan
41
• Kabel
• Tali
• Rantai
Kekuatan Tarikan
42
• Susunan alat penopang
• Intan
Kekuatan Geseran
43
• Medan magnetik
– Ditimbulkan oleh
arus listrik.
– Sifat magnetik atom
ditimbulkan oleh
spin elektron
• Kemagnetan
– Derajat kesearahan
domain menentukan
besar kekuatan medan
magnet.
Sifat Magnetik
44
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
Sifat Listrik
45
6/15/2015
6
Terima Kasih
Bab XI Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan (KPIP) 46