BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Komposit merupakan kombinasi dari dua material atau lebih dalam skala

makro yang secara disik dan mekanik dapat dipisahkan satu dengan lainnya. Sifat

komposit ditentukan oleh material penyusunnya (matriks dan penguat). Pada

dasarnya jenis matriks didalam suatu komposit lah yang berpengaruh lebih besar

terhadap sifat fisik material seperti ketahanan kimia, ketahan thermal dan

ketahanan terhadap radiasi ultra violet. Matriks berguna dalam mentransfer

tegangan ke serat, membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat,

melindungi serat, memisahkan serat, Melepas ikatan, tetap stabil setelah proses

manufaktur.

Reinforcement (penguat) atau Filler atau Fiber adalah salah satu bagian

utama dari komposit yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada

komposit.Secara struktur mikro material komposit tidak merubah material

pembentuknya (dalam ordekristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit

berbeda dengan material pembentuknyakarena terjadi ikatan antar permukaan

antara matriks dan filler

Didalam mekanika material komposit memperhatikan nilai properties dari

suatu material agar kita dapat menerapkan material tersebut dengan benar dan

sesuai dengan sifatnya, nilai properties material yakni seperti Elastisitas,

massajenis, Tegangan, dan Regangan material.

1.2 Tujuan

Tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai bahan atau referensi

pembelajaran tentang mekanika material komposit dan mengenal lebih jauh

material komposit itu.

1.3 Rumusan Masalah

Adapun perumusan masalah dari penulisan makalah ini adalah untuk

mengetahui apakah yang dimaksud dengan material komposit, apa saja sifat-sifat

material komposit.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Klasifikasi Bahan Komposit

Klasifikasi komposit serat (fiber-matrik composites) dapat dibedakan

menjadi:

1. Fiber composites (komposit serat) adalah gabungan serat dengan matrik

2. Flake composites adalah gabungan serpih rata dengan matrik.

3. Particulate composites adalah gabungan partikel dengan matrik.

4. Filled composites adalah gabungan matrik continous skeletal

5. Laminar composites adalah gabungan lapisan atau unsur pokok lamina.

Bahan komposit terdiri dari dua macam, yaitu bahan komposit partikel

(particulate composite) dan bahan komposit serat (fiber composite). Bahan

komposit partikel terdiri dari partikel yang diikat matrik. Komposit serat ada

dua macam, yaitu serat panjang (continuos fiber) dan serat pendek (short fiber

atau whisker).

Klasifikasi bahan komposit digambarkan pada gambar berikut :

2..2 Tipe Komposit Serat

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe serat pada komposit

yaitu:

1. Continuous Fiber Composite

Tipe ini mempunyai susunan serat panjang dan lurus, membentuk

lamina diantara matriknya. Tipe ini mempunyai kelemahan

pemisahan antar lapisan.

2. Woven Fiber Composite (bi-directional)

Komposit ini tidak mudah dipengaruhi pemisahan antar lapisan

karena susunan seratnya mengikat antar lapisan. Susunan serat

memanjangnya yang tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan

dan kekakuan melemah.

3. Discontinuous Fiber Composite

Discontinuous Fiber Composite adalah tipe komposit dengan serat

pendek.

4. Hybrid Fiber Composite

Hybrid fiber composite merupakan komposit gabungan antara tipe

serat lurus dengan serat acak. Tipe ini digunakan supaya dapat

menganti kekurangan sifat dari kedua tipe dan dapat

menggabungkan kelebihannya.

2.3 Faktor Yang Mempengaruhi Performa Komposit

1. Faktor Serat

2. Letak Serat

a. One dimensional reinforcement

mempunyai kekuatan pada arah axis serat.

b. Two dimensional reinforcement (planar)

mempunyai kekuatan pada dua arah atau masing-masing arah orientasi

serat.

c. Three dimensional reinforcement

mempunyai sifat isotropic kekuatannya lebih tinggi dibanding dengan

dua tipe sebelumnya.

3. Panjang Serat

Serat panjang lebih kuat dibanding serat pendek. Oleh karena itu

panjang dan diameter sangat berpengaruh pada kekuatan maupun modulus

komposit. Serat panjang (continous fiber) lebih efisien dalam peletakannya

daripada serat pendek.

4. Bentuk Serat

Bentuk serat tidak mempengaruhi, yang mempengaruhi adalah

diameter seratnya. Semakin kecil diameter serat akan menghasilkan

kekuatan komposit yang tinggi.

5. Faktor Matrik

Matrik dalam komposit berfungsi sebagai bahan pengikat serat

menjadi sebuah unit struktur, yang melindungi dari perusakan eksternal,

meneruskan atau memindahkan beban eksternal pada bidang geser antara

serat dan matrik, sehingga matrik dan serat saling berhubungan. Bahan

polimer yang sering digunakan sebagai material matrik dalam komposit ada

dua macam yaitu thermoplasik dan thermoset. Thermoplastic dan termoset

ada banyak jenisnya, antara lain :

a. Thermoplastik,

bahan-bahan yang tergolong diantaranya Polyamide (PI),

Polysulfone (PS), Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylene

sulfide (PPS), Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), dll.

b. Thermoset,

bahan-bahan yang tergolong diantaranya epoksi, polyester.

Phenolic, plenol, Resin Amino, Resin furan, dll.

6. Katalis

Katalis digunakan untuk membantu proses pengeringan (curring)

pada bahan matrik suatu komposit. Penambahan katalis pada cairan matrik

akan mempercepat proses laju pengeringan, tetapi jika menambahkan

katalis terlalu banyak akan menghasilkan komposit menjadi lebih getas.

Penggunaan katalis sebaiknya diatur berdasarkan kebutuhannya. Penelitian

ini menggunakan katalis metil ethyl katon peroxide (MEKPO) yang

berbentuk cair dan berwarna bening.

2.4 Karakteristik Papan Partikel Komposit

Karakteristik dari papan partikel komposit dilakukan untuk

mengetahui dan menganalisis campuran polimer dengan serat. Karakterisasi

ini dilakukan dengan menggunakan pengujian berdasarkan pada standar JIS A

5908-2003 yang meliputi sifat fisik seperti densitas, daya serap air dan

pengembangan tebal dan sifat mekanis seperti kuat lentur yang meliputi

keteguhan patah (MOR) dan modulus elastisitas (MOE), kuat tekan, kuat

impak, kuat tarik serta untuk menganalisa pengaruh suhu terhadap

karakteristik panel komposit dilakukan analisis berupa Differential Thermal

Analisis (DTA) maupun analisa XRD untuk mengetahui substansi atau bentuk

kristal papan komposit.

Karakteristik papan partikel komposit dari beberapa standar

sebagai acuan untuk menentukan kualitas papan partikel

2.5 Pengujian Sifat Fisik

Untuk mengetahui sifat-sifat fisik papan partikel komposit dilakukan

pengujian kerapatan dan daya serap air seperti berikut :

2.5.1 Kerapatan

Pengujian kerapatan dilakukan pada kondisi kering udara dan

volume kering udara, sampel berukuran 10 cm x 10 cm x 1 cm

ditimbang beratnya, lalu diukur rata-rata panjang, lebar, dan tebalnya

untuk menentukan volumenya. Kerapatan sampel papan partikel

komposit dihitung dengan rumus :

𝜌=𝑚𝑉

Dimana

ρ = kerapatan (kg/m3

)

m = massa sampel (kg)

V = volume sampel (m3

)

2.5.2 Daya Serap Air

Daya serap air dihitung dari berat sampel sebelum dan sesudah

perendaman dalam air 24 jam pada sampel berukuran 5cm x 10cm x

1cm dengan rumus :

𝐷𝑆𝐴=𝑚2−𝑚1𝑚1𝑥 100% (2.2)

Dimana :

DSA = daya serap air (%)

m1= massa sampel sebelum perendaman (kg)

m 2= massa sampel sesudah perendaman (kg)

2.5.3 Pengembangan Tebal

Pengembangan tebal dihitung atas tebal sebelum dan sesudah perendaman

dalam air selama 24 jam pada sampel berukuran 5 cm x 10 cm x 1 cm dengan

rumus :

Dimana :

PT=Pengembangan Tebal (%)

T1=tebal sampel sebelum perendaman (m)

T2 =tebal sampel sesudah perendaman (m)

2.5 Pengujian Sifat Mekanik

2.5.1. Pengujian Kuat Lentur

Pengujian keteguhan (kuat) lentur meliputi modulus patah (MOR)

dan modulus elastisitas (MOE) pada sampel yang sama yaitu :

a. Pengujian Kuat Patah (MOR)

Pengujian kuat patah (Modulus of Rufture) dilakukan dengan alat

Universal Testing Machine (UTM) seperti pada Gambar 2.5 dengan

menggunakan lebar batang penyangga (jarak sangga) 14 kali tebal sampel,

tetapi tidak kurang dari 14 cm.

Nilai MOR dihitung dengan rumus :

Dimana :

MOR = Modulus of Rufture(N/m2

)

P = beban maksimum (kg)

L = jarak sangga (m)

B = lebar sampel (m)

D = tebal sampel (m)

CONSTITUTIVE RELATIONSHIPS FOR COMPOSITE

MATERIALS

Material Behavior in Principal Material Axes

Isotropic materials

uniaxial loading

2D Loading

Dimana S adalah compliance matrix.

Dimana Q adalah kekakuan matrix.

ISOTROPIC MATERIALS

Note:

1. Only two independent material constants in the constitutive equation.

2. No normal stress and shear strain coupling, or no shear stress and normal strain

coupling.

12

1

E G

12

EG

S

G

EE

EE

xy

y

x

xy

y

x

1 , 0 , 0

0 ,1

,

0 ,, 1

Q

G

EE

EE

xy

y

x

xy

y

x

, 0 , 0

0 ,1 ,

1

0 ,1

, 1

22

22

Examples: polycrystalline metals, Polymers, Randomly oriented fiber-reinforced

composites, Particulate-reinforced composites

TRANSVERSELY ISOTROPIC MATERIALS

In L-T Plane

principal material axes

L : Arah Longitudinal

T : Arah Transversal

pada bidang T1 dan T2

Principal material axes Sama seperti untuk bahan isotropic

L : arah longitudinal

T : arah transversal

Dimana EL: elastic modulus in longitudinal direction

ET: elastic modulus in transverse direction

LT

T

L

LT

TT

TL

L

LT

L

LT

T

L

G

EE

EE

1 , 0 , 0

0 ,1

,

0 ,, 1

LT

T

L

LT

TLLT

T

TLLT

TLT

TLLT

LTL

TLLT

L

LT

T

L

G

EE

EE

, 0 , 0

0 ,1 ,

1

0 ,1

, 1

TT

TTT

EG

12

21

2

1

21

2

1

1 , 0 , 0

0 ,1

,

0 ,, 1

TT

T

T

TT

TT

TT

T

TT

T

TT

T

T

G

EE

EE

GLT: shear modulus in L – T plane

GTT: shear modulus in transverse plane

LT: major Poisson’s ratio (strain in T – direction caused by stress in L –

direction)

TL : minor Poisson’s ratio

And

Note: 1. 4 independent material constants (EL, ET, GLT, LT ) in L – T plane while 5

(EL, ET, GLT, LT, GTT) for 3-D state. 2. No normal stress and shear strain

coupling in L – T axes or no shear stress and normal strain coupling in L –

T axes

MATERIAL ORTHOTROPIC

Contoh pada plane 1-2

Note:

1. 4 independent constants in 2-D state (e.g. 1-2 plane, E1, E2, G12, 12 )while 9 in 3-

D state (E1, E2, E3, G12, G13, G23, 12 , 13 , 23 )

T

TL

L

LT

EE

1.2.3: principal material axes

12

2

1

12

22

21

1

12

1

12

2

1

1 , 0 , 0

0 ,1

,

0 ,, 1

G

EE

EE

12

2

1

12

2112

2

2112

212

2112

121

2112

1

12

2

1

, 0 , 0

0 ,1 ,

1

0 ,1

, 1

G

EE

EE

2

21

1

12

EE

2. No coupling between normal stress and shear strain or no coupling between shear

stress and normal strain

OFF-AXIS LOADING OF UNIDIRECTIONAL COMPOSITE

untuk material orthotropic dengan sumbu utama material (sumbu 1-2)

dengan transformasi koordinat:

Let

Then

12

2

1

66

2221

1211

12

2

1

0 0

0

0

Q

QQ

QQ

12

2

1

1

12

2

1

22

22

22

sin-cos ,sincos- ,sinos

sin2cos cos sin

sin2cos- sin cos

T

cxy

y

x

12

2

11

T

xy

y

x

,

xy

xy are tensorial shear strains

12

2

1

12

2

1

12

2

1

2 0 0

0 1 0

0 0 1

R

xy

y

x

xy

y

x

xy

y

x

xy

y

x

RTRQTTRQT

RQTQTT

Q

111

12

2

1

1

12

2

1

1

12

2

1

1

TRANSFORMED STIFFNESS MATRIX

dimana perubahan kekakuan matrix

TRANSFORMED COMPLIANCE MATRIX

Dimana, penyesuaian perubahan matrix

OFF-AXIS LOADING – DEFORMATION

TRANSFORMATION OF ENGINEERING CONSTANTS

11

RTRQTQ

sin ,cos

22

22

22

4

22

22

3

662212

3

66121126

3

662212

3

66121116

44

66

22

6612221166

44

12

22

66221112

4

22

22

6612

4

1122

4

22

22

6612

4

1111

nm

nmQQQmnQQQQ

mnQQQnmQQQQ

nmQnmQQQQQ

nmQnmQQQQ

mQnmQQnQQ

nQnmQQmQQ

xy

y

x

xy

y

x

xy

y

x

SQ

1

S

xy

y

x

xy

y

x

QQQ

QQQ

QQQ

662616

262212

161211

1. 4 material constants in 1-2 plane.

2. There is normal stress and shear strain coupling (forθ≠0, 90˚ ),

or shear stress and normal strain coupling.

For uni-axial tensile testing in x-direction

0 ,0 xyyx

∴ stresses in L – T axes

cossin

sin

cos

0

0 2

2

x

x

xx

LT

T

L

T

Strains in L – T axes

LT

L

LT

T

T

TL

L

x

x

x

x

LT

TT

TL

L

LT

L

LT

T

L

LT

T

L

G

EE

EE

G

EE

EE

S

SS

SS

cossin

cossin

sincos

cossin

sin

cos

1, 0 , 0

0 ,1

,

0 ,, 1

0 0

0

0

22

22

2

2

66

2212

1211

And strains in x – y axes

LT

LLT

T

TTL

L

x

LT

T

L

xy

y

x

G

EE

EE

TT

2

cossin

cossin

sincos

2

1

2

1

22

22

11

LTTL

LT

LLTTL

LT

LTTL

LT

LL

LT

L

LT

LTTL

x

xy

y

x

GEEEGEE

GEEEE

EGEE

1121cos

2

112sin

2

1

2sin1121

4

1

2sin21

4

1sincos

2

1

2

2

244

Recall for uni-axial tensile testing

2sin1121

4

1

and

2sin21

4

1sincos1

2

244

LTTL

LT

LL

LT

x

y

x

xy

x

x

y

x

yxy

xxyy

L

LT

LTTLx

x

xx

GEEEEE

E

EGEEE

E

Similarly, for uni-axial tensile testing in y-direction

For simple shear testing in x – y plane

Stresses in L – T axes

Define cross-coefficient, mx

Similarly, for uni-axial tensile testing in y-direction

0 ,0 xyyx

22 sincos

cossin2

cossin2

0

0

xy

xy

xy

xyLT

T

L

T

Strains in L – T axes

LT

L

T

LLT

LT

L

T

LLTy

x

xy

LTTT

TL

LT

TL

y

yx

L

LT

LTTLy

G

E

E

E

G

E

E

Em

EGEEEEE

EGEEE

21sin2

2sin

2sin1121

4

1

2sin21

4

1cossin1

2

2

244

LT

L

T

LLT

LT

L

T

LLT

x

Lxyx

L

xxxy

G

E

E

E

G

E

E

E

Em

Em

21cos2

2sin

2

22

22

sincos1

1cossin2

1cossin2

sincos

cossin2

cossin2

1, 0 , 0

0 , 1

,

0 ,,1

1, 0 , 0

0 , 1

,

0 , , 1

LT

L

LT

T

T

TL

L

xy

xy

xy

xy

LT

TT

TL

L

LT

L

LT

T

L

LT

TT

TL

L

LT

L

LT

T

L

G

EE

EE

G

EE

EE

G

EE

EE

Strains in x – y axes

2cos1121121

where

22

2

1

LTTL

LT

LTL

LT

Lxyxy

L

xyyy

L

xyxx

LT

T

L

xy

y

x

GEEEEEE

Em

Em

T

2cos11211211

2

LTLL

LT

LTL

LT

Lxy

xy

xyxy

GEEEEEEG

G

In summary, for a general planar loading, by principle of superposition

xy

y

x

xyL

y

L

x

L

y

yy

yx

L

x

x

xy

x

xy

y

x

GE

m

E

m

E

m

EE

E

m

EE

1 ,,

, 1

,

,, 1

MICROMECHANICS OF UNIDIRECTIONAL COMPOSITES

Properties of unidirectional lamina is determined by:

volume fraction of constituent materials (fiber, matrix, void, etc.)

form of the reinforcement (fiber, particle, …)

orientation of fibers

Volume fraction & Weight fraction

• Vi=volume, vi = volume fraction =

• Wi=weight, wi = weight fraction =

Where

subscripts i = c: composite

f = fiber

m = matrix

Conservation of mass:

Assume composite is void-free:

c

i

i

i

V

V

V

V

i i

i c

W W

W W

1

1

c f m

f m

c c

f m

W W W

W W

W W

w w

1

1

c f m

f m

c c

f m

V V V

V V

V V

v v

Density of composite

Generalized equations for n – constituent composite

Void content determination

Experimental result (with voids) :

Theoretical calculation (excluding voids) :

In general, void content < 1% Good composite

> 5% Poor composite

Longitudinal Stiffness

m

m

f

f

c

m

m

f

f

c

c

mfc

mmffc

c

mmff

c

mf

c

cc

ww

g

W

g

W

g

W

VVV

vv

gV

gVgV

gV

WW

gV

W

1

or

1

1

1n

c i i ni i

i i

vw

ce f f m m v v

f f m m

v v v

v v

1

t

c f m

ct v f f m m

ct f f m m c v

W W W

v v v

v v v

: ct cev

ct

void content v

For linear fiber and matrix:

Generalized equation for composites with n constituents:

Modes of Failure

matrix-controlled failure:

fiber-controlled failure:

Critical fiber volume fraction

For fiber-controlled failure to be valid:

For matrix is to be reinforced:

Factors influencing EL and scu

• mis-orientation of fibers

• fibers of non-uniform strength due to variations in diameter, handling and

surface treatment, fiber length

• stress concentration at fiber ends (discontinuous fibers)

• interfacial conditions

• residual stresses

Lmmffc EvEvEE

n

i

iic vEE1

11 fmucu v

1

[ ] 2

fu

fu fu

cu fu f m f

fu m f m

v v

v

21,max cucucu

min

12

1

vv

vv

fu

fu

fufu

mmufu

mmu

f

fmumfmfu

cucu

crit

vv

v

fu

fu

fufu

mfu

mmu

f

mumfmfu

mucu

Transverse Stiffness, ET

Assume all constituents are in linear elastic range:

Generalized equation for n – constituent composite:

Transverse Strength

Due to stress (strain) concentration

Factors influence scu:

• properties of fiber and matrix

• the interface bond strength

• the presence and distribution of voids (flaws)

• internal stress and strain distribution (shape of fiber, arrangement of fibers)

In-plane Shear Modulus

For linearly elastic fiber and matrix:

1 f m

c f m

v v

E E E

modulus) e(transvers 1

or

1

1

1

Tn

i i

i

c

n

i i

i

c

E

E

vE

E

v

E

mucu

1

or

f m

c f m

f m

c LT

m f f m

v v

G G G

G GG G

G v G v

Major Poisson’s Ratio

Analysis of Laminated Composites

• Classical Laminate Theory (CLT)

Displacement field:

Resultant Forces and Moments

Resultant forces:

Resultant moments

[A]: extensional stiffness

matrix

[B]: coupling stiffness matrix

[D]: bending stiffness matrix

LT f f m mv v

yxwzyxw

y

wzyxvzyxv

x

wzyxuzyxu

,,,

,,,

,,,

0

00

00

2

2

d 1

xx x xh

hy y y y

xy xy xyxy

N k

N z A B k

N k

2

2

d 1

x

y

xy

x x xh

hy y y

xy xy xy

M k

M z z B D k

M k

1

1 11

d

kk

n

k

h

h

n

kkijkijij hhQzQA

k

k

2d

22

1 1

1

1

kkk

k

hhQzzQB

n

k

h

h

n

kkijkijij

3d

33

1 1

2 1

1

kkk

k

hhQzzQD

n

k

h

h

n

kkijkijij

Laminates of Special Configurations

• Symmetric laminates

• Unidirectional (UD) laminates

– specially orthotropic

– off-axis

• Cross-ply laminates

• Angle-ply laminates

• Quasi-isotropic laminates

Strength of Laminates

Maximum Stress Criterion

• Lamina fails if one of the following inequalities is satisfied:

Maximum Strain Criterion

• Lamina fails if one of the following inequalities is satisfied:

Tsai – Hill Criterion

• Lamina fails if the following inequality is satisfied:

Where :

Comparison among Criteria

• Maximum stress and strain criteria can tell the mode of failure

• Tsai-Hill criterion includes the interaction among stress components

LTLT

TcT

TtT

LcL

LtL

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

LTLT

TcT

TtT

LcL

LtL

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

1ˆˆˆˆ

222

LT

LT

T

T

L

TL

L

L

0 if ˆ

0 if ˆˆ

0 if ˆ

0 if ˆˆ

TTc

TTtT

LLc

LLtL

Strength of Off-Axis Lamina in Uni-axial Loading

Strength of a Laminate

• First-ply failure

• Last-ply failure