Makalah Tek Bahan

Embed Size (px)

Citation preview

Makalah Teknologi BahanKeramik

Disusun Oleh :1.Achmad Anshori2.Bayu Tian Pratama3.Fahri Fastabiqul

Politeknik Negeri SemarangProgram Studi Teknik MesinTahun Ajaran 2013/2014

I. Pendahuluan

Keramik pada awalnya berasal dari bahasa Yunani keramikos yang artinya suatu bentuk dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran. Kamus dan ensiklopedi tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar, seperti gerabah, genteng, porselin, dan sebagainya. Tetapi saat ini tidak semua keramik berasal dari tanah liat. Definisi pengertian keramik terbaru mencakup semua bahan bukan logam dan anorganik yang berbentuk padat.

Pada beberapa tahun terakhir ini telah dikembangkan pula berbagai produk baru sesuai dengan perkembangan kebutuhan akan bahan yang tahan suhu yang lebih tinggi, tekanan yang lebih besar, sifatsifat mekanik yang lebih baik, serta karakteristik listrik yang khusus, atau tahan terhadap bahan kimia yang korosif. Hingga saat ini terdapat beberapa jenis keramik seperti : keramik putih (whiteware), produk- produk lempung stuktural, refraktori, dan email.

Karakteristik struktur , sifat keramik dan Teknik pemerosesankeramik

I. Karakteristik struktur keramik

Struktur kristal keramik (terdiri dari berbagai ukuran atom yang berbeda atau minimal terdiri dari 2 jenis unsur) merupakan salah satu yang paling kompleks dari semua struktur bahan. Ikatan antara atom-atom ini umumnya ikatan kovalen (berbagi elektron, sehingga ikatan ini kuat) atau ion (terutama ikatanantara ion bermuatan, sehingga ikatan ini kuat). Ikatan ini jauh lebih kuat daripada ikatan logam. Akibatnya, sifat-sifat seperti kekerasan dan ketahanan panas dan listrik secara signifikan lebih tinggi keramik dari pada logam. Keramik dapat berikatan kristal tunggal ataudalam bentuk polikristalin. Ukuran butir mempunyai pengaruh besar terhadap kekuatan dan sifat-sifat keramik; ukuran butir yang halus (sehingga dikatakan keramik halus), semakin tinggi kekuatan dan ketangguhannya.

Kebanyakan bahan pembentuk keramik memiliki ikatan ion, ikatan kovalen dan ikatanantara. Sebagai missal, bagian ikatan ion dalam sistem Mg-O, Al-O, Zn-O dan Si-O dapat dikatakan masing-masing 70%, 60%, 60% dan 50%. Yang sangat menarik adalah bahwa padaReO3,V2O3dan TiO, yang merupakan oksida dan tidak pernah menunjukkan sifat liat ataudapat di deformasikan, tetapi memiliki hantaran listrik yang relatif dapat disamakan denganlogam biasa.Dalam Kristal yang rumit, berbagai macam atom berperan dan ikatannya merupakan ikatan campuran dalam banyak hal. Struktur Kristal demikian dapat dimengerti apabila mengingat bahwa Kristal tersusun oleh kombinasi dari polyhedron koordinasi, dimana satuan kecil dari kation dikelilingi oleh beberapa anion. Salah satu contoh adalah silikat yang merupakan bahan baku penting bagi keramik.

II.Sifat-sifat keramikSecara umum kramik merupakan paduan antara logam dan non logam , senyawa paduan tersebut memiliki ikatan ionik dan ikatan kovalen . untuk lebih jelasnya mengenai sifat-sifat kramik berikut ini akan dijelaskan lebih detail.

a. Sifat MekanikKeramik merupakan material yang kuat, keras dan juga tahan korosi. Selain itu keramik memiliki kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi. Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Di dalam keramik, karena kombinasi dari ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser.Faktor rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat.Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putusyang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar terjadi. Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan

b. Sifat TermalSifat termal bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansitermal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan olehpadatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatantersebut.Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadigetaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak padakisi kristalnya.Sebagian besar keramik memiliki titik leleh yang tinggi, artinya walaupun pada temperatur yang tinggi material ini dapat bertahan dari deformasi dan dapat bertahan dibawah tekanan tinggi. Akan tetapi perubahan temperatur yang besar dan tiba-tiba dapat melemahkan keramik. Kontraksi dan ekspansi pada perubahan temperatur tersebutlah yang dapat membuat keramik pecah.

c. Sifat elektrikSifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai solator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO 3) dapat dipolarisasi dan digunakan ebagai kapasitor. Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0.

Akhirnya,keramikyangdisebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.Elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi,sehingga sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akanmempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitasmeningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu.Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan canggih yang sering digunakan sebagai sensor. Dalambahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksipolarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekananmekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser,yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya.

Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyakaplikasi komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar.Salah satu teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar

d. Sifat OptikBila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, ataudipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, danbiasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas,mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelasterfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalahpolarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalahdistorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi,sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas.

e. Sifat kimiaSalah satu sifat khas dari keramik adalah kestabilan kimia. Sifat kimia dari permukaan keramik dapat dimanfaatkan secara positif. Karbon aktif, silika gel, zeolit, dsb, mempunyai luas permukaan besar dan dipakai sebagai bahan pengabsorb. Kalau oksida logam dipanaskan pada kira-kira 500 C, permukaannya menjadi bersifat asam atau bersifat basa. Alumina g , zeolit, lempung asam atau S 2O 2 TiO 2 demikian juga berbagai oksida biner dipakai sebagai katalis, yang memanfaatkan aksi katalitik dari titik bersifat asam dan basa pada permukaan.

f. Sifat fisikSebagian besar keramik adalah ikatan dari karbon, oksigen atau nitrogen dengan material lain seperti logam ringan dan semilogam. Hal ini menyebabkan keramik biasanya memiliki densitas yang kecil. Sebagian keramik yang ringan mungkin dapat sekeras logam yang berat. Keramik yang keras juga tahan terhadap gesekan. Senyawa keramik yang paling keras adalah berlian, diikuti boron nitrida pada urutan kedua dalam bentuk kristal kubusnya. Aluminum oksida dan silikon karbida biasa digunakan untuk memotong, menggiling, menghaluskan dan menghaluskan material-material keras lain.

III.ContohKeramik adalah material anorganik dan non-metal. Umumnya keramik adalah senyawa antara logam dan non logam. Untuk mendapatkan sifat-sifat keramik biasanya diperoleh dengan pemanasan pada suhu tinggi. Keramik:tradisional , modern .Keramik tradisional:biasanya dibuat dari tanah liat .Contoh: porselen, bata ubin, gelas dll.Keramik modern :mempunyai ruang lingkup lebih luas dari keramik tradisional dan mempunyai efek dramatis pada kehidupan manusia seperti pemakaian pada bidang elektronik, komputer, komunikasi, aerospace

IV. RefraktoriRefraktori, diistilahkan asam, basa dan netral dan juga superrefraktori, mencakup bahan bahan yang digunakan untuk menahan pengaruh termal, kimia dan fisika yang berlaku didalam tanur. Refraktori dijual dalam bentuk bata tahan api, bata silika, magnesit, kromit dan magnesit kromit ; refraktori silikon karbida dan zirkonia, produk aluminium silikat dan alumina. Fluks yang diperlukan untuk mengikat partikel partikel di dalam refraktori diusahakan agar sesedikit mungkin tidak terjadi vitrifikasi yang terlalu jauh. Dengan adanya peluang untuk membentuk barang barang dari badan keramik tanpa lempung dan tidak mengandung plastisitas, sekarang sudah bisa dibuat keramik komponen tunggal dengan kualitas tinggi, misalnya refraktori oksida murni. Barang barang ini adalah barang barang monokristal dengan perekatan sendiri dan berbeda dengan refraktori konvensional dengan ikatan vitreo.

Sifat sifat refraktori(1). Sifat sifat kimiaBiasanya, refraktori diklasifikasikan atas tiga jenis, yaitu jenis asam, basa, dan netral. Bata silika tentulah bersifat asam, bata magnesit sangat basa, namun bata tahan api biasanya dimasukkan kedalam kelompok netral walaupun sebenarnya mungkin termasuk salah satu dari dua kelompok itu bergantung pada perbandingan kandungan silika alumina didalamnya. Aksi kimia mungkin terjadi karena kontak dengan kerak, atau dengan abu bahan bakar, gas tanur, disamping dengan produk produk seperti kaca atau baja.

(2). PorositasPorositas berkaitan langsung dengan berbagai sifat fisika bata lainnya, termasuk ketahanannya terhadap serangan kimia. Makin tinggi porositas suatu bata, makin mudah bata itu dipentrasi oleh fluks cair dan gas. Untuk setiap jenis bata tertentu, bata yang porositasnya paling rendah adalah yang paling keras dan paling tinggi konduktivitasnya termal dan kapasitas kalornya.

(3). Titik LeburTitik lebur(fusion point) ditentukan dengan menggunakan kerucut pirometrik yang titik lunaknya(softening point) diketahui. Kebanyakan refraktori sering komersial melunak secara berangsur dalam jangkuan suhu yang cukup luas dan tidak mempunyai titik cair yang tajam karena biasanya terdiri dari berbagai mineral, baik yang amorf maupun yang kristal. Titik lebur kerucut pirometrik itu bisa didapatkan dari literatur11.titk lebur beberapa contoh umum refraktori,baik yang berupa zat murni maupun produk teknis.

(4). PenyerpihanBlok atau bata refraktori sering mengalami letak ataupun terkelupas karena kompresi atau tegangan panas yang tidak seragam;peristiwa itu dikenal sebagai penyerpihan (spalling)12.refraktori biasanya memuai bila dipanaskan. Bata yang mengalami ekspansi paling besar dangan laju yang amat tidak seragam paling mudah mengalami ekspansi apabila mendapatkan pemanasan atau pendinginan cepat.

(5). KekuatanKekuatan pada waktu dingin sedikit sekali hubungannya pada suhu tinggi. Ketahanan terhadap abrasi atau erosi juga sangat penting bagi berbagai konstruksi tanur, misalnya pada dinding pabrik kokas hasil samping dan pada pelapis dinding tanur semen putar pada ujung pengeluar.

(6). Ketahanan Terhadap Perubahan SuhuBata yang mempunyai ekspansi termal paling rendah, dan yang teksturnya paling kasar, paling tahan terhadap perubahan termal yang berlangsung mendadak ; dan juga paling sedikit mengalami regangan. Bata yang sudah lama digunakan biasanya mencair menjadi kerak vitreo pada permukaan luarnya, dan bahkan kadang kadang juga aus karena korosi.

(7). Konduktivitas termalBata yang paling padat dan tidak berpori mempunyai konduktivitas termal paling tinggi. Walaupun konduktivitas termal dibutuhkan pada berbagai konstruksi tanur, seperti misalnya pada dinding tanur redup (muffle), sifat ini tidak terlalu dikehendaki seperti sifat sifat refraksi lainnya, misalnya ketahanan terhadap kondisi pembakaran. Beberapa refraktori khusus justru membutuhkan isolasi.

(8). Kapasitas KalorKapasitas kalor tanur bergantung pada konduktivitas termal kalor spesifik, dan gravitas spesifik refraktori yang dipakai. Bata ringan lebih sedikit menyerap kalor daripada yang berat, dan ini merupakan suatu keuntungan apabila tanur dioperasikan secara randik (terputus putus), karena dengan demikian suhu operasi tanur bisa dicapai dalam waktu yang lebih cepat dan dengan bahan bakar lebih sedikit. Sebaliknya, bata lempung berat yang padat lebih cocok digunakan sebagai pengisi regenerator, seperti pada pabrik kokas, tanur kaca dan tungku tanur tinggi.

Gambar Diagram alir sederhana proses pencetakan (a). Pres kering refraktori (b). Cetak slip barang seni

Porselen Pembuatan PorselenAda tiga cara produksi : porselin proses basah, digunakan untuk membuat isolator butiran halus berglasir tebal untuk peralatan listrik tegangan tinggi; porselin proses kering, digunakan untuk pembuatan alat alat listrik tegangan rendah yang mempunyai tekstur terbuka, secara cepat; dan porselin cetak, yang diperlukan untuk membuat barang barang yang terlalu besar atau terlalu rumit untuk kedua cara yang lain. Ketiga proses ini didasarkan atas bahan baku yang sama, perbedaan pembutannya adalah dalam cara pengeringan dan pembentukan. Proses basah dilukiskan pada gambar Diagram alir ini dapat dipecah menjadi beberapa langkah sebagai berikut :

Bahan baku dengan perbandingan dan sifat sifat sesuai dengan yang diperlukan untuk menghasulkan porselin dengan kualitas yang dikehendaki, ditimbang dari hoper yang terletak di atas ke kereta timbang.

Feldspar, lempung dan flin dicampur dengan air di dalam blunger (pencampur lempung-air) dan dilewatkan melalui separator magnetik, diayak dan disimpan.

Sebagian besar air dibuang di dalam filter pres. Semua udara yang ada di dalam campuran dikeluarkan di dalam penggiling pug, dibantu dengan vakum dan pisau pengiris. Cara ini akan menghasilkan porselin yang lebih padat, lebih seragam dan lebih kuat.

Lempung yang sudah dipersiapkan tersebut dibentuk menjadi blanko di dalam pres hidraulik atau dengan pengempaan panas dalam pencetak pencetak sesuai keperluan.

Blanko tersebut kemudian mengalami pengeringan pendahuluan, dirapikan dan kemudian dikeringkan sampai kering benar di bawah kondisi yang dikendalikan dengan baik.

Untuk mendapatkan permukaan yang cemerlang dilakukan pengglasiran dengan menggunakan bahan tertentu. Vitrifikasi badan keramik dan pengglasiran dilakukan di dalam tanur terowongan dengan suhu dan penggerakan yang dikendalikan dengan baik.

Barang barang porselin dilindungi dengan menempatkannya diatas sager. Yang dipasang bertumpuk satu diatas yang lain diatas kereta. Cara ini adalah cara pembakaran satu kali, dimana badan keramik dan glasir dipanggang dalam satu kali pembakaran. Barang barang keramik kemudian diuji dengan pengujian listrik dan di inspeksi secara ketat.

Pembuatan barang barang porselin pecah belah biasanya lebih rumit daripada pembuatan produk porselin lain. Barang barang tertentu dibuat dengan membentuknya diatas roda pembentuk oleh pengrajin yang terampil dengan memusing massa lempung plastik menjadi bentuk yang dikehendaki.

Pengglasiran itu sangat penting dalam hal keramik putih, terutama untuk barang pecah belah. Glasir adalah lapisan salut dari kaca yang dilebur diatas permukaan barang keramik yang agak berpori. Glasir mengandung 2 jenis perawis yang amat berbeda, yang dicampurkan dalam bermacam macam perbandingan. Bahan refraktori seperti feldspar, silika, lempung cina dan fluks seperti soda, potas, flourspar dan boraks. Teknik yang digunakan untuk pembakaran glasir ini adalah pembakaran glast. Pembakaran glasir keramik tanah dilakukan pada suhu 1050C sampai 1100 C ; keramik batu antara 1250 oC sampai 1300 oC.

Produk Lempung KonstruksiLempung tersebut biasanya mengandung beberapa ketakmurnian yang jenis dan jumlahnya cukup untuk memberikan daya fluks dan daya rekat. Untuk mengglasirkan lempung tersebut, seperti dalam hal pipa got ubin comber, hal ini dapat dilakukan dengan melemparkan garam (glasir garam) ke api tanur. Garam yang menguap bereaksi membentuk salut lebur atau glasir diatas permukaan barang.

Pembuatan Bata Bangunan : Bahan baku yang digunakan adalah tiga macam lempung ; (1) lempung bakar merah, (2) lempung bakar putih, dan (3) lempung bakar buf, yang biasanya refraktori. Untuk bata bangunan, persyaratan tidak terlalu ketat, dan untuk itu biasanya digunakan lempung bakar merah. Pembuatan bata dilakukan menurut salah satu dari tiga cara berikut : lumpur lembut, lumpur kaku dan pres kering. Dalam proses lumpur kaku (stiff mud) yang banyak dipakai sekarang, lempung dibuat hanya cukup basah (12 sampai 15 persen) agar dapat saling lengket dalam pengerjaan.

Gambar Diagram alir sederhana proses pencetakan, (a) Ekstrusi bata lempung, (b) pembuatan piring makan dengan jig.

V. Teknik pemerosesan keramika.PembubukanBahan-bahan dasar keramik umumnya berbentuk bubukan. Bahan dasar tersebut dapat diperoleh dengan metode konvensional atau non konvensional. Metode konvensional misalnya kalsinasi; yaitu menguraikan suatu bahan padatan menjadi beberapa bagian yang lebih sederhana; Milling yaitu menggiling atau menghaluskan bahan; mixing yaitu mencampurkan beberapa bahan menjadi satu bahan. Sedangkan metode nonkonvensional misalnya teknik larutan sepaerti metode sol-gel, metode fase uap, atau dekomposisi garam. Dalam proses pembubukan tersebut , seringkali harus ditambahkan bahan penstabil agar suhu dapat diturunkan atatu bahan organik yang berfungsi sebagai pengikat atau pelunak bubukan sehingga mudah dibentuk.

b.PembentukanMetode pembentukan ini bermacam-macam, misalnya metode pres isostatik dan aksial; metode cetak lepas, yaitu dicetak hingga kering lalu dilepas; metode cetak balut yaitu bahn dibiarkan tetap berada daalm cetakn atau cetak injeksi yaitu bahan dimasukan ke dalam cetakan dengan cara diinjeksikan ke dalamnya.

c.PenekananPenekanan atau disebut juga kompaksi dilaukan untuk membentuk serbuk keramik menjadi suatu bentuk padatan berupa pelet mentah. Pelet mentah adalah serbuk yang telah menjadi bentuk padat tetapi belum disinter. Prosedur dasar penekanan dibagi menjadi 3 yaitu: UniaxialSerbuk dibentuk dalam cetakan logam dengan penekanan satu arah. Penenkanan ini dapat memproduksi banyak pelet dan tidak mahal dibanding metode lain. Berdasarka cara kerjanya, penekanan ini dibagi m

enjadi 3 yaitu : single action uniaxial pressing, double action uniaxial pressing, dan uniaxial pressing with a floating mould or die. Isostatik: Penekanan serbuk dilakukan dengan menggunakan cairan. Hot pressing:Penekanan dilakukan secar simultan denga perlakuan panas pada serbuk.

d.SinteringSintering adalah metode pemanasan yang dilakukan terhadap suatu material ( biaasnya dalam bentuk serbuk) pada suhu dibawah titik lelehnya sehingga menjadi bentuk padatan . Serbuk berubah menjadi padatan karena pada suhu tersebut partikel-partikel akan saling melekat. Setelah disintering bentuk porositas berubah cenderung berbrntuk bola. Selain itu semakin lama dipanaskan bentuk pori akan semakin kecil. Karena itu ukuran sampel yang telah disinter akan semakin kecil juga.Sintering terbagi menjadi 2 jenis, yaitu berdassarkan ada tidaknya fase cair selama proses sintering. Sintering yang terjadi disertai adanya fase cair disebut sintering fase cair, dan sintering yang terjadi tanpa fase cair disebut sintering padat.Tahap sintering dilakukan untuk memadat kompakan bahan, yang sudah dicetak dan dikeringkan dengan suhu tinggi.

e.Anneling dan AgingAnealing adalah proses pemanasan yang lebih rendah dari sebelumnya. Dengan maksud agar parameter dan sifat yang diinginkan mencapai optimum. Sedangkan aging adalah proses pendinginan selama beberapa waktu tertentu.

f.Tahap akhirPada tahap ini, bahan keramik dikenakan berbagai perlakuan akhir sehingga sipa dipalikasika sesuai dengan sifat bahan yang diinginkan. Perlakuan tersebut misalnya mengasah, memoles, memberi lapisan logam, memberi mantel untuk perlindungan dan lain-lain.Secara bagan proses pembuatan bahan keramik adalah :Proses pembubukan atau penghalusan > Pembentukan > Pengeringan > sintering > anealing dan aging > Aplikasi akhir.