Pertemuan ke-3 & 4 (Matrikx dan...
-
Upload
nguyenthuy -
Category
Documents
-
view
228 -
download
1
Transcript of Pertemuan ke-3 & 4 (Matrikx dan...
19/09/2016
1
FILLER AND MATRIX
Nurun Nayiroh, M.Si
Pertemuan ke-3 & 4
Mata Kuliah Komposit
Sub Pokok Materi
Matriks dan Fiber:
a. Reinforcements (Bahan Pengisi/penguat): Carbon
Fibres, Glass Fibres, Organic Fibres, Silicon Carbide,
Alumina and
Aluminosilicates
b. Kekuatan dari Reinforcement: Stabilitas Thermal,
Compressive Strength, Fibre Fracture and flexibility, a
statistical treatment of fibre strength
c. Matrices: Polimer Matrices, Metal Matrices, Ceramic
matrices
Metals
Polymers
Ceramics
Composites
Review:
Classification of Composite
by Filler Type:
–Particle-reinforced composites
–Fiber-reinforced composites
–Structural composites
1. Particle-Reinforced Composites
Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement
berbentuk partikel:
a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah
b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan
kekerasan material
c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan
menghalangi pergerakan dislokasi.
Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement
berbentuk partikel:
a) Metalurgi Serbuk
b) Stir Casting
c) Infiltration Process
d) Spray Deposition
e) In-Situ Process
Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu
1)Large particle
2)Dispersion strengthened particle
a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.
b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.
1) Large particle�Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam
skala atomik atau molekular
�Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi
merata
�Partikelnya kurang lebih harus sama sumbu.
�Volume fraction dependent on desired properties.
�Contoh dari large particle composit: cement dengan
sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand
sebagai partikel
19/09/2016
2
• Other examples:Adapted from Fig.
10.19, Callister 7e.
(Fig. 10.19 is
copyright United
States Steel
Corporation, 1971.)
- Spheroidite
steelmatrix: ferrite (α)
(ductile)
particles: cementite(Fe3C)
(brittle)60µm
Adapted from Fig.
16.4, Callister 7e.
(Fig. 16.4 is courtesy
Carboloy Systems,
Department, General
Electric Company.)
- WC/Co
cemented
carbide
Matrix : cobalt (ductile)
particles: WC (brittle, hard)Vm:
5-12 vol%! 600µm
Adapted from Fig.
16.5, Callister 7e.
(Fig. 16.5 is courtesy
Goodyear Tire and
Rubber Company.)
- Automobile
tiresmatrix: rubber (compliant)
particles: C (stiffer)
0.75µm
(CERMET)
Volume Fraction
in Large Particle Composites
• Elastic modulus is dependent on the volume
fraction
• “Rule of mixtures” equation
– E- elastic modulus, V- volume fraction, m- matrix, p-
particulate
– upper bound
(iso-strain)
– lower bound
(iso-stress)
Ec = EmVm + E pVp
Ec =EmE p
EpVm + EmVp
Rule of Mixtures
conc. of particulates
E-
ma
trix
E -
pa
rtic
ula
te
* *
*
**
*
*
Upper bound
Lower bound
Actual
Values
Bahan Komposit Large-Particle
• All three material types
– metals, ceramics, and polymers
• CERMET (ceramic-metal composite)
– cemented carbide (WC, TiC embedded in Cu
or Ni)
– cutting tools (ceramic hard particles to cut, but
a ductile metal matrix to withstand stresses)
– large volume fractions are used (up to 90%!)
2) Dispersion Strengthened particle
• Metals and metal alloys– hardened by uniform dispersion of fine particles of a very
hard material (usually ceramic)
• Strengthening occurs through the
interactions of dislocations and the
particulates
• Examples• Thoria in Ni
• Al/Al2O3 sintered aluminum powder SAP
• GP zones in Al
2. Fiber-Reinforced Composites
Fungsi utama dari serat adalah sebagai
penopang kekuatan dari komposit,
sehingga tinggi rendahnya kekuatan
komposit sangat tergantung dari serat
yang digunakan, karena tegangan yang
dikenakan pada komposit mulanya
diterima oleh matrik akan diteruskan
kepada serat, sehingga serat akan
menahan beban sampai beban
maksimum.
19/09/2016
3
Matriks yang dipadukan dengan fiber
berfungsi sebagai :
• Penjepit fiber
• Melindungi fiber dari kerusakan permukaan
• Pemisah antara fiber dan juga mencegah
timbulnya perambatan crack dari suatu fiber ke
fiber lain
• Berfungsi sebagai medium dimana eksternal
stress yang diaplikasikan ke komposit,
ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.
Ultimate Tensile Strength (UTS) (kuat tarik
utama), sering disingkat menjadi Tensile Strength
(TS) atau Ultimate Strength, adalah tegangan
maksimum dimana material dapat menahan
ketika sedang diregangkan atau ditarik sebelum
necking (ketika penampang spesimen mulai
berkontraksi secara signifikan). Kekuatan tarik
(TS) adalah kebalikan dari kuat tekan dan nilai-
nilainya bisa sangat berbeda.
Persyaratan bahan matriks yang
harus dipenuhi pada Fiber-reinforced
composite:
• Ductile
• Lower E than for fiber
• Bonding forces between fiber and
matrix must be high
– otherwise fiber will just “pull-out” of matrix
• Generally, only polymers and metals
are used as matrix material (they are
ductile)
Fiber yang digunakan sebagai reinforced harus memiliki
syarat sebagai berikut :
a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya
(matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.
b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi
Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai
berikut :
a) Distribusi
b) Konsentrasi
c) Orientasi
d) Bentuk
e) ukuran
Parameter fiber dalam pembuatan komposit
a. Short(discontinuous) fiber reinforced composites
Aligned Random
b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites
19/09/2016
4
Aligned Fibers
• When fibers are aligned
– properties of material are highly anisotropic
– modulus in direction of alignment is a function
of the volume fraction of the E of the fiber and
matrix
– modulus perpendicular to direction of
alignment is considerably less (the fibers do
not contribute)
Fiber Alignment
aligned
continuous
aligned random
discontinuous
Adapted from Fig.
16.8, Callister 7e.
Randomly Oriented Fibers
• Properties are isotropic
– not dependent on direction
• Ultimate tensile strength is less than for
aligned fibers
• May be desirable to sacrifice strength for
the isotropic nature of the composite
Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe
serat pada komposit, yaitu:
a) Continuous Fiber Composite
Continuous atau uni-directional, mempunyai susunan
serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara
matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan.
Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar
antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar
lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.
b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)
Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar
lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar
lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang
tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan
tidak sebaik tipe continuous fiber.
c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite)
Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi :
1) Aligned discontinuous fiber
2) Off-axis aligned discontinuous fiber
3) Randomly oriented discontinuous fiber
Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit
dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara
matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan
volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah.
Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih
dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang
sama.
19/09/2016
5
d) Hybrid fiber composite
Hybrid fiber composite merupakan
komposit gabungan antara tipe serat lurus
dengan serat acak. Pertimbangannya
supaya dapat mengeliminir kekurangan
sifat dari kedua tipe dan dapat
menggabungkan kelebihannya.
Bahan Fiber yang biasa
digunakan antara lain :
1. Fibers – Glass
– Sangat umun digunakan, fiber yang murah adalah glass fiber yang sering digunakan untuk reinforcement dalam matrik polimer
– Komposisi umum adalah 50 – 60 % SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll.
– Moisture dapat mengurangi kekuatan dari glass fiber
– Glass fiber sangat rentan mengalami static fatik
– Biasanya digunakan untuk: piping, tanks, boats, alat-alat olah raga
Sifat-Sifatnya
• Densitynya cukup rendah ( sekitar 2.55 g/cc)
• Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1.8 GPa)
• Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa)
• Stabilitas dimensinya baik
• Resisten terhadap panas
• Resisten terhadap dingin
• Tahan korosi
Keuntungan :
• Biaya murah
• Tahan korosi
• Biayanya relative lebih rendah dari komposit
lainnya
Kerugian
• Kekuatannya relative rendah
• Elongasi tinggi
• Keuatan dan beratnya sedang (moderate)
Jenis-jenisnya antara lain :
– E-Glass - electrical, cheaper
– S-Glass - high strength
2. Carbon Fibers
• Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/cc
• Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan.
• Karakteristik komposit dengan serat karbon :– ringan;
– kekuatan yang sangat tinggi;
– kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.
• Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap proses :
• Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;
• Karbonisasi= pemanasan untuk mengurangi O, H, N;
• Grafitisasi = meningkatkan modulus elastisitas.
19/09/2016
6
• Proses produksi pada fiber-carbon yaitu
sebagai berikut :
1. Open Mold Process
a. Hand Lay-Up
b. Spray Lay-Up
c. Vacuum Bag Moulding
d. Filament Winding
2. Closed Mold Process
a. Resin Film Infusion
b. Pultrusion
Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat
dikelompokkanmenjadi 3:
1. Whisker
2. Fiber
3. Wire
WHISKER merupakan kristal tunggal yang sangat
tipis dengan rasio panjang/diameter yang sangat
besar.
Akibat ukurannya yang kecil, maka tingkat
kesempurnaan kristalnya tinggi, sehingga
kekuatannya/strength sangat tinggi →→→→ merupakan
salah satu material yang paling kuat.
Meskipun demikian, whisker jarang dipakai karena
harganya sangat mahal.
Selain itu, menyatukan whisker dengan matriks juga
sangat sulit.
Contoh material whisker adalah grafit, silikon
karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.
FIBER adalah material polikristalin atau amorfus
yang memiliki diameter kecil.
Material fiber bisa berupa polimer atau keramik,
seperti aramid polimer, kaca, karbon, boron,
aluminum oksida, dan silikon karbida.
WIRES memiliki diameter yang relatif besar. Contoh:
baja, molybdenum, dan tungsten.
Wire digunakan sebagai radial steel reinforcement
dalam ban mobil, filament-wound rocket casings,
dan in wire-wound high-pressure hoses.
Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials
19/09/2016
7
Composite Strength: Longitudinal Loading
Continuous fibers - Estimate fiber-reinforced
composite strength for long continuous fibers in a
matrix
• Longitudinal deformation
σσσσc = σσσσmVm + σσσσfVf but εεεεc = εεεεm = εεεεfvolume fraction isostrain
∴ Ece = Em Vm + EfVf longitudinal (extensional)
modulus
mm
ff
m
f
VE
VE
F
F= f = fiber
m = matrix
Remembering: E = σ/ε
and note, this model
corresponds to the
“upper bound” for
particulate composites
Elastic Behavior Derivation(Longitudinal Loading)
Consider longitudinal loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding.
under these conditions matrix strain = fiber strain (isostrain condition).
εm = εf = εc
The total load on the composite, Fc, is then equal to loads carried by the matrix and
the fibers
Fc = Fm + Ff
Substituting for the stresses
σcAc = σmAm + σfAf
Rearranging
σc = σm Am/Ac + σf Af /Ac
were Am /Ac and Af /Ac are the area fractions of matrix and fibers, respectively. If the
fiber length are all equal than then these terms are equivalent to the volume
fractions
Vf = Af /Ac & Vm = Am /Ac
σc = σm Vm + σf V
Using the isostrain constraint and Hookes Law, σ = εE
Ec =EmVm+EfVf
Can also show ratio of load
carried by fiber and matrix:
Ff/Fm = EfVf/EmVm
Fc = Ff + Fm
Composite Strength: Transverse Loading
• In transverse loading the fibers carry less of
the load and are in a state of ‘isostress’
σσσσc= σσσσm = σσσσf = σσσσ εεεεc= εεεεmVm + εεεεfVf
f
f
m
m
ct E
V
E
V
E+=
1transverse modulus∴
Remembering: E = σ/ε
and note, this model
corresponds to the “lower
bound” for particulate
composites
Elastic Behavior Derivation(Transverse Loading)
Consider transverse loading of continuous fibers, with good fiber/matrix
bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostress
condition).
σm = σf = σc = σ
The total strain of the composite is given by
εc = εm Vm = εf Vf
Using Hookes Law ε = σ/E and the isostress constraint
σ/Ec = (σ/Em) Vm + (σ/Ef) Vf
Dividing by σ, Algebraically this becomes
Ec =EmEf
EfVm +EmVf
An Example:
Note: (for ease of conversion)
6870 N/m2 per psi!
UTS, SI Modulus, SI
57.9 MPa 3.8 GPa
2.4 GPa 399.9 GPa
(241.5 GPa)
(9.34 GPa)
• Estimate of Ec and TS for discontinuous fibers:
-- valid when
-- Elastic modulus in fiber direction:
-- TS in fiber direction:
efficiency factor:-- aligned 1D: K = 1 (aligned )
-- aligned 1D: K = 0 (aligned )
-- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy)
-- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy)
(aligned 1D)
Values from Table 16.3, Callister 7e.
(Source for Table 16.3 is H. Krenchel,
Fibre Reinforcement, Copenhagen:
Akademisk Forlag, 1964.)
Composite Strength
c
fd
τ
σ> 15length fiber
Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural
(TS)c = (TS)mVm + (TS)fVf
Ec = EmVm + KEfVf
19/09/2016
8
• Aligned Continuous fibers• Examples:
From W. Funk and E. Blank, “Creep
deformation of Ni3Al-Mo in-situ
composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp.
987-998, 1988. Used with permission.
-- Metal: γ'(Ni3Al)-α(Mo)
by eutectic solidification.
Composite Survey: Fiber
Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural
matrix: α (Mo) (ductile)
fibers: γ’ (Ni3Al) (brittle)
2µm
-- Ceramic: Glass w/SiC fibersformed by glass slurry
Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa.
(a)
(b)
fracture surface
From F.L. Matthews and R.L.
Rawlings, Composite Materials;
Engineering and Science, Reprint
ed., CRC Press, Boca Raton, FL,
2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by
J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349
(micrograph by H.S. Kim, P.S.
Rodgers, and R.D. Rawlings). Used
with permission of CRC
Press, Boca Raton, FL.
• Discontinuous, random 2D fibers• Example: Carbon-Carbon
-- process: fiber/pitch, then
burn out at up to 2500ºC.
-- uses: disk brakes, gas
turbine exhaust flaps, nose
cones.
• Other variations:-- Discontinuous, random 3D
-- Discontinuous, 1D
Composite Survey: Fiber
Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural
(b)
fibers lie
in plane
view onto plane
C fibers: very stiff
very strong
C matrix: less stiff less strong
(a)
efficiency factor:-- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy)
-- random 3D: K = 1/5 (3D isotropy)
Ec = EmVm + KEfVf
Influence of Fiber Length
• Mechanical properties depend on:• mechanical properties of the fiber
• how much load the matrix can transmit to the
fiber– depends on the interfacial bond between the fiber
and the matrix
• Critical fiber length - depends on• fiber diameter, fiber tensile strength
• fiber/matrix bond strength
Influence of Fiber Length
• Critical fiber length -
lc– “Continuous” fibers l >>
15 lc
– “Short” fibers are anything
shorter 15 lc
lc = σfd/2τc
where
d = fiber diameter
τc = fiber-matrix bond
strength
σf = fiber yield strength
No
Reinforcement
Influence of Fiber Orientation
• Fiber parameters– arrangement with respect to each other
– distribution
– concentration
• Fiber orientation– parallel to each other
– totally random
– some combination
Example
• Calculate the composite modulus for
polyester reinforced with 60 vol% E-glass
under iso-strain conditions.• Epolyester = 6.9 x 103 MPa
• EE-glass = 72.4 x 10 3 MPa
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa)
= 46.2 x 103 MPa
19/09/2016
9
Home work
A continuous and aligned glass reinforced composite consists
of 40 vol% glass fiber having E = 69 GPa and a polyester
resin matrix, that when hardened, has E = 3.4 GPa.
a) Compute modulus of elasticity under longitudinal and transverse
loading.
b) If the cross-sectional area is 250 mm2 and a stress of 50 MPa is applied
longitudinally, compute magnitude of load carried by each the fiber and
matrix phases.
c) Determine strain on each phase in c
Other Composite Properties
• In general, the rule of mixtures (for
upper and lower bounds) can be used
for any property Xc - thermal
conductivity, density, electrical
conductivityTetc.
Xc = XmVm + XfVf
Xc = XmXf/(VmXf + VfVm)
Tensile Strength
• In longitudinal
direction, the
tensile strength is
given by the
equation below if
we assume the
fibers will fail
before the matrix:
σ∗c = σ’mVm + σ’fVf
Discontinuous Fibers• Aligned
σ∗c = σ∗
fVf(1-lc/2l)+ σ’mVm for l > lc
σ∗c = (lτc/d)Vf + σ’
mVm for l < lc
• Random
Ec = KEfVf + EmVm where K ~ 0.1 to
0.6
3/8
1/5
3. Structural Reinforced-
Composites• Definition
– composed of both homogeneous and
composite materials
– properties depend on constituent materials
and on geometrical design of the elements
• Types
– laminar composites
– sandwich panels
Laminar Composites
• Two dimensional sheets or
panels with a preferred high-
strength direction• Q. What is a natural example of
this?
• A. Wood
• Q. What is a man made example
• A. Plywood - Layers are stacked
and subsequently bonded together
so that the high strength direction
varies
19/09/2016
10
Sandwich Panels
• Two strong outer sheets (called faces)
separated by a layer of less dense
material or core (which has lower E and
lower strength)
• Core
– separates faces
– resists deformation perpendicular to the
faces
– often honeycomb structures
• Used in roofs, walls, wings
Sandwich Panel