LOGO

TEKNIK MATERIAL MUTAKHIR

Nama : AGUS SALIM AFROZI, ST, MT1

Email : afrozi92@yahoo.co.id2

Pendahuluan

Teori Atom, Ikatan, Struktur, Sifat Makro dan Mikro1

Rekayasa Material: Surface Heating, StructurModificataion, Solid Solution Strengthtening2

Advance Material: SMA Shape Memory Alloy), Material Suhu Tinggi, Nano Composite, SMART

Material, dll

3

Aplikasi Advance Material: Pesawat, Silinder, Valve, Hip Replacement, Chemical

Protective Clothing, dll4

Pendahuluan

Komputasi Proses Teknik Kimia Mempelajari:

Sistem Penilaian

UJIAN:

UTS : 30 %

UAS : 40 %

TUGAS : 20 %

KEHADIRAN : 10 %

TOTAL : 100 %

1

Jacek J S, Advanced Materials and Structures for Extreme

Operating Conditions, Springer 20082

Daftar Pustaka

William JD Callister Jr, “Materials Science and Engineering An Introduction”, John Wiley & Sons, Inc, 2007

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 1

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

6

Pengertian1

Aplikasi Industri2

Pendahuluan

Jenis Material

Logam

Kuat, ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik

Keramik

Keras, getas dan penghantar panas dan listrik yang buruk

Polimer

kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk

Komposit

merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap

Logam

Keramik

Polimer

Komposit

KONSEP DASAR MATERIAL MAJU

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 2

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

37

Teori Atom, Ikatan, Struktur Kristal

Sifat Makro dan Sifat Mikro

Model atom Bohr

IKATAN ANTAR ATOM

Model Atom Bohr

KONFIGURASI ELEKTRON

Tabel Periodik

Elektronegatip dari Unsur

PEMBAGIAN MATERIAL

Bilangan Koordinasi utk Ikatan Atom

ENERGI IKATAN ANTAR ATOM

FN = FA + FR jika seimbang

FA = FR

IKATAN IONIK (ikatan Primer)

PERBANDINGAN ENERGI IKATAN ANTAR ATOM

IKATAN KOVALEN(ikatan Primer)

IKATAN LOGAM(ikatan Primer)

VANDER WALL/POLAR ( Ikatan Sekunder)

MOLEKUL

STRUKTUR KRISTAL

1.3. Struktur kristalin

Atom dan molekul merupakan “batu-bata” pembangun suatu

struktur bangunan makroskopik dari suatu materi.

Ada yang membuat susunannya teratur, ada juga yang

tidak.Jika strukturnya beraturan dan berulang, maka disebut

struktur kristalin. Unit terkecil dari perulangan ini disebut sel.

Salah satu bentuk konfigurasi atom-atom dalam sel adalah

BCC (bodycentered- cubic), dimana atom-atom menempati ke

8 sudut dan di tengah-tengah sel.

Jenis-jenis struktur kristal.

-BCC (bodycentered- cubic), FCC (face-centered cubic)

dan HCP (hexagonal close-packed),

Tabel 2.1 memperlihatkan bentuk struktur kristal untuk

beberapa logam, pada temperatur kamar. Ada kasus-

kasus dimana satu logam bisa berubah struktur kristalnya,

tergantung pada temperaturnya. Misalnya, struktur kristal

besi, pada suhu kamar berbentuk BCC, di atas 9120C

bentuknya berubah menjadi FCC, tapi di atas14000C

kembali menjadi BCC. Gejala ini disebut alotropik.

:

1.4. Struktur nonkristalin (amorf)

Bahan logam akan kehilangan struktur kristalinnya ketika

bahan ini menjadi cair. Walaupun begitu ada beberapa

bahan teknik yang mempunyai struktur nonkristalin dalam

fase padatnya. Sifat bahan seperti ini disebut amorf. Yang

mempunyai sifat ini antara lain adalah kaca, beberapa jenis

plastik, dan karet.

Gambar di bawah ini memperlihatkan ilustrasi perbedaan

antara struktur kristalin dan nonkristalin.

Ketika satu bahan logam murni memadat dari fase

cairnya, atom-atomnya akan mengatur dirinya sehingga

terjadi struktur yang teratur dan berulang, sehingga

volumenya menjadi lebih kecil, untuk satu jumlah masa

yang sama.

Unit Cell dan Kisi

STRUKTUL KRISTAL KERAMIK

Dari persamaan 2.10

MIKROSTRUKTUR = SIFAT MATERIAL

• Performance depends on material properties

• Macroscopic material properties are governed by the microstructure

• The microstructure is determined by crystal structure and processing history

• Crystal structure is determined by atomic bonding

• Classification of solids by atomic bonding and elemental constituentsMetals, ceramics, semiconductors, polymers, composites

Heat and Surface Treatment

PERLAKUAN PANAS

Perlakuan panas adalah operasi atau kombinasi dari operasiyang melibatkan pemanasan pada tingkat tertentu,perendaman pada suhu untuk jangka waktu danpendinginan di beberapa tingkat tertentu.

Tujuannya adalah untuk mendapatkan mikrostruktur yangdiinginkan untuk mencapai sifat-sifat yang telah ditentukan(fisik, mekanik, magnetik atau listrik).

PRINSIP DASAR

1. Diagram Kesetimbangan Fe-C.

2. Isothermal and continuous cooling transformationdiagrams (ICCT Diagram) untuk besi dan baja paduan.

3. Mikrostruktur dan sifat Mekanik

4. Pengukuran dan kontrol kekerasan.

73

Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia

suatu paduan, tetapi juga tergantung pada

strukturmikronya.

Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat

memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya

akan berbeda.

Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang

dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama

proses pengerjaan.

Secara umum perlakukan panas (Heat treatment)

diklasifikasikan dalam 2 jenis :

1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)

Tujuan :

a. Melunakkan struktur kristal

b. Menghaluskan butir

c. Menghilangkan tegangan dalam

d. Memperbaiki machineability.

misalnya : Full Annealing (annealing),Stress relief Annealing

Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

2. Non Equilirium (Tidak setimbang)

Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan

kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi.

misalnya : Hardening, Martempering, Austempering

Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame

hardening, Induction hardening)

Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment)

yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam

proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling

ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai

temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu

tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan

yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi

dengan laju pendinginan yang cukup lambat.

Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis

atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya

waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll.

Annealing

1. Full annealing (annealing)

Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite

yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan

sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki

ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki

machinibility.

Pada proses annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan

logam sampai keatas temperature kritis

Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat

(biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat

penyekat panas yang baik).

2. Normalizing

Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite

halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih

keras dan kuat dari hasil anneal.

Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni

biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas

temperature kritis. Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan

pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan

pada annealing.

3. Spheroidizing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan

struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks

ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki

machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara

sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja

hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang

terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented.

Adanya jaringan cemented (cemented network) ini

meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility

rendah.

Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus

dihancurkan dengan proses spheroidizing.

Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan

sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit

dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam

waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan.

Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu

yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau

lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere)

yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks

ferrite.

4. Stress relief Annealing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan

tegangan sisa akibat proses sebelumnya.

Baja dengan pengerjaan dingin (cold working) akan

menimbulkan tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk

menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress

relief Annealing.

Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro.

Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, makaakan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbangsesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja.

Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadarkarbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan(Equilibrium Phase Diagram).

Contoh: Baja

Kandungan karbon dalam baja menentukan apakah bajabisa langsung dikeraskan.

Jika isi Karbon rendah (kurang dari 0,25% misalnya) makadapat dilakukan peningkatan kandungan karbon daripermukaan.

Bagian permukaan ini dapat diberi perlakuan panaskemudian didinginkan dalam cairan atau udara pendinginudara tergantung pada sifat yang diinginkan.

Metode ini hanya akan memungkinkan pengerasan dipermukaan, tapi tidak di inti, karena kandungan karbontinggi hanya di permukaan. Ini kadang-kadang sangatdiinginkan karena memungkinkan untuk memperolehpermukaan yang keras dengan memakai sifat yang baik(seperti pada gigi gear), tetapi memiliki inti tangguh yangakan tampil baik di bawah beban tumbukan (impak).

Gambar Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)

SURFACE TREATMENT

Pengerasan permukaan komponen logam seperti pisau turbin, roda gigi,

poros, rol dan camshaft biasanya dilakukan dengan beberapa cara:

1. Carburizing

2. Nitriding

3. Carbonitriding

4. Flame Hardening.

I. CARBURIZING

Karburasi adalah proses penambahan Karbon kepermukaan. Hal ini dilakukan dengan mengekspos bagianpermukaan logam ke atmosfer kaya karbon pada suhutinggi dan memungkinkan difusi untuk mentransfer atomkarbon menjadi baja.

Difusi ini akan bekerja hanya jika baja memiliki kandungankarbon rendah, karena difusi terjadi akibat perbedaankonsentrasi. Jika, baja memiliki kandungan karbon tinggimaka jika dipanaskan dalam tungku, karbon akancenderung berdifusi keluar dari baja sehingga terjadidekarburisasi.

Carbon Monoxide reaction: CO2 + C ---> 2 CO

Reaction of Cementite to Carbon Monoxide: 2 CO + 3 Fe --->Fe3C +

CO2

II. NITRIDING

Nitriding adalah proses difusi Nitrogen ke permukaan baja.

Nitrogen yang membentuk nitrida dengan elemen seperti

Aluminium, Chromium, Molybdenum, dan Vanadium.

Bagian-bagian yang dipanaskan dan ditempered sebelum

nitriding. Bagian-bagian tersebut kemudian dibersihkan dan

dipanaskan dalam tungku dalam suasana Amoniak

dipisahkan (mengandung N dan H) selama 10 sampai 40

jam di 500-625 º C (932-1157 º F).

Nitrogen berdifusi ke dalam paduan baja dan bentuk

nitrida, dan masuk ke kedalaman hingga sekitar 0,65 mm

(0,025 in).

Proses ini sangat sulit dan distorsinya rendah. Tidak ada

perlakuan panas lebih lanjut yang diperlukan, bahkan,

perlakuan panas lebih lanjut dapat mengatasi kesulitan ini.

Jika materialnya tipis, grinding permukaan tidak

dianjurkan.

Hal ini dapat menjadi kendala jika proses nitridasi pada

permukaan yang memerlukan hasil yang lebih halus

III. CARBONITRIDING

Proses carbonitriding yang paling cocok untuk karbon

rendah dan paduan baja karbon rendah.

Dalam proses ini, Karbon dan Nitrogen yang disebarkan ke

permukaan. Bagian-bagian yang dipanaskan dalam

suasana hidrokarbon (misalnya metana atau propana)

dicampur dengan Amonia (NH3). Proses ini merupakan

campuran karburasi dan Nitridasi.

Karburasi melibatkan suhu tinggi (sekitar 900 º C, 1652 º

F) dan Nitridasi melibatkan temperatur yang lebih rendah

(sekitar 600 º C, 1112 º F). Carbonitriding dilakukan pada

suhu 760-870 º C (1400-1598 º F), yang lebih tinggi dari

suhu transformasi baja yang merupakan Face center

Austenite.

Hal ini kemudian didinginkan dalam atmosfer gas alam

(bebas oksigen). Quench ini kurang drastis dibandingkan

air atau minyak sehingga distorsi kurang. Namun proses ini

tidak cocok untuk bagian presisi tinggi karena distorsi yang

melekat.

Kekerasan yang dicapai mirip dengan karburasi (60 - 65

RC), tetapi tidak setinggi Nitridasi (70 RC). Kedalaman

difusi 0,1-0,75 mm (0,004-0,030 in). Materialnya menjadi

kaya nitrida serta martensit. Tempering diperlukan untuk

mengurangi kerapuhan material.

Definisi:

Sebuah proses pengerasan permukaan

yang panas diterapkan oleh api suhu tinggi diikuti

dengan pendinginan air. Hal ini biasanya diterapkan

untuk media untuk komponen ukuran besar seperti

roda gigi besar, sprocket, cara slide peralatan mesin,

bantalan permukaan shaft dan as roda, dll

Flame hardening membutuhkan durasi waktu pendek, intensitas panas

tinggi, diterapkan pada area tertentu dari komponen kemudian diikuti

dengan pendinginan. Selain menghindari kebutuhan untuk lingkungan

suasana terkendali, kedua metode ini dapat dilakukan pada area

tertentu saja.

IV. Flame Hardening

Dilakukan dengan menggunakan semprotan langsung api

oxy-gas ke daerah permukaan yang ditetapkan. Hasil dari

proses pengerasan dikendalikan oleh empat faktor: desain

kepala api; durasi pemanasan; suhu sasaran yang akan

dicapai dan komposisi logam.

Baja yang paling cocok memiliki kandungan karbon

dalam kisaran 0,40-0,55%.

Keuntungan:

Distorsi minimum, karena hanya bagian kecil dari baja

dikeraskan pada suatu waktu

Ekonomis, dapat digunakan untuk pengerasan potongan

besar.

Dapat diotomatisasi

Keterbatasan:

Ada kemungkinan over heating

Tidak memungkinkan untuk menghasilkan pengerasan

pada daerah yang lebih kecil dari 1,5 mm.

Kombinasi antara pengerasan

api dan metode berputar.

pengerasan pasangan metode

progresif dan berputar. Bagian

yang perlakukan diputar di

depan api dan pada saat yang

sama api bergerak sepanjang

bagian. Metode ini sangat ideal

untuk pengerasan model poros

Heat and Surface Treatment

PERLAKUAN PANAS

Perlakuan panas adalah operasi atau kombinasi dari operasiyang melibatkan pemanasan pada tingkat tertentu,perendaman pada suhu untuk jangka waktu danpendinginan di beberapa tingkat tertentu.

Tujuannya adalah untuk mendapatkan mikrostruktur yangdiinginkan untuk mencapai sifat-sifat yang telah ditentukan(fisik, mekanik, magnetik atau listrik).

PRINSIP DASAR

1. Diagram Kesetimbangan Fe-C.

2. Isothermal and continuous cooling transformationdiagrams (ICCT Diagram) untuk besi dan baja paduan.

3. Mikrostruktur dan sifat Mekanik

4. Pengukuran dan kontrol kekerasan.

107

Sifat mekanik tidak hanya tergantung pada komposisi kimia

suatu paduan, tetapi juga tergantung pada

strukturmikronya.

Suatu paduan dengan komposisi kimia yang sama dapat

memiliki strukturmikro yang berbeda, dan sifat mekaniknya

akan berbeda.

Strukturmikro tergantung pada proses pengerjaan yang

dialami, terutama proses laku-panas yang diterima selama

proses pengerjaan.

Secara umum perlakukan panas (Heat treatment)

diklasifikasikan dalam 2 jenis :

1. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)

Tujuan :

a. Melunakkan struktur kristal

b. Menghaluskan butir

c. Menghilangkan tegangan dalam

d. Memperbaiki machineability.

misalnya : Full Annealing (annealing),Stress relief Annealing

Process annealing, Spheroidizing, Normalizing dan Homogenizing.

2. Non Equilirium (Tidak setimbang)

Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan

kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi.

misalnya : Hardening, Martempering, Austempering

Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame

hardening, Induction hardening)

Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment)

yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam

proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling

ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai

temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu

tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan

yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi

dengan laju pendinginan yang cukup lambat.

Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis

atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya

waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll.

Annealing

1. Full annealing (annealing)

Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite

yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan

sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki

ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki

machinibility.

Pada proses annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan

logam sampai keatas temperature kritis

Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat

(biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat

penyekat panas yang baik).

2. Normalizing

Merupakan proses perlakuan panas yang menghasilkan perlite

halus, pendinginannya dengan menggunakan media udara, lebih

keras dan kuat dari hasil anneal.

Secara teknis prosesnya hampir sama dengan annealing, yakni

biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas

temperature kritis. Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan

pada udara. Pendinginan ini lebih cepat daripada pendinginan

pada annealing.

3. Spheroidizing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan

struktur carbida berbentuk bulat (spheroid) pada matriks

ferrite. Pada proses Spheroidizing ini akan memperbaiki

machinibility pada baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara

sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : bahwa baja

hypereutectoid yang dianneal itu mempunyai struktur yang

terdiri dari pearlite yang terbungkus oleh jaringan cemented.

Adanya jaringan cemented (cemented network) ini

meyebabkan baja (hypereutectoid) ini mempunyai machinibility

rendah.

Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus

dihancurkan dengan proses spheroidizing.

Spheroidizing ini dilaksanakan dengan melakukan pemanasan

sampai disekitar temperature kritis A1 bawah atau sedikit

dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam

waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan.

Karena berada pada temperature yang tinggi dalam waktu

yang lama maka cemented yang tadinya berbentuk plat atau

lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere)

yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam matriks

ferrite.

4. Stress relief Annealing

Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan

tegangan sisa akibat proses sebelumnya.

Baja dengan pengerjaan dingin (cold working) akan

menimbulkan tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk

menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress

relief Annealing.

Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu 13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro.

Bila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, makaakan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbangsesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja.

Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadarkarbon dapat dilihat pada Diagram Fase Keseimbangan(Equilibrium Phase Diagram).

Contoh: Baja

Kandungan karbon dalam baja menentukan apakah bajabisa langsung dikeraskan.

Jika isi Karbon rendah (kurang dari 0,25% misalnya) makadapat dilakukan peningkatan kandungan karbon daripermukaan.

Bagian permukaan ini dapat diberi perlakuan panaskemudian didinginkan dalam cairan atau udara pendinginudara tergantung pada sifat yang diinginkan.

Metode ini hanya akan memungkinkan pengerasan dipermukaan, tapi tidak di inti, karena kandungan karbontinggi hanya di permukaan. Ini kadang-kadang sangatdiinginkan karena memungkinkan untuk memperolehpermukaan yang keras dengan memakai sifat yang baik(seperti pada gigi gear), tetapi memiliki inti tangguh yangakan tampil baik di bawah beban tumbukan (impak).

Gambar Diagram Near Equilibrium Ferrite-Cementid (Fe-Fe3C)

SURFACE TREATMENT

Pengerasan permukaan komponen logam seperti pisau turbin, roda gigi,

poros, rol dan camshaft biasanya dilakukan dengan beberapa cara:

1. Carburizing

2. Nitriding

3. Carbonitriding

4. Flame Hardening.

I. CARBURIZING

Karburasi adalah proses penambahan Karbon kepermukaan. Hal ini dilakukan dengan mengekspos bagianpermukaan logam ke atmosfer kaya karbon pada suhutinggi dan memungkinkan difusi untuk mentransfer atomkarbon menjadi baja.

Difusi ini akan bekerja hanya jika baja memiliki kandungankarbon rendah, karena difusi terjadi akibat perbedaankonsentrasi. Jika, baja memiliki kandungan karbon tinggimaka jika dipanaskan dalam tungku, karbon akancenderung berdifusi keluar dari baja sehingga terjadidekarburisasi.

Carbon Monoxide reaction: CO2 + C ---> 2 CO

Reaction of Cementite to Carbon Monoxide: 2 CO + 3 Fe --->Fe3C +

CO2

II. NITRIDING

Nitriding adalah proses difusi Nitrogen ke permukaan baja.

Nitrogen yang membentuk nitrida dengan elemen seperti

Aluminium, Chromium, Molybdenum, dan Vanadium.

Bagian-bagian yang dipanaskan dan ditempered sebelum

nitriding. Bagian-bagian tersebut kemudian dibersihkan dan

dipanaskan dalam tungku dalam suasana Amoniak

dipisahkan (mengandung N dan H) selama 10 sampai 40

jam di 500-625 º C (932-1157 º F).

Nitrogen berdifusi ke dalam paduan baja dan bentuk

nitrida, dan masuk ke kedalaman hingga sekitar 0,65 mm

(0,025 in).

Proses ini sangat sulit dan distorsinya rendah. Tidak ada

perlakuan panas lebih lanjut yang diperlukan, bahkan,

perlakuan panas lebih lanjut dapat mengatasi kesulitan ini.

Jika materialnya tipis, grinding permukaan tidak

dianjurkan.

Hal ini dapat menjadi kendala jika proses nitridasi pada

permukaan yang memerlukan hasil yang lebih halus

III. CARBONITRIDING

Proses carbonitriding yang paling cocok untuk karbon

rendah dan paduan baja karbon rendah.

Dalam proses ini, Karbon dan Nitrogen yang disebarkan ke

permukaan. Bagian-bagian yang dipanaskan dalam

suasana hidrokarbon (misalnya metana atau propana)

dicampur dengan Amonia (NH3). Proses ini merupakan

campuran karburasi dan Nitridasi.

Karburasi melibatkan suhu tinggi (sekitar 900 º C, 1652 º

F) dan Nitridasi melibatkan temperatur yang lebih rendah

(sekitar 600 º C, 1112 º F). Carbonitriding dilakukan pada

suhu 760-870 º C (1400-1598 º F), yang lebih tinggi dari

suhu transformasi baja yang merupakan Face center

Austenite.

Hal ini kemudian didinginkan dalam atmosfer gas alam

(bebas oksigen). Quench ini kurang drastis dibandingkan

air atau minyak sehingga distorsi kurang. Namun proses ini

tidak cocok untuk bagian presisi tinggi karena distorsi yang

melekat.

Kekerasan yang dicapai mirip dengan karburasi (60 - 65

RC), tetapi tidak setinggi Nitridasi (70 RC). Kedalaman

difusi 0,1-0,75 mm (0,004-0,030 in). Materialnya menjadi

kaya nitrida serta martensit. Tempering diperlukan untuk

mengurangi kerapuhan material.

Definisi:

Sebuah proses pengerasan permukaan

yang panas diterapkan oleh api suhu tinggi diikuti

dengan pendinginan air. Hal ini biasanya diterapkan

untuk media untuk komponen ukuran besar seperti

roda gigi besar, sprocket, cara slide peralatan mesin,

bantalan permukaan shaft dan as roda, dll

Flame hardening membutuhkan durasi waktu pendek, intensitas panas

tinggi, diterapkan pada area tertentu dari komponen kemudian diikuti

dengan pendinginan. Selain menghindari kebutuhan untuk lingkungan

suasana terkendali, kedua metode ini dapat dilakukan pada area

tertentu saja.

IV. Flame Hardening

Dilakukan dengan menggunakan semprotan langsung api

oxy-gas ke daerah permukaan yang ditetapkan. Hasil dari

proses pengerasan dikendalikan oleh empat faktor: desain

kepala api; durasi pemanasan; suhu sasaran yang akan

dicapai dan komposisi logam.

Baja yang paling cocok memiliki kandungan karbon

dalam kisaran 0,40-0,55%.

Keuntungan:

Distorsi minimum, karena hanya bagian kecil dari baja

dikeraskan pada suatu waktu

Ekonomis, dapat digunakan untuk pengerasan potongan

besar.

Dapat diotomatisasi

Keterbatasan:

Ada kemungkinan over heating

Tidak memungkinkan untuk menghasilkan pengerasan

pada daerah yang lebih kecil dari 1,5 mm.

Kombinasi antara pengerasan

api dan metode berputar.

pengerasan pasangan metode

progresif dan berputar. Bagian

yang perlakukan diputar di

depan api dan pada saat yang

sama api bergerak sepanjang

bagian. Metode ini sangat ideal

untuk pengerasan model poros

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 5

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

139

Nano Material II

SINTESIS NANO MATERIAL:

1. Metode Gas

2. Metode Cair

Sintesis Nano Material

Secara Garis Besar ada dua metode:

1. Metode Pendekatan Bottom-Up

Yaitu bahan asal berukuran kecil, dibesarkan sehingga

berukuran nano

2. Metode Pendekatan Top Down

Yaitu bahan asal berukuran besar, dikecilkan sehingga

berukuran nano.

Nanoparticles dapat disintesis dalam berbagai cara, baik

dalam reaksi kimia dan proses fisik.

Kebanyakan metode umum yang digunakan untuk

komersial atau industri pembuatan nanopartikel dapat

dibagi menjadi empat kelompok utama :

1. proses fase gas: deposisi uap , pirolisis api , suhu tinggi,

penguapan dan sintesis plasma .

2. metode fase cair dimana reaksi kimia dalam pelarut

menyebabkan formasi koloid , aerosol .

3. teknik Sol - gel .

4. proses mekanis fase padat termasuk grinding, penggilingan

dan paduan .

Vapor – phase synthesis

Fase deposisi uap dapat digunakan untuk membuat film tipis,

multilayers, nanotube, nanofilaments atau partikel berukuran

nanometer. Teknik-teknik umum dapat diklasifikasikan luas baik

sebagai:

1. deposisi uap fisika (PVD)

PVD melibatkan konversi bahan padat ke fase gas dengan

proses fisika

2. deposisi uap kimia (CVD).

PVD melibatkan konversi bahan padat ke fase gas dengan

proses kimia

144

Secara umum, bahan prekursor dalam bentuk padat, cair atau gas

dimasukkan ke dalam reaktor yang dipanaskan dan dicampur dengan

gas pembawa. Proses nukleasi dimulai dengan pembentukan inti

yang sangat kecil dari fase molekul. Inti ini kemudian tumbuh dengan

mekanisme pertumbuhan permukaan (Kondensasi heterogen, reaksi

permukaan) dan dengan tabrakan dan koagulasi.

Tabrakan selanjutnya dapat mengakibatkan pembentukan gumpalan.

Pemanasan yang digunakan adalah: api pirolisis, reaktor, laser yang

diinduksi pirolisis, Laser penguapan, plasma panas, microwave

plasma, sputtering, ablasi laser.

1. Gas-Vapor deposition

Chemical Vapor Deposition (CVD) metode yang dikenal dalam

industri semikonduktor. Dalam proses CVD, uap terbentuk dalam

ruang reaksi pirolisis, terjadi reduksi, oksidasi dan nitridati dan

kemudian disimpan di permukaan. Area pertumbuhan dikendalikan

oleh proses pola seperti photolithography atau photomask (deposisi

pola yang tergores ke lapisan permukaan wafer).

Aplikasi yang paling penting dari metode CVD adalah sintesis dari

karbon nanotube mana CVD dianggap menawarkan salah satu rute

yang paling efektif untuk skala kecil hingga skala industri.

2. Plasma – based synthesis

Penyemprotan plasma bahan ke substrat untuk membentuk lapisan

pelindung secara luas digunakan dalam industri. Penggunaan plasma

(yaitu, gas terionisasi) selama deposisi uap memungkinkan terjadi

proses fisika kimia yang berbeda dan memperoleh bahan akhir dengan

kemurnian tinggi.

Dalam reaktor plasma suhu urutan 10.000 ° C dapat dicapai,

menyebabkan penguapan atau memulai reaksi kimia. Jenis utama dari

plasma yang digunakan adalah DC jet plasma, DC art plasma dan

Radio-Frequency (RF) plasma induksi.

Filamen dipanaskan sehingga menghasilkan ion gas. Ion-ion gas dalam

plasma kemudian dipercepat dan diarahkan ke substrat.

Schematic diagram of a vacuum arc deposition technique.

Principle of the vapor condensation process.

3. Molecular beam epitaxy

MBE memiliki kelebihan ultra-presisi tinggi, ultra evaporator bersih,

dikombinasikan dengan satu set in-situ seperti Auger elektron

spektroskopi (AES) dan / atau refleksi energi tinggi elektron difraksi

(RHEED), untuk karakterisasi lapisan diendapkan selama

pertumbuhan.

Reaktor terdiri dari ultrahigh-ruang vakum (biasanya 5 x 10-14

tekanan atm) dengan diameter sekitar 1,5 m .

Aspek yang paling penting dari MBE adalah dapat melakukan

deposisi lambat (1-300 nm per menit), yang memungkinkan film

untuk tumbuh epitaxial pada substrat yang dipanaskan dalam

kondisi Uhv.

Schematic diagram of a molecular beam epitaxy thin film deposition system

4. Inert gas condensation

Kondensasi gas, sebagai suatu teknik untuk memproduksi

nanopartikel, mengacu pada pembentukan nanopartikel dalam fase

gas, i. e., kondensasi atom dan molekul dalam fase uap.

Kondensasi gas inert (IGC) proses adalah salah satu yang paling

dikenal untuk memproduksi nanopowders.

Sumber logam dipanaskan dalam sebuah ruangan yang sebelumnya

telah dievakum pada 10-7 torr dan dialirkan gas inert bertekanan

rendah. Uap logam mendingin melalui tumbukan dengan atom gas

inert, menjadi jenuh dan kemudian terjadi nukleasi homogen; ukuran

partikel biasanya dalam kisaran 1-100 nm dan dapat dikendalikan

dengan memvariasikan tekanan gas inert. Pada akhirnya, partikel

dikumpulkan dan dipadatkan untuk menghasilkan nanomaterial padat.

Schematic diagram of an inert gas condensation apparatus

5. Flame pyrolysis

Flame pirolisis secara luas digunakan dalam produksi karbon hitam,

silika diasapi (SiO2), ultrafine TiO2 dan bahan lainnya. Dalam proses

ini api panas digunakan untuk memulai reaksi kimia. Kerugian dari

metode ini adalah bahwa hal itu biasanya menghasilkan partikel

diaglomerasi.

Schematic diagram of a flame pyrolysis

Liquid phase synthesis

Mempercepat nanopartikel dari larutan senyawa kimia dapat

diklasifikasikan menjadi lima kategori utama:

(1) metode koloid

(2) sol - gel pengolahan

(3) Metode mikroemulsi air – minyak

(4) sintesis hidrotermal

(5) metode polyol.

1. Colloidal methods

Metode koloid menggunakan prinsip pengendapan kimia basah

di mana larutan dari ion yang berbeda dicampur di bawah suhu dan

tekanan terkontrol untuk membentuk endapan tidak larut.

Proses koloid banyak digunakan untuk menghasilkan nanomaterial

seperti seperti logam, oksida logam, organik, dan obat-obatan.

metode koloid biasanya digabung dengan metode sonochemistry, di

mana gelombang ultra sonik digunakan untuk mengontrol proses.

Gelombang ultra sonik akan menghasilkan gelembung kecil, yang

bertindak seperti pusat nukleasi.

Nanopartikel yang dihasilkan kemudian dikumpulkan dengan

menyaring atau pengeringan semprot untuk menghasilkan bubuk

kering.

2. Solution precipitation

Contoh: Garam logam anorganik, seperti klorida, nitrida dan

sebagainya, dilarutkan dalam air. Kation logam yang ada dalam bentuk

spesies hidrat logam, misalnya, Al (H2O) 3+

atau Fe (H2O6) 3+. Hidrat ini ditambahkan dengan solusi dasar, seperti

NaOH atau Na4OH.

Spesies terhidrolisis mengembun dan kemudian dicuci, disaring,

dikeringkan dan dikalsinasi untuk mendapatkan produk akhir.

Metode yang dijelaskan relatif sederhana dan banyak digunakan untuk

produksi tunggal dan multi-- komponen nanopowders oksida

menggunakan reaksi dioptimalkan dan kondisi reaksi.

Kelemahan metode koloid adalah partikel dapat meningkatkan ukuran

mereka sebagai fungsi waktu.

3. Electrodeposition

Prinsip elektrodeposisi adalah memicu reaksi kimia dalam larutan

elektrolit dengan bantuan tegangan yang diberikan, misalnya proses

menggunakan

arus listrik untuk melapisi obyek elektrik konduktif dengan lapisan yang

relatif metal tipis. Metode ini sesuai dengan pengendapan bahan

berstrukturnano termasuk logam oksida dan chalcogenides.

Proses elektrodeposisi dapat berupa anodik atau katodik. Dalam sebuah

proses anodik, anoda logam teroksidasi dengan adanya ion lain di

dalam larutan, yang kemudian bereaksi bersama-sama dan menempel

pada anoda. Sementara itu pada proses katodik, komponen disimpan ke

katoda dari larutan prekursor.

Elektrodeposisi relatif murah dan dapat dilakukan pada suhu rendah

yang akan meminimalkan bahan terdifusi. Ketebalan film dapat dikontrol

sedangkan laju deposisi dapat diikuti oleh variasi arus bersama waktu.

Film-film akhir dapat berkisar ketebalan dari beberapa nanometer

hingga puluhan mikron dan dapat dilakukan pada daerah spesimen

besar dan bentuk yang kompleks.

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 6

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

160

Nano Material III

SINTESIS NANO MATERIAL:

1. Metode Sol-Gel

2. Metode Padat

3. Metode Lainnya

Teknologi Sol-gel adalah teknologi kimia koloid yang telah mapan,

yang menawarkan kemungkinan untuk memproduksi berbagai

bahan dengan sifat yang telah ditetapkan secara sederhana.

Proses dan biaya proses yang relatif rendah. Sol adalah nama dari

solusi koloid dibuat partikel padat beberapa ratus nm diameter,

dalam fasa cair. Gel dapat dianggap sebagai makromolekul padat

direndam dalam pelarut. Jadi, secara umum,Proses sol-gel terdiri

dalam transformasi kimia cairan (sol) menjadi gel.

Teknik Sol-gel adalah salah satu solusi pengolahan yang paling

populer untuk nanopartikel.

Sol-gel technique

163

1. Sol-gel process

Sol-gel technology and its final products.

Proses melibatkan pembentukan gel yang diikuti dengan

pengeringan untuk menghilangkan pelarut. Gel dapat dicetak dan

dibentuk untuk membentuk pra-bentuk mikro dan dikeringkan untuk

menghasilkan bahan massal monolitik (misalnya, xerogel atau

aerogel) yang dapat digunakan untuk membentuk filter dan

membran. Mereka juga dapat dilapisi secara berputar atau

dicelupkan untuk menghasilkan film tipis (biasanya 50-

500 nm pada substrat. Film-film ini digunakan untuk perangkat

elektronik, untuk perlindungan oksidasi, serta untuk sifat optik

mereka (misalnya, antireflection).

Kelebihan utama dari metode sol-gel adalah produk dengan

kemurnian tinggi dan struktur nano yang seragam dapat dicapai

pada suhu relatif rendah.

2. Sol-gel coating processes

Example of formation of sodium borosilicate coating on glass by dip coating

Dalam proses sol-gel coating substrat terbenam ke sol dan kemudian

ditarik dengan kecepatan tertentu serta suhu dan kondisi atmosfer

tertentu. Ketebalan film yang terbentuk ditentukan oleh kecepatan

penarikan, substrat dan viskositas cairan. Tahap berikutnya adalah

(densifikasi) lapisan gelas dengan penguapan pelarut

dan akhirnya proses anil untuk mendapatkan lapisan oksida.

Metode yang digunakan antara lain: deep coating, angle coating, flow

coating, spin coating, spray coating dll.

Schematic of angle dependent dip coating

Stages of the spin coating process

Scheme of the flow-coating process

Schematics of the capillary coating process

Solid – state phase synthesis

Salah satu proses nanofabrication penting industri utama adalah ball

milling energi tinggi.

Berbeda dengan tiga kelompok sebelumnya, di mana partikel-partikel

yang diproduksi merupakan proses bottom up, metode solid state

berdasarkan mekanisme up to bottom (pengurangan ukuran) dengan

proses seperti gesekan dan disintegrasi partikel yang lebih besar

sampai ukuran partikel menjadinanometer.

Proses produksi sering melibatkan penggilingan basah penggilingan

ruang dengan berputar atau pelat berlubang. Hasil penggilingan basah

di suspensi dengan penyesuaian pH untuk mencegah rekombinasi

partikel.

1. Mechanical Milling, Gesekan and Paduan

Pada 1970-an, metode Mechanical attriction (MA) partikel serbuk

diikuti oleh sintering suhu tinggi dikembangkan sebagai proses

industri untuk menghasilkan paduan baru dan campuran fase. Proses

metalurgi serbuk ini memungkinkan penyusunan paduan dan

komposit yang tidak dapat disintesis melalui rute pengecoran

konvensional.

Pada 1980-an, metode penggilingan energi tinggi digunakan untuk

menghasilkan bahan nano.

Ball mill banyak dikembangkan, di antaranya :tumbler-, attrition-,

shaker-, getaran dll.

Butiran kasar bahan dalam bentuk bubuk dihancurkan secara

mekanis dlm drum oleh bola baja atau tungsten karbida yang diputar,

biasanyadalam kondisi atmosfer untuk mencegah reaksi yang tidak

diinginkan seperti oksidasi. Deformasi berulang ini dapat

menyebabkan pengurangan besar dalam ukuran butir sehingga

sampai diperoleh ukuran nano

Schematic representation of the process of mechanical attrition

Metode Lain

1.

The release of thin semiconductor

layers from a substrate surface

results in the formation of a novel

class of free-standing nano- and

microobjects. The right hand side

shows a thin strained bilayer that

rolls up into a tube as soon as the

sacrificial buffer layer is selectively

etched away. The technique allows

accurately positioning of the

novel semiconductor nanostructures

and therefore constitutes a powerful

method to combine top-down and

bottom-up approach in

nanotechnology.

2.

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 8

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

175

Nano Porous

Bahan berpori nanoporous dapat dibagi menjadi 3 kategori:

1. bahan dengan diameter pori kurang dari 2 nm

2. bahan mesopori dengan poridiameter yang terletak di antara 2

dan 50 nm

3. bahan berpori dengan diameter pori lebih besar dari 50 nm

Pori-pori itu sendiri diklasifikasikan menjadi dua jenis:

1. membuka pori-pori yang terhubung ke permukaan

bahan

2. pori-pori tertutup yang terisolasi dari luar.

BAHAN NANO PORUS

Dalam pemisahan, katalisis, filtrasi atau membran, sering

diperlukan bahan dengan pori-pori terbuka. Bahan dengan pori-

pori tertutup berguna dalam sonic dan isolasi termal, atau aplikasi

struktur ringan.

Pori-pori memiliki berbagai bentuk dan morfologi seperti silinder,

bola, celah jenis dan juga bentuk yang lebih kompleks bentuk

heksagonal tersebut.

Pori-pori bisa lurus atau melengkung atau dengan banyak

belokan dan tikungan. Umumnya bahan berpori

memiliki porositas (rasio volume ruang pori total volume

material) antara 0,2-0,95.

Bahan nanoporous didistribusikan secara luas di alam, baik dalam

mineral alami dan dalam sistem biologi, dan telah digunakan industri

untuk waktu yang lama. Tetapi dengan perkembangan teknologi nano

kebutuhan bahan sintesis dengan ukuran pori dikontrol secara tepat

dan geometri telah muncul.

Sifat yang paling penting dari bahan nanoporous, membedakan mereka

dari bahan lain dan menentukan sebagian besar aplikasi mereka,

adalah area permukaan internal yang besar dan sangat teratur, struktur

pori seragam.

Sintesis bahan nanoporous biasanya berdasarkan metode bottom-up

proses, termasuk metode template lunak dan keras.

Salah satu metode yang paling umum adalah template kristal cair. Penggunaan

misel surfaktan sebagai struktur mengarahkan agen dalam proses sol-gel.

Amphiphillic surfaktan diri merakit menjadi misel silinder, yang dikemas oleh

bahan anorganik, yang menyeimbangkan muatan pada permukaan micellular.

Kalsinasi, sebuah teknik pengolahan termal di mana surfaktan terbakar,

kemudian digunakan untuk menghapus surfaktan organik, meninggalkan

pengaturan heksagonal mesopori.

Metode sol-gel juga digunakan untuk membuat aerogels, di mana gas yang

tersebar di gel, menghasilkan sangat ringan padat (kadang-kadang hanya

beberapa kali lebih padat daripada udara.

Conventional polymeric foams (W. Paul, H. Weiss, Nanoporous

foams, BASF, The Chemical Company, 2004).

Zeolit adalah yang paling umum dan kelompok terbesar dari bahan

mikro. Lebih dari 150 jenis zeolit telah disintesis dan 48 zeolit alami

yang

dikenal. Mereka pada dasarnya terhidrasi mineral alumino-silikat

dengan rumus kimia umum :

Zeolit dan bahan zeolit-seperti Zeolit

Zeolit memiliki struktur rangka terbuka tiga dimensi dibangun dari

tetrahedra(susunan SiO4 dan AlO4 tetrahedra terhubung melalui atom

oksigen mereka), mengandung pori-pori dan rongga. Struktur dan

porositas teratur dan berkala.

Karena geometri, zeolit dikenal sebagai "Saringan molekul". Istilah ini

mengacu pada kemampuan bahan-bahan tersebut untuk selektif

semacam molekul terutama didasarkan pada proses eksklusi ukuran.

Dalam rongga dan pori-pori biasanya ada juga molekul air (air zeolitik).

Satu ukuran porositas adalah jumlah air yang terserap. Molekul air

dapat (di banyak kasus) dihilangkan dengan pemanasan dan

readsorbed pada suhu yang lebih rendah.

Zeolit banyak digunakan dalam pemurnian air rumah tangga dan

komersial, dan aplikasi lainnya. Dalam kimia, zeolit sering digunakan

untuk memisahkan molekul. Zeolit memiliki potensi memberikan

pemisahan yang tepat dan spesifik gas termasuk penghapusan H2O,

CO2 dan SO2 dari aliran gas alam kelas rendah.

Zeolit sintetis yang banyak digunakan sebagai katalis dalam industri

petrokimia. Zeolit membatasi molekul dalam ruang kecil, yang

menyebabkan perubahan struktur dan reaktivitas mereka. Bentuk-

bentuk hidrogen zeolit adalah asam solid-state yang kuat, dan dapat

memfasilitasi reaksi asam-katalis, seperti isomerisasi, alkilasi, dan

retak. Aplikasi terbesar untuk zeolit sintetis adalah pasar deterjen

global (1,44 juta ton per tahun dari anhidrat zeolit pada tahun 1992).

Panas tinggi adsorpsi dan kemampuan untuk hidrat dan dehidrasi

sambil mempertahankan struktur stabilitas memungkinkan untuk

menggunakan zeolit sebagai kolektor panas matahari dan untuk

adsorpsi pendinginan. Sifat higroskopis mereka digabungkan dengan

melekat pada Reaksi eksotermis ketika transisi dari dehidrasi ke

bentuk terhidrasi (panas adsorpsi), membuat zeolit alami yang efektif

dalam penyimpanan panas matahari dan limbah energi. Zeolit sintetis

juga digunakan sebagai aditif dalam proses produksi beton aspal

hangat. Ini membantu mengurangi tingkat suhu selama pembuatan

beton aspal, sehingga konsumsi lebih rendah dari bahan bakar fosil,

sehinggamelepaskan karbon dioksida lebih sedikit, aerosol dan uap.

bidang pertanian, Klinoptilolit (zeolit alami ) digunakan sebagai

pemulihan tanah. Ini menyediakan sumber kalium. Jika sebelumnya

sarat dengan amonium, zeolit dapat juga melepaskan nitrogen.

Sistem generasi oksigen berbasis zeolit yang banyak digunakan

untuk menghasilkan oksigen kelas medis. Zeolit digunakan sebagai

saringan molekul, yang dapat mengekstrak oksigen dari udara,

dalam proses yang melibatkan menyerap dari atmosfer

nitrogen.

Kelompok yang dikenal terbesar kedua bahan mikro adalah keluarga

aluminophosphate. Kerangka aluminophosphate AlPO4 terbentuk

dari berbagi titik-AlO4 dan PO4 tetrahedra. Bahan mikro umum

lainnya termasuk silicoaluminophosphates, gallophosphates, atau

baru ditemukan hibrida anorganik-organik.

Structure of zeolites MCM-41 (Mobile Crystalline Material) (C. T.

Kresge,M. E. Leonowicz, W. J. Roth, et al. Nature 1992, 359, 710–

712), and MCM-48 (Ji M.Kim, S.K. Kim, R.Ryoo, Synthesis of

MCM-48 single crystals, Chem. Commun., 1998).

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 9

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

189

Shape Memory Alloy I

Shape memory alloy merupakan jenis dari smart material,

yang berarti material tersebut peka dan mampu "beradaptasi"

dengan berbagai kondisi, dalam hal ini kondisi termal (kalor).

Shape memory alloy mampu berubah bentuk sesuai kondisi

termal (kalor) yang diterimanya.

Shape Memory Alloy (SMA)

Penemuan shape memory effect diambil pada 1930-an. Menurut

Otsuka dan Wayman, A. Olander menemukan perilaku

pseudoelastic dari paduan Au-Cd pada tahun 1932. Greninger

dan Mooradian (1938) mengamati pembentukan dan hilangnya

fase martensitik dengan menurunkan dan meningkatkan suhu

paduan Cu-Zn.

Fenomena dasar dari efek memori diatur oleh perilaku

thermoelastic fasa martensit dilaporkan secara luas satu dekade

kemudian oleh Kurdjumov dan Khandros (1949) dan juga oleh

Chang dan Baca (1951).

Paduan titanium-nikel pertama kali dikembangkan pada 1962-1963 oleh

US Naval Ordnance Laboratorium dan dikomersialisasikan di bawah

nama dagang Nitinol (sebuah akronim untuk Nickel Titanium Naval

Ordnance Laboratories). Sifat yang luar biasa mereka temukan secara

tidak sengaja yaitu sebuah sampel yang sudah keluar bengkok dengan

perubahan bentuk berkali-kali yang ditampilkan pada pertemuan

manajemen laboratorium. Salah satu direktur teknis asosiasi, Dr David

S. Muzzey, memutuskan untuk melihat apa yang akan terjadi jika

sampel dipanaskan dan memegang pipa ringan di bawahnya dan

setelahnya semua orang takjub dengan sampel yang dapat kembali ke

bentuk aslinya tersebut.

Shape Memory Alloy (SMA) adalah material cerdas (smart material)

yang bentuknya berubah terhadap kalor. Beberapa material jenis ini

antara lain adalah nitinol, nikel dan titanium serta kombinasinya.

Material kelompok ini dapat mengkonversi energi termal secara

langsung menjadi usaha mekanis. Misalnya smart shape memory alloys

dapat diprogram untuk mengadopsi bentuk tertentu ketika alloy

mencapai suhu yang diinginkan (misalnya 1000C). Alloy yang sama ini

kemudian dapat dimanipulasi atau dideformasi secara mekanis untuk

mengadopsi bentuk yang berbeda ketika berada dalam suhu yang tidak

diinginkan (misalnya 500C). Ketika alloy dipanaskan di atas suhu

transisi kritis misalnya, material akan mengingat bentuk sebelumnya

dan merestorasi diri.

Shape memory alloy memiliki struktur kristal austenit dan martensit.

Suatu bahan shape memory alloy pada temperatur rendah yang

mempunyai struktur austenit, pada temperatur tinggi berubah ke

bentuk struktur kembaran yang dikenal sebagai fasa martensit. Fasa

martensit mudah dideformasi dengan beban yang relatif rendah.

Ketika bahan pada fasa martensit yang terdeformasi dipanaskan,

struktur kembaran fasa martensit akan mengatur dirinya dan

membentuk fasa austenit. Transformasi fasa austenit ke fasa

martensit dan sebaliknya berlangsung tanpa melalui proses

difusi seperti terlihat.

Mekanisme sifat ingat bentuk ( shape memory )

Temperatur ketika bahan berfasa austenit berubah menjadi fasa

martensit dikenal sebagai martensite start (Ms) yang berlangsung

terus hingga fasa martensit stabil pada temperatur martensite finish

(Mf). Ketika bahan dipanaskan dan fasa berubah menjadi fasa austenit

dikenal sebagai temperatur austenite start (As), dimana perubahan ini

berlangsung hingga temperatur austenite finish (Af).

Struktur atom martensit dan austenit

Pemrosesan Shape Memory Alloys

Shape Memory Alloys dibuat melalui dua bagian pemrosesan yaitu

1. proses pembentukan

2. proses pelatihan.

Pada proses pembentukan, SMA biasanya dibuat dengan casting

(pencetakan) dimana sebelumnya menggunakan proses peleburan

atau pelelehan busur vakum induksi. Ini adalah teknik yang

digunakan untuk memastikan logam-logam yang dipadukan

tercampur rata. Lalu dilakukan hot rolling yaitu ditekan dan

dipanjangkan menjadi beberapa bagian lagi dan kemudian dilakukan

drawn untuk mengubahnya menjadi kawat.

Cara kedua yaitu dilakukan pelatihan, yaitu paduan tersebut "dilatih"

untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. "Pelatihan" tersebut

yaitu dengan mendikte paduan tersebut yang akan dapat mengingat

kembali bentuknya ketika dipanaskan. Hal ini dilakukan dengan

memanaskan paduan sehingga terjadi dislokasi dan akan kembali ke

posisi dia stabil, tetapi dalam keadaan tidak terlalu panas sehingga

materi recristalisasi. Mereka dipanaskan sampai antara 400 ° C dan

500 ° C selama 30 menit sedangakan ada untuk beberapa paduan

yang 500 ° C dan lebih dari 5 menit. Mereka kemudian dibentuk

selagi panas dan didinginkan dengan cepat oleh pendinginan dalam

air atau dengan pendingin dengan udara.

Shape memory alloy memiliki beberapa sifat yang berbeda

dibandingkan dengan jenis bahan-bahan lainnya. Sifat utama yang

dimiliki oleh shape memory alloy adalah superelastisitas dan memiliki

shape memory effect yang terdiri dari one way memory effect dan two

way memory effect.

Sifat Shape Memory Alloys

1. Superelastisitas

Perilaku ini dapat juga disebut super-thermoelasticity atau pseudo-

elasticity. Shape memory alloys juga memiliki karakteristik yang

dapat mengalami lebih banyak tekukan penting daripada paduan

logam konvensional.

Prinsip dari sifat ini adalah perlakuan paksa dilakukan pada paduan

(pada temperatur konstan) seperti pada diagram sebelumnya. Lalu

dilakukan perlakuan tekukan

Diagram keadaan perubahan dari austenit ke martensit

Kurva sampel monokristal selama perubahan di bawah

paksaan dengan temperatur konstan

memiliki 3 daerah penting yaitu:

1. Dari daerah asal sMs: elastisitas dari austenit;

2. Dari sMs menuju sMf : tekukan pada daerah perubahan bentuk

martensit;

3. Dari sMf : elastisitas dari martensit.

Shape memory effect

Ada dua jenis fenomena shape memory effect (SME), yaitu SME satu

arah dan SME dua arah. Pada SME satu arah, perubahan bentuk terjadi

hanya pada saat pemanasan sedangkan pada SME dua arah,

perubahan bentuk terjadi pada saat pemanasan dan pendinginan.

Dengan demikian SME dua arah menunjukkan efek switching antara

bentuk pada saat dingin dan bentuk pada saat panas, masing-masing

terhadap pemanasan dan pendinginan.

Skema fenomena shape memory effect (SME) : shape memory effect

satu arah dan shape memory effect dua arah

Pada gambar di atas, prosedur yang sangat mirip: mulai dari

martensit (a), menambahkan deformasi reversibel untuk efek satu-

arah atau deformasi berat dengan jumlah yang tidak dapat diubah

untuk dua arah (b), pemanasan sampel (c) dan pendinginan lagi (d).

Shape memory effect satu arah (One way memory effect)

Ketika sebuah paduan shape memoy dalam keadaan dingin (di

bawah As), logam dapat menjadi bengkok atau dipanjangkan dan

akan terus berubah bentuk sampai dipanaskan di atas suhu

transisi. Setelah pemanasan, perubahan bentuk ke aslinya. Ketika

logam mendingin lagi itu akan tetap dalam bentuk panas, sampai

terdeformasi lagi. Dengan efek satu arah, pendinginan dari suhu

tinggi tidak menyebabkan perubahan bentuk makroskopik. Pada

pemanasan, transformasi dimulai pada As dan selesai pada Af

(biasanya 2 sampai 20 ° C atau lebih panas, tergantung pada

paduan atau kondisi beban). As ditentukan oleh jenis paduan dan

komposisi dan dapat bervariasi antara -150 ° C dan 200 ° C.

Diagram termo-mekanik dan one way

memory effectProses one way memory effect

Prinsip dari one-way memory effect berdasarkan gambar 7 yaitu :

(a) : Terdapat proses pendinginan tanpa adanya perlakuan paksa

dari temperatur temperature Ti diatas Ms dan temperatur Tf di bawah

Mf. Sebagai konsekuensinya, terbentuk struktur martensit tetapi tidak

terjadi perubahan benkokan. (b) : Diberi perlakuan paksa pada

temperatur konstan dan tidak terdapat perubahan fase, dan terdapat

kembali berorientasi pada bentuk varasi martensit selama proses

pendinginan. (c) : Pada proses ini adalah proses pemanasan hingga Ti

di bawah perlakuan paksa nol. Lalu paduan ini akan menemukan

kembali bentuk awalnya.

Shape memory effect dua arah (Two way memory effect)

Bentuk memori efek dua arah adalah efek yang material mengingat

dua bentuk yang berbeda: satu pada temperatur rendah, dan satu pada

bentuk suhu tinggi. Sebuah materi yang menunjukkan efek shape memory

selama pemanasan dan pendinginan baik disebut shape memory dua

arah. Ini juga dapat diperoleh tanpa penerapan kekuatan eksternal

(intrinsik efek dua arah). Alasan materi berperilaku begitu berbeda dalam

situasi ini yaitu terletak dalam pelatihan. Pelatihan menyiratkan bahwa

shape memory dapat "belajar" untuk berperilaku dengan cara tertentu.

Dalam keadaan normal, shape memory alloys "mengingat" bentuknya

pada suhu tinggi, tapi setelah pemanasan dilakukan untuk memulihkan

bentuk suhu tinggi, dan segera "lupa" terhadap bentuk suhu rendah..

Namun, bisa "dilatih" untuk "mengingat" untuk meninggalkan

beberapa pengingat kondisi suhu rendah terdeformasi dalam fase

suhu tinggi

Pada two-way memory effect, paduan ini dapat melakukan

perubahan bentuk baik karena proses pemanasan maupun

proses pendinginan. Dapat ditentukan bentuk steady : Untuk

temperatur tinggi yaitu austenite dan temperatur rendah yaitu

martensit. Prinsip dari two way memory effect berdasarkan

gambar 9 yaitu : Setelah beberapa pelatihan, paduan ini

memiliki dua bentuk stabil.

Diagram termo-mekanik pada two way

memory effectProses two way memory effect

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 10

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

214

Shape Memory Alloy II

1. Paduan TiNi

Pada komposisi tertentu, merupakan salah satu kelompok

paduan yang digunakan sebagai bahan paduan shape

memory,karena paduan ini memiliki sifat pemulihan tegangan

dan regangan pada perubahan temperatur

tertentu. Sifat pemulihan regangan dan tegangan ini

dikenal sebagai fenomena shape memory effect (SME) dan

paduan shape memory termasuk dalam kategori material

cerdas (smart material).

Jenis-jenis shape memory alloy

2. Paduan Tembaga

Untuk paduan tembaga yang berbeda, menurut komposisi mereka, tipis

kabel (dari 100 mm sampai 2 mm diameter) dapat diperoleh. Hal ini

juga mungkin untuk mendapatkan lembaran tipis (dari 15 mm sampai

300 mm), yang digunakan, misalnya, dalam domain mikro-mekanik.

Berikut adalah paduan berbeda dengan tembaga:

Cu-Zn-Al (tembaga-seng-aluminium): mudah digunakan dan harga

moderat. Ada masalah selama penggunaan pada suhu tinggi yaitu

sebuah stabilisasi martensit. Menambahkan penyulingan seperti kobalt,

zirkonium, atau titanium, adalah mungkin untuk mencapai ukuran butir

50 mm sampai 100 mm.

Cu-Al-Ni (Tembaga-aluminium-nikel): lebih sulit untuk digunakan,

tetapi kurang reaktif terhadap kestabilisasian atau penuaan. Paduan ini

memiliki sifat yang sangat baik dalam domain suhu yang besar (Dari 50

° C sampai 180 ° C).

Cu-Al-Be (Tembaga-aluminium-berilium): Memiliki stabilitas termal

yang baik. Karena ada sejumlah lemah berilium, itu memungkinkan

suhu transformasi disesuaikan dari -200 ° C sampai 150 ° C.

http://3.bp.blogspot.com/-YUllb0XXNkk/UtdReDNGuRI/AAAAAAAAAR4/LHTr9XO-GyU/s1600/pic12.jpg

Aplikasi dari shape memory alloys dapat dimanfaatkan dalam

bidang medis, bidang kedirgantaraan, robot mikro, pneumatic

valve, dll.

a. Bidang Kedirgantaraan

Mekanisme peluncuran Frangibolt TiNi Aerospace, Inc. didesain

untuk pesawat luar angkasa untuk memberikan rasa aman dan

dapat mengontrol penyebaran dari satelit pesawat luar angkasa.

Memanfaatkan peluasan silinder SMA dengan elemen pemanas

terintegrasi, peralatan tersebut dapat memutuskan baut

penghubung beban ke pesawat luar angkasa.

Aplikasi Shape Memory Alloys

Peluncuran tersebut oleh karena itu mungkin tanpa peledakan.

Beberapa model berbeda untuk baut yang berbeda dan berat satelit

(mencapai 5000lbf / 2300kg) yang dibuat. Peralatan-peralatan

tersebut dapat digunakan kembali setelah penekanan dari eemen

SMA dengan alat eksternal

Pinpullers, juga dibuat oleh TiNi Aerospace, Inc. adalah

peralatan kabel penggerak yang didesain untuk keamanan dan

pelepasan dari payload pada pesawat luar angkasa. Seperti

frangibolt, pinpuller lebih berukuran kecil, dapat digunakan kembali,

kemampuan bertahan lebih baik, lebih aman dan efisien.

Peralatan peluncuran Frangibolt non-explosive

b. Proportional pneumatic microvalve

TiNi Alloy Company memproduksi sebuah pneumatic microvalve

menggunakan TiNi ketebalan film. Valve ini dapat mengontrol aliran

udara secara proporsional, mengganti valve solenoid konvensional.

Meskipun dalam sebuah fase prototype, distribusi komersial dari

peralatan ini telah dimulai.

Sebuah susunan dari empat microvalve, di mana ukuran dari susunan

tersebut adalah 12,5mm x 15mm

c. Peralatan Medis

Ada banyak aplikasi di dalam bidang medis. Sebagai contoh :

kawat gigi pada perawatan gigi, peralatan-peralatan microsurgical,

microgrippers, stents, pipa ke dalam saluran tubuh, kabel-kabel

penunjuk untuk pipa ke dalam saluran tubuh, dan implantasi.

Peralatan Surgical, microgripper dan stents

Stent - Sebuah perangkat yang digunakan untuk mengobati

penyakit koroner. Ini akan dimasukkan dalam bentuk yang

terdeformasi dan akan meluas mencapai suhu tubuh tertentu untuk

membuka arteri dan meningkatkan aliran darah.

Vena-Cava Filter - Sebuah perangkat yang digunakan untuk

perangkap pembekuan darah. Disisipkan sebagai sebuah silinder

kecil, beralih berbentuk filter untuk pembekuan darah dengan

perangkap kecil dan mencegah mereka dari berpencar ke bagian

tubuh mana yang mungkin memiliki efek yang merugikan.

Gigi dan Ortodonti Archwires - ini bekerja mirip dengan mata air.

Mereka menerapkan kekuatan terus menerus dan dengan lembut

mengoreksi gigi agar rata, yang bertentangan dengan pengetatan

periodik dan tidak nyaman sehingga dibutuhkan baja tahan karat.

Proses pemasangan gigi menggunakan shape memory alloys

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 11

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

228

MATERIAL SUHU TINGGI

Dalam banyak aplikasi, terutama dalam industri luar angkasa

(mesin misalnya jet dan roket) serta industri elektronik (misalnya

superheat bahan tahan untuk perlindungan termal, kendaraan dan

pelindung tubuh pribadi, sensor elektromagnetik), struktur atau

bagian dari struktur yang terkena suhu tinggi, biasanya

hingga 2000K atau bahkan 3500K di beberapa bagian mesin roket

diperlukan bahan khusus.

Bahan logam konvensional, seperti baja karbon atau stainless

baja: ASTM 321, ASTM 310, paduan nikel atau berbasis aluminium

tidak bisa menahan suhu tinggi sehingga diperlukan Material

khusus yang tahan suhu tinggi.

1. 1 Properti bahan untuk Aplikasi Suhu Tinggi

Metode pertama untuk meningkatkan ketahanan struktur logam

terhadap kondisi suhu ekstrim adalah dengan meliputi struktur

(substrat) dengan lapisan keramik (Thermal Barrier Coating - TBC)

yang dikenal tahan panas yang tinggi.

Misalnya, komposit logam-keramik:

Al-SiC rasio konduktivitas termal : λm / λc = 3,6, rasio ekspansi termal

: αm / αc = 5, sedangkan rasio modulus elastis: Em / Ec = 0,16

Pada Ni-Al2O3 : λm / λc = 2.95, αm / αc = 1.51 dan Em / Ec = 0,50

Oleh karena itu, pada antarmuka logam-keramik, diskontinuitas parah

dan sifat termomekanis terjadi, yang menyebabkan ketegangan tinggi

dan stress pada antarmuka.

kekurangan ini ditutup dengan konsep dari Fungsional Graded Material

- FGM, dikembangkan di Jepang pada tahun 1980 (Yamanouchi et

[241] al.), memberikan komponen struktural gradien spasial pada sifat

termomekanis. Gradien spasial dicapai dengan penggunaan komposit

dua komponen.

Dengan cara ini, pelapisan ceramik pada logam, hambatan panas pada

logam dan keramik dipisahkan secara berjenjang pada ketebalan kurang

lebih 100 mikron. Teknologi pengolahan untuk TBCs dan FGMs

menyebabkan tegangan sisa, yang terbentuk selama pendinginan

dari suhu fabrikasi tinggi. Tegangan sisa ini mungkin signifikan

relatif terhadap tekanan termomekanis diterapkan kemudian.

Sebuah artikel review umum pada penerapan beberapa bahan keramik

untuk TBCs diberikan oleh Lee et al. [144]. Karena sifat termomekanis:

elastis modulus E, termal koefisien ekspansi α dan konduktivitas termal

λ dirangkum untuk keramik sering digunakan untuk TBCs pada Tabel

berikut:

Zirconia ZrO2 sebagian distabilkan oleh Y2O3, diendapkan sebagai

lapisan keramik di bahan substrat dengan berbagai teknik, seperti

Air Plasma Semprot (APS) atau EBPVD, adalah lapisan keramik

yang umum digunakan untuk bahan dengan konduktivitas termal λ

rendah dan koefisien ekspansi termal α yang relatif tinggi.

Sebaliknya, keramik alumina Al2O3 dianggap sebagai bahan yang

baik untuk isolasi transportasi oksigen, tapi sifat termal insulasi

mereka tidak sebagus zirconia.

Itulah sebabnya sistem lapisan multifungsi yang lebih kompleks

digunakan, dengan menggunakan dua lapisan keramik pada bahan

logam substrat untuk mengurangi dampak termomekanis tajam

ketidakcocokan properti di keramik A-keramik B-logam antarmuka M

Loncatan besar dalam sifat termomekanis bahan yang digunakan untuk

perlindungan termal substrat logam diamati. Hal ini diperoleh dari

berbagai komposisi kimia dan teknik manufaktur yang berbeda yang

digunakan untuk produksi. Juga teknik pengukuran dan kondisi

pengujian memegang peranan penting. Di antaranya suhu tes sangat

mempengaruhi data material.

Sebuah sistem TBC khas terdiri dari lapisan keramik (misalnya zirkonia

atau mulit) diendapkan selama obligasi FGM mantel lapisan (misalnya

intermetalik) pada substratbahan (misalnya steel- atau superalloy nikel-

based). Yang paling penting sifat mekanik dan termal dari bahan

penyusunnya, seperti: elastis modulus, koefisien konduktivitas termal,

koefisien ekspansi termal dan panas spesifik yang sangat tergantung

suhu konstanta: E (T), λ (T), α (T) dan c (T).

1.2 Sifat mekanis dan termal Bahan Suhu Tinggi

LOGO

Teknik Material Mutakhir(Advance Material)

Pertemuan 11

AGUS SALIM AFROZI, ST, MT

248

MATERIAL SUPER KONDUKTOR

Zat padat atau material padat yang ada disekitar kita memiliki sifat

dan karaketristik yang berbeda-beda. Salah satunya adalah sifat

yang berhubungan dengan daya hantar (konduktivitas) kelistrikan.

Berdasarkan daya hantar kelistrikannya, zat padat dibedakan

menjadi konduktor, isolator, dan semikonduktor, dan yang paling

baru adalah superkonduktor.

Bahan konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan

arus listrik dengan baik. Bahan konduktor konvensional memiliki

nilai resistansi atau hambatan listrik sehingga menyebabakan

disipasi sebagian energy listrik yang di ubah menjadi panas.

1. PENDAHULUAN

Terdapat jenis bahan yang memiliki hambatan nol, sehingga daya

hantarnya menjadi sangat baik dan dapat membuat hantaran energy

listrik lebih efisien, yang dikenal sebagai bahan superkonduktor.

Pada bahan superkonduktor, hambatan listrik benar-benar bernilai nol.

Artinya listrik dapat mengalir tanpa hambatan pada bahan

superkonduktor ini. Apabila pada rangkaian tertutup dari

superkonduktor dialirkan arus listrik, maka arus tersebut akan terus

mengalir mengintari rangkaian tanpa batas waktu bahkan setelah

sumber listrik dilepaskan dari rangkaian. Hal ini terjadi karena tidak ada

kehilangan energi selama arus mengalir karena hambatannya benar-

benar nol.

Sifat superkonduktivitas bahan ditemukan pertama kali oleh Heike

Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Pada saat itu, dia sedang

mencoba mengamati hambat jenis (resistivity) logam merkuri (Hg)

ketika didinginkan sampai suhu helium cair. Ternyata dia mendapatkan

hambat jenis merkuri tiba-tiba turun drastis menjadi nol pada suhu 4,2

K. Fenomena konduktivitas sempurna inilah yang disebut

superkonduktivitas,. Suhu ketika suatu bahan superkonduktor mulai

mempunyai sifat superkonduktif disebut suhu kritis (Tc).

Bahan semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam teknologi era

modern. Sifat superkonduktivitasnya dapat membuat transmisi elektronik

menjadi lebih efisien dan lebih cepat. Namun saat ini penggunaam

superkonduktor belum praktis, dikarenakan untuk mendapatkan bahan

superkonduktor diperlukan proses pendinginan yang perlu biaya cukup

besar, sebab suhu kritis bahan superkonduktor yang ada sekarang

masih jauh di bawah suhu kamar.

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki

hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah.

Superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa

adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan

Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor

bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu

bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya.

Pengertian Bahan Superkonduktor

Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan

superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran

electron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang

dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons

akan memecahkan Cooper Pairs dan bahan kembali ke keadaan

normal.

Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga

bahan superkonduktor memiliki medan magnet.

Suhu dan Medan Magnet Kritis

Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas.

Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat

percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala

arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan

adanya hambatan listrik pada logam konduktor.

Sifat dan Karakteristik Bahan Superkonduktor

Sifat Kelistrikan

Pada superkonduktor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair)

dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal

sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai

satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron

harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan

dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh

karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga

tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut diamagnetisme

sempurna.

Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak

akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena

superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan

arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat

diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal

kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis,

medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner.

Sifat Kemagnetan

Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor

atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat

melayang di bawah magnet. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena

melayngnya magnet atau gejala “levitasi” yang terjadi pada bahan

superkonduktor.

Gejala levitasi ini dimanfaatkan dalam pembuatan kereta supercepat

MAGLEV.

Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan

Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori

BCS.

Teori BCS menjelaskan bahwa :

Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar

terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.

Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya

energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini

terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya.

Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua

elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.

Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah,

medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat

kecil dan dinamakan London Penetration Depth, yang merupakan

konsekuensi dari Teori BCS.

Sifat Kuantum Superkonduktor

Bahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh

Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata

beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor

dengan harga Tc yang berbeda..

Hal yang unik adalah logam emas, tembaga dan perak yang

merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.

Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan

suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor

No Bahan Suhu Kritis (Tc)

K

Tahun Ditemukan

1 Raksa Hg 4,2 1911

2 Timbal Pb 7,2 1913

3 Niobium nitrida 16,0 1960-an

4 Niobium-3-timah 8,1 1960-an

5 Al0,8Ge0,2Nb3 20,7 1960-an

6 Niobium germanium 23,2 1973

7 Lanthanum barium Tembaga oksida 28 1985

8 Yttrium barium tembaga

oksida (1-2-3 atau YBCO)

93 1987

9 Thalium barium kalsium

Tembaga oksida

125 -

10 Karbon ( C ) 15 -

11 HgBa2Ca2Cu3O8 164 1995

Superkonduktor Tipe I

Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer)

dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut

pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik

yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya

pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata

dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti

ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek

Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya

tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor.

Tipe-tipe Superkonduktor

Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan

menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus – menerus

menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet

kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan

normal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur

tunggal.

Superkonduktor Tipe II

Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS

karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS,

efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan

teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan

teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam

parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan

bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan

bagaimana medan magnet dapat melakukan penetrasi bahan sepanjang

terowongan dalam pusaran-pusaran ini.

Lebih lanjut dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring

meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih

digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet.

Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan.

Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap.

Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula.

Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari

superkonduktor tipe I.

Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur

molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V),

germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan

senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

Dalam beberapa tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan

berbagai macam bahan yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-

bahan tersebut antara lain:

a. Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike

Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan

mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.

b. Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri

terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa

niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superkonduktor pada suhu 18,3

Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan

magnet besar.

Perkembangan Penemuan bahan Semikonduktor

c. Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor

temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.

d. Heavy Fermion (1979): Superkonduktor Heavy Fermion seperti

uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif

memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional

tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.

e. Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi

yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan

nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.

f. Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang

menjadi superkonduktor ketika didoping dengan atom logam alkali

seperti kalium, rubidium dan cesium.

g. HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini

memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada

tekanan tinggi bahan ini menjadi superkonduktor pada suhu 164

Kelvin.

h. Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi

dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari

superkonduktor konvensional.

i. Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu

senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor

suhu tinggi.

untuk menghasilkan keadaan atau kondisi superkonduktor membutuhkan syarat yaitu

suhu kritis (Tc), suhu kritis ini bervariasi dari tiap material, suhu kritis ini biasanya

antara 0K sampai 130K, di bawah suhu kritis akan menghasilkan hambatan bernilai 0

dan bersifat diamagnetik. Dari penelitian, logam murni seperti emas atau tembaga

yang di suhu ruang merupakan konduktor yang sangat baik, justru mempunyai suhu

kritis yang ekstrim, di bawah 4K untuk menjadi superkonduktor. Adalah keramik yang

mempunyai titik kritis cukup tinggi, di atas titik didih nitrogen cair, sehingga lebih

mudah untuk diaplikasikan. Padahal keramik adalah isolator yang baik pada suhu

ruang.

KELEMAHAN BAHAN SUPERKONDUKTOR

Tabel 1. Material superkonduktor dan suhu kritisnya (Tc)

1. YBCO (YBa2Cu3O7 = Yttrium Barium Tembaga Oksida)

Superkonduktor Tipe II

Superkonduktor suhu tinggi

Suhu Kritis (Tc) : 90 Kelvin

Struktur Kristal : Perovskits

Gambar 3. Strukutur Perovskits dari YBCO

YBCO jenis ini biasa disebut komponen 1-2-3, angka cacah 1,2, dan 3 dilihat dari kuantitas unsur Y, Ba, dan Cu pada senyawa YBa2Cu3O7.

Dengan struktur perovskits (ABX3), kelipatan tiga dari unit sel perovskits menghasilkan 9 atom oksigen, sementara YBa2Cu3O7 memiliki 7

Pengembangan Superkonduktor Suhu Tinggi

YBCO (YBa2Cu3O7 = Yttrium Barium Tembaga Oksida)

Superkonduktor Tipe II

Superkonduktor suhu tinggi

Suhu Kritis (Tc) : 90 Kelvin

Struktur Kristal : Perovskits

Pengembangan Superkonduktor Suhu Tinggi

Strukutur Perovskits dari YBCO

YBCO jenis ini biasa disebut komponen 1-2-3, angka cacah 1,2, dan 3 dilihat

dari kuantitas unsur Y, Ba, dan Cu pada senyawa YBa2Cu3O7. Dengan struktur

perovskits (ABX3), kelipatan tiga dari unit sel perovskits menghasilkan 9 atom

oksigen, sementara YBa2Cu3O7 memiliki 7 atom oksigen, sehingga disebut

struktur perovskits yang kekurangan oksigen. Elemen kunci dari senyawa ini

adalah kehadiran bidang yang mengandung atom-atom Cu dan O yang

saling terikat. Ikatan kimia Cu-O membuat material ini menjadi konduktor

listrik yang sangat baik.

Akan tetapi, YBCO ini sangat sensitif dengan oksigen, oksigen

dapat keluar dan masuk dengan cukup mudah, apabila oksigen berkurang

sedikit saja maka titik kristisnya akan menurun. Dengan mempunyai titik

kritis yaitu di atas suhu nitrogen cair ( > 77K), maka material ini lebih

mudah untuk diaplikasikan. Akan tetapi apabila pada senyawa ini

kandungan oksigen (O) pada senyawa lebih dari 7 atau kurang dari 6.3, sifat

superkonduktor tidak akan ditemui.

Titik kritis maksimum material ini, yaitu 95K , ketika x ~ 0.07 ,

serta mencapai tahanan medan magnet terbesar, yaitu 120 Tesla untuk

medan magnet eksternal yang tegak lurus dengan bidang CuO2, serta 250

Tesla untuk medan magnet eksternal yang sejajar dengan bidang CuO2.

1. Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)

Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi

transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat

ini diberi nama “The Yamanashi MLX01 MagLev Train”, dimana

kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan

melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan

akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph

(550 km/jam).

Pemanfaatan Superkonduktor

Hambatan

Ø Menggunakan rare earth, yaitu Yttria (Y2O3) yang harganya sekitar Rp 1.5 juta per

gram.

Ø Proses manufaktur yang harus terkontrol ketat untuk menemukan kondisi kandungan

yang ideal dari oksigen pada senyawa YBCO 1-2-3 ini.

2. Generator listrik super-efisien

Suatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp, diminta

untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama

Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-

SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3

MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila

terjadi gangguan listrik.

3. Kabel Listrik Super efisien

Untuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan superkonduktor

dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut

perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, karena

250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel

tembaga.

3.Supercomputer

Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu

superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis.

4. Magnetic resonance imaging (MRI).

Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan medis

untuk memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari

devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada gambar berikut.