- Siregar Net

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

BAB IPENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang materialmenunjukkan inovasi yang luar biasa terutama untui material maju (advancedmaterials) seperti komposit keramik. Suatu jenis bahan baru hasilrekayasayangterdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satusama lainnya baik itu sifatkimia maupunfisikanyadan tetap terpisah dalam hasilakhir bahan tersebut atau yang lebih dikenal dengan nama bahan komposit.Memiliki banyak keunggulan diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yanglebih tinggi, tahan korosidan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung.Kekuatan tarik darikompositserat karbonlebih tinggi daripada semua paduan logam. Salah satu jeniskomposit yang banyak menarik perhatian adalah komposit matriks keramik (Composit Matrik Ceramics /CMC ) karena sifatnya yang tahan pada temperaturetinggi. Komposit matrik keramik merupakan komposit yang menggunakankeramik sebagai matrik atau resinnya. Inovasi komposit keramik meng Uatdisebabkan oleh munculnya tantangan-tantangan dalam penggunaan materialkeramik, seperti diketahui bahwa keramik mempunyai keunggulan tahan aus,tahan suhu tinggi serta berat jenis yang lebih rendah disbanding dengan materiallain seperti logam dan polimer. Sedangkan kelemahannya adalah antara lainrendahnya tahan kejut termal dan rapuh Komposit matrik keramik ini dapatdiaplikasikan pada berbagai komponen mesin salah satunya seperti gas turbin.

Pengembangan turbin gas hingga bisa dibuat seperti sekarang ini, yaitusampai bisa ekonomis untuk dipakai sebagai mesin penggerak pesawat terbang danuntuk instalasi darat yang dapat dipakai untuk membangkitkan tenaga listrik, sudahmenghabiskan waktu yang cukup lama.

Sejak abad yang lalu sudah dimulai usaha

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

untuk mengembangkan turbin gas, tetapi kurang berhasil dan perkembanganselanjutnya pun dapat dikatakan agak lambat bila dibandingkan dengan tenaga uapyang mencapai kemajuan pesat dengan makin tingginya tekanan dan temperatur uap.Konstruksi dan cara kerja turbin gas sangat mudah bila hanya dilihat dari kertasgambar desain, tetapi kenyataannya bila diwujudkan menjadi sangat sukar karena pemakaian bahan bakar turbin harus dibuat hemat.Temperatur gas untuk turbin yang dipakai diindustri adalah 950

C, dan di pesawat terbang bisa mencapa 12000

C. Karena itu turbin gas sudah mempunyai artiyang sangat besar, karena untuk penggerak pesawat terbang dengan daya yang besar harus memakai turbin gas dan sudah tidak ada alternatif pembangkit daya yang lain,sebab ukuran luar dan berat turbin gas tidak bisa disaingi oleh mesin-mesin yang lain.Karena turbin gas ini sangat efisien dalam menghasilkan daya, dengan berat danukuran turbin gas yang tidak terlalu besar, maka turbin gas ini menjadi salah satusumber energi yang efisien yang biasanya dipakai di pesawat terbang atau pembangkit tenaga listrik. Tetapi masalahnya adalah, gas yang berada di dalam turbingas mempunyai suhu yang sangat tinggi dan tekanan yang sangat tinggi pula,sehingga tidak sembarang material bisa digunakan untuk membuat turbin ini. Salahsatu material yang berpotensi adalah komposit matriks keramik, keramik dipilihsebagai matriks karena ketahanan terhadap tekanan tinggi dan titik leleh yang jugacukup tinggi, dan jika dibuat menjadi komposit maka akan bisa dikombinasikan sifatkeras tersebut dengan bahan lain sebagai filler, sehingga bisa dibuat material yangkuat, keras, tahan panas dan tekanan, serta tidak mudah patah.

Oleh karena itu, akan pada makalah ini akan dibahas tentang komposit matrik keramik untuk industrigas turbin.

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

KOMPOSIT

2.1Definisi Komposit

Komposit adalah perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkankombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkanmaterial baru dengan sifat yang unik dibandingkan dengan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan antar permukaan antara masing-masingmaterial penyusun. Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya makakomposit antar material harus berikatan dengan kuat sehingga perlu adanya penambahan

wetting agent.

Beberapa definisi komposit ini dari beberapa tahap seperti yang telahdigariskan oleh Schwartz :

•

Tingkat dasar

: pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yangdisusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa, paduan, polymer dan keramik).

•

Mikrostruktur

: pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusundari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduanFe dan C)

•

Makrostruktur

: material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secaramakro ini yang biasa dipakai. Secara umum material komposit

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

didefinisikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matriks.Serat berfungsi memperkuat matriks. Matriks berfungsi melindungi seratdari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact)Kroschwitz dan rekan telah menyatakan bahwa komposit adalah bahanyang terbentuk apabila dua atau lebih komponen yang berlainan digabungkan.Rosato dan Di Matitia pula menyatakan bahwa plastik dan bahan-bahan penguatyang biasanya dalam bentuk serat, dimana ada serat pendek, panjang, anyaman pabrik atau lainnya. Selain itu ada juga yang menyatakan bahwa bahan kompositadalah kombinasi bahan tambah yang berbentuk serat, butiran atau cuhisker seperti pengisi serbuk logam, serat kaca,karbon, aramid (kevlar), keramik, danserat logam dalam julat panjang yang berbedabeda didalam matriks.Definisi yang lebih bermakna yaitu menurut Agarwal dan Broutman, yaitumenyartakan bahwa bahan komposit mempunyai ciri-ciri yang berbeda untuk dankomposisi untuk menghasilkan suatu bahan yang mempunyai sifat dan ciritertentu yang berbeda dari sifat dan ciri konstituen asalnya. Disamping itukonstituen asal masih kekal dan dihubungkan melalui suatu antara muka.Konstituen-konstituen ini dapat dikenal pasti secara fisikal. Dengan kata lain, bahan komposit adalah bahan yang heterogen yang terdiri dari darifasa tersebar dan fasa yang berterusan. Fasa tersebar selalunya terdiri dari serat atau bahan pengukuh, manakala yang berterusannya terdiri dari matriks.

2.2Penyusun Komposit

Komposite tersusun oleh matriks dan filler. Filler adalah bahan pengisiyang digunakan dalam pembuatan komposit, biasanya berupa serat atau serbuk.serat yang sering digunakan dalam pembuatan komposit antara lain serat E-Glass,Boron, Carbon dan lain sebagainya. Bisa juga dari serat alam antara lain seratkenaf, jute, rami, cantula dan lain sebagainya. Menurut

Gibson R.F, (1994)

mengatakan bahwa matrik dalam struktur komposit bisa berasal dari bahan polimer, logam, maupun keramik. Matrik secara umum berfungsi untuk mengikatserat menjadi satu struktur komposit. Matrik memiliki fungsi sebagi berikut :a.Mengikat serat menjadi satu kesatuan struktur.

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

b.Melindungi serat dari kerusakan akibat kondisi lingkungan.c.Mentransfer dan mendistribusikan beban ke serat.d.Menyumbangkan beberapa sifat seperti, kekakuan, ketangguhan dantahanan listrik.Ada dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan istilah penyebutannya. Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Penguat(penahan beban utama), Intherphase (pelekat antar dua penyusun), Interface(permukaan phase yang berbatasan dengan phase lain).Gambar 1. Penyusun Komposit

2.3Karakteristik Komposit

Sifat maupun karakteristik komposit ditentukan oleh:

•

Material yang menjadi penyusun kompositKarakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture sehingga akan berbanding secara proporsional

•

Bentuk dan penyusunan struktural

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions!

Start Free Trial

Cancel Anytime.

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

Bentuk dan cara penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit

•

Interaksi antar penyusunBila terjadi interaksi antar penyusun maka akan meningkatkan sifatdari kompositSifat bahan komposit tidak hanya ditentukan oleh komposisi bahan pembangunnya, melainkan juga geometri (ukuran partikel, distribusi danorientasi) dan konsentrasi bahan pembangunnya.

2.4Klasifikasi Komposit

Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tigakelompok besar yaitu:a. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik b. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik Bahan komposit dapat dikelompokkan kedalam empat bagian utama yaitu:1. Matriks merupakan penyusun dasar komposit yang memiliki jumlah besar.Matriks dapat berupa logam, keramik atau polimer.2. Bahan penguat (Reinforcement) merupakan penyusun komposit yangmemperkuat dan meningkatkan sifat-sifat mekanik matriks.3. Bahan pengisi (filter) merupakan bahan untuk meningkatkan sifat dan jumlah bahan komposit sehingga mengurangi biaya produksi.4. Bahan penambah (Additive) merupakan bahan untuk meningkatkan rekatanantar matriks dan penguat.

2.5 Keunggulan Komposit

Bahan komposit memiliki banyak keunggulan. Diantaranya berat yanglebih ringan, kekuatan dan kekuatan yang lebih tinggi, tahankorosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung.Kekuatan tarik dari komposit serat karbonlebih tinggidaripada semua paduan logam (William, 2003).

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

KERAMIK

2.6Pengertian Keramik

Pengetahuan dan seni menggunakan dan membuat benda padat dari bahananorganik non metalik dikenal sebagai keramik. Kata keramik berasal dari kataYunani keramos yang artinya seni dan pengetahuan membuat dan menggunakan bahan padat yang dibentuk dengan aksi panas dari bahan baku tanah (earthy rawmaterials). Dari pengertian keramik diatas, yang termasuk didalamnya tidak hanya bahan-bahan seperti gerabah, porselen, semen dan gelas, akan tetapi termasuk juga magnet non metal, feroelektrik, bahan kristal tunggal, superkonduktor dan bahan lain yang akan ditemukan pada saat mendatang. Karena variasi jenis bahankeramik banyak, maka dapat dibuat produk-produk keramik yang banyak pulavariasinya. Dari ukuran mikroskopik whisker, magnet yang tipis, substrat chipshingga ukuran dalam orde ton seperti blok-blok bahan tahan panas (refractory)tungku, demikian juga bahan transparan yang tidak berporositas seperti kristalgelas.Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk :

•

kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah

•

Tahan korosi. Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor,konduktor bahkan superkonduktor.

•

Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik.

•

Tahan kejut termal, keras dan kuat, namun rapuh.

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik , yakni ikatan ionik dankovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan.Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin danamorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturanjarak dekatmaupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun jarak jauh keteraturannya tidak ada. Beberapa keramik dapat berada dalam kedua bentuk tersebut, misalnya SiO

.Jenis ikatan yang dominan (ion dan kovalen) dan struktur internal(kristalin atau amorf) mempengaruhi bahan-bahan keramik. Umumnya senyawakeramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia dibandingkan elemennya.Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball clay, kuarsa, kaolin,dan air.Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia, danmineral. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung lingkunan geologi dimana bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron bebas. Kurangnya beberapa elektron bebas kermaik membuat sebagian besar bahan keramik secara kelistrikanbukan merupakan konduktor dan juga mejadikonduktor panas yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh,keras, dan kaku. Keramik secara umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik dibanding dengan kekuatan tariknya.

2.7Klasifikasi Keramik

Dari pandangan sejarah perkembangannya, keramik dapat dikelompokkanmenjadi dua kelompok besar, yaitu keramik tradisional dan keramik baru.



Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan mengguanakan bahan alam, seperti kuarsa, kaolin, dll. Keramik ini merupakan hasil produk silikat, produk lempung (

clay),

semen, dan gelas silikat. Ynagtermasuk keramin ini adalah : barang pecah belah

(dinnerware),

keperluanrumah tangga

(tile, bricks),

dan untuk industri

(refactroy).



Keramik Baru

Fine Ceramics

(keramik modern atau bisa disebut keramik teknik,

advanced ceramic, engineering ceramic

) adalah keramik yang dibuat

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti : oksidalogam (Al

, ZrO

, MgO, dll). Pengguananya : semikonduktor,elemen pemanas, komponen turbin, dan pada bidang medis. Keramik modernmempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadaptemperatur tinggi, sifat mekanis yang lebih baik, sifat listrik yang spesifik,tahan terhadap bahan kimiawi, menjadikan keramik menjadi berkembang.

GAS TURBIN

2.8Turbin Gas

Ada beberapa jenis turbin gas, yang pertama adalah

steam turbine

.Hampir kebanyakan pembangkit atau

power plant

menggunakan batubara, gasalam, minyak atau reaktor nuklir untuk memproduksi uap /

steam.

Uap tersebutakan dialirkan melalui turbin bertingkat dengan ukuran yang sangat besar dandengan desain yang rumit, untuk memutar poros output turbin dimana poros inilahyang biasa digunakan untuk memutar generator pembangkit.Kedua adalah

turbin air

, digunakan PLTA dengan menggunakan prinsipyang hampir sama dengan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Turbin air secara desain atau bentuk berbeda dengan apa yang terlihat pada turbin uap,dikarenakan fluida kerja yang berupa air ini memiliki densitas yang lebih besar ( bergerak lebih lambat ) dibandingkan uap, namun secara prinsip kerja adalahsama. Kemudian

turbinangin

, menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya.Turbin angin ini sama sekali berbeda dengan kedua turbin di atas karena anginyang digunakan angin alam yang bergerak sangat lambat, ringan , namun sekalilagi turbin angin juga menggunakan prinsip yang sama.Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesinturbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanansendiri dengan membakar bahan seperti propana,

natural gas, kerosene

atau bahan bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

udara, sehingga udara panas dengan kecepatan sangat tinggi ini mampumemutarkan turbin.Turbin gas ini dipilih sebagai mesin tank ataupun mesin pesawat terbang.Ada dua hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungandaripada turbin gas. Mesin turbin gas memiliki rasio

power-to-weight

yang besar dibandingkan dengan mesin diesel lainnya. Tentu ini sangat bermanfaat untuk meminimaliskan bobot daripada tank namun tetap memiliki tenaga yang besar. Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding denganmesin lainnya dengan daya yang sama. Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibandingmesin lainnya, kelemahan tersebut yaitu masih mahalnya biaya rakit dan materialkomponennya. Hal ini wajar mengingat bahwa turbin gas beroperasi padakecepatan dan pada temperatur yang sangat tinggi sehingga diperlukan perencanaan yang rumit sekaligus proses produksinya yang tidak mudah. Selainitu turbin gas juga cenderung lebih banyak menghabiskan bahan bakar saatmesin

diam/idle

karena memang lebih banyak beroperasi pada beban konstandaripada fluktuatif. Hal – hal yang telah dikemukakan tadi menjadi alasan kenapaturbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang dan juga pada pembangkit listrik.

2.9Proses Singkat pada Turbin gas

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit. Terdapat 3 komponen atau bagianutama yaitu :

1. Compressor

Menaikkan tekanan udara yang masuk

2. Combustion Area

Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangattinggi begitu pula dengan kecepatannya.

3. Turbin

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions!

Start Free Trial

Cancel Anytime.

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasildari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbi

Gambar 1. Komponen utama turbin gasCOMPRESSOR

Pada Mesin Turbin seperti dibawah, udara dengan tekanan normal masuk dengan cara dihisap oleh

compressor

yang biasanya berbentuk silinder kerucutdengan beberapa

fan blade

yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udaratersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbinkenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yangdigunakan yaitu

axial flow

dan

radial flow

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

MAKALAH KOMPOSIT JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAMInstitut Teknologi Sepuluh Nopember SurabayaKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA

Gambar 2. Radial flow compressor.Gambar 3. Axial flow compressorRADIAL FLOWAXIAL FLOWKEUNTUNGAN

· Efisien· Rasio kompresi tinggi(20:1)· Simple dan tidak mahal· Relatif ringan bobotnya.

JURUSAN FISIKA FMIPA - ITS

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions!

Start Free Trial

Cancel Anytime.

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions!

Start Free Trial

Cancel Anytime.

Reward Your Curiosity

Everything you want to read.

Anytime. Anywhere. Any device.

Read For Free

Cancel Anytime