reinforcement-matrix interface beban yang diterima oleh matriks akan dipindahkan kepada bahan...

Reinforcement-Matrix InterfaceReinforcement-Matrix Interface Beban yang diterima oleh matriks akan Beban yang diterima oleh matriks akan

dipindahkan kepada bahan tetulang melalui dipindahkan kepada bahan tetulang melalui antaramuka/antarafasaantaramuka/antarafasa

Oleh itu antaramuka di antara bahan tetulang dan Oleh itu antaramuka di antara bahan tetulang dan matriks mestilah baikmatriks mestilah baik

Antaramuka yang baik-menghasilkan kekakuan Antaramuka yang baik-menghasilkan kekakuan dan kekuatan yang baik tapi keliatan yang rendahdan kekuatan yang baik tapi keliatan yang rendah

Antaramuka yang lemah-menghasilkan kekakuan Antaramuka yang lemah-menghasilkan kekakuan dan kekuatan yang rendah tapi keliatan yang dan kekuatan yang rendah tapi keliatan yang tinggitinggi

Kebolehbasahan/WettabilityKebolehbasahan/Wettability Didefinasikan sebagai keupayaan cecair Didefinasikan sebagai keupayaan cecair

untuk membasahi permukaan pepejaluntuk membasahi permukaan pepejal

Ini kerana semasa pemprosesan, matriks Ini kerana semasa pemprosesan, matriks seharusnya berada dlm keadaan cecair dan seharusnya berada dlm keadaan cecair dan matriks harus berupaya membasahi matriks harus berupaya membasahi permukaan tetulang (pepejal)permukaan tetulang (pepejal)

Drops of water on a hydrophobic surface

Kebolehbasahan/WettabilityKebolehbasahan/Wettability

Kebolehbasahan (Kebolehbasahan (WettabilityWettability))

Pembasahan akan berlaku apabila kelikatan Pembasahan akan berlaku apabila kelikatan matriks tidak terlalu tinggi matriks tidak terlalu tinggi

- Kaitan antara pembasahan dengan tenaga - Kaitan antara pembasahan dengan tenaga permukaan, pertimbangkan filem cecair yang permukaan, pertimbangkan filem cecair yang nipis pada permukaan pepejalnipis pada permukaan pepejal

Figure Figure

Kebolehbasahan (Kebolehbasahan (WettabilityWettability))

Setiap permukaan ada tenaga, dan tenaga Setiap permukaan ada tenaga, dan tenaga bebas pada setiap permukaan ialah γSG, bebas pada setiap permukaan ialah γSG, γLG dan γSLγLG dan γSL

γSG = γLG cos θ + γSLγSG = γLG cos θ + γSL θ adalah sudut sentuhan dan boleh θ adalah sudut sentuhan dan boleh

digunakan untuk mengukur darjah digunakan untuk mengukur darjah kebolehbasahan kebolehbasahan

Kebolehbasahan (Kebolehbasahan (WettabilityWettability))

cos θ = (γSG – γSL)/ γLGcos θ = (γSG – γSL)/ γLG

- jika θ = 180º, drop berbentuk sfera, tiada - jika θ = 180º, drop berbentuk sfera, tiada pembasahan berlakupembasahan berlaku

θ = 0, pembasahan sempurna berlaku.θ = 0, pembasahan sempurna berlaku. - 0º<θ<180º, darjah kebolehbasahan meningkat - 0º<θ<180º, darjah kebolehbasahan meningkat

dengan berkurangnya θ.dengan berkurangnya θ. Kebiasaannya cecair tidak akan membasahi Kebiasaannya cecair tidak akan membasahi

pepejal sekiranya θ>90º pepejal sekiranya θ>90º

These three quantities determine whether the liquid These three quantities determine whether the liquid spreads over the solid, or not; whether it "wets" it.spreads over the solid, or not; whether it "wets" it.

This is judged by the contact angle, .This is judged by the contact angle, .

Drops of water on a textile surfacebefore and after addition of wetting agent

Soalan 2002/2003Soalan 2002/2003 Kenalpasti dengan menggunakan kaedah Kenalpasti dengan menggunakan kaedah

pengiraan untuk menentukan samada gentian pengiraan untuk menentukan samada gentian alumina boleh digunakan sebagai bahan alumina boleh digunakan sebagai bahan tetulang dalam resin epoksi dan polietilena. Di tetulang dalam resin epoksi dan polietilena. Di dapati tenaga antara muka bagi resin epoksi dapati tenaga antara muka bagi resin epoksi ialah 40 mJ/m2 dan polietilena ialah 30 mJ/m2, ialah 40 mJ/m2 dan polietilena ialah 30 mJ/m2, sementara bagi gentian alumina ialah 1100 sementara bagi gentian alumina ialah 1100 mJ/m2. Andaikan tenaga permukaan bagi mJ/m2. Andaikan tenaga permukaan bagi alumina dengan epoksi ialah 1071.7 mJ/m2 alumina dengan epoksi ialah 1071.7 mJ/m2 manakala bagi alumina dengan polietilena ialah manakala bagi alumina dengan polietilena ialah 1105.21 mJ/m21105.21 mJ/m2

2 Mode Kegagalan pada Antarafasa2 Mode Kegagalan pada Antarafasa

Sukar untuk mengukur kekuatan antarafasa Sukar untuk mengukur kekuatan antarafasa kerana terdapat kemungkinan kegagalan kerana terdapat kemungkinan kegagalan berlaku pada antarafasa atau tidakberlaku pada antarafasa atau tidak

1) Kegagalan adhesif- kegagalan yg berlaku 1) Kegagalan adhesif- kegagalan yg berlaku pada antarafasapada antarafasa

2) Kegagalan Kohesif- kegagalan berlaku 2) Kegagalan Kohesif- kegagalan berlaku pada gentian atau matrikspada gentian atau matriks

Ikatan pada AntarafasaIkatan pada Antarafasa Beban yg dikenakan pada bahan komposit Beban yg dikenakan pada bahan komposit

akan dipindahkan drp matriks kepada bahan akan dipindahkan drp matriks kepada bahan tetulang melalui antarafasa yg sempurnatetulang melalui antarafasa yg sempurna

Antarafasa yg sempurna diperlukan dlm PMC Antarafasa yg sempurna diperlukan dlm PMC dan MMC – bagi memperolehi kebaikan dan MMC – bagi memperolehi kebaikan kekakuan dan ‘load –bearing capacity’ yg ada kekakuan dan ‘load –bearing capacity’ yg ada pada bahan tetulangpada bahan tetulang

Dlm CMC, antarafasa yg lemah diperlukan- Dlm CMC, antarafasa yg lemah diperlukan- utk meningkatkan keliatanutk meningkatkan keliatan

Dlm PMC, permukaan gentian dirawat Dlm PMC, permukaan gentian dirawat utk meningkatkan pelekatanutk meningkatkan pelekatan

Sbg cth., gentian kaca dirawat dengan Sbg cth., gentian kaca dirawat dengan gelatin, starch gum, hydrogented gelatin, starch gum, hydrogented vegetable oil, dll utk melindungi gentian vegetable oil, dll utk melindungi gentian drp persekitaran & memudahkan drp persekitaran & memudahkan pengendalian. Kaedah ini dipanggil pengendalian. Kaedah ini dipanggil ‘sizing’‘sizing’

Agen pengkupel juga diperkenalkan utk Agen pengkupel juga diperkenalkan utk meningkatkan ikatan pada antarafasameningkatkan ikatan pada antarafasa

Factors leading to good polymer-Factors leading to good polymer-filler bondingfiller bonding

Jenis-jenis ikatan pada antafasaJenis-jenis ikatan pada antafasa

1)1) Ikatan mekanikalIkatan mekanikal

2)2) Ikatan elektrostatikIkatan elektrostatik

3)3) Ikatan kimiaIkatan kimia

4)4) Ikatan tindakbalas (reaction)Ikatan tindakbalas (reaction)

Ikatan mekanikalIkatan mekanikal- Penguncian mekanikal (Mechanical interlocking) antara 2 permukaan seperti dalam gambarajah di bawah menghasilkan jenis ikatan ini.-Permukaan yang tidak licin (rough) akan meningkatkan ikatan mekanikal ini

Ikatan mekanikal ini lebih efektif sekiranya Ikatan mekanikal ini lebih efektif sekiranya daya dikenakan selari dengan antarafasa daya dikenakan selari dengan antarafasa (daya ricih)(daya ricih)

Sekiranya daya tegangan dikenakan, Sekiranya daya tegangan dikenakan, kekuatannya adalah rendah melainkan kekuatannya adalah rendah melainkan wujud bentuk “A” yang banyak pada wujud bentuk “A” yang banyak pada antarafasa tersebut antarafasa tersebut

Kebiasannya ikatan mekanikal akan wujud Kebiasannya ikatan mekanikal akan wujud barsama-sama dengan ikatan-ikatan lain barsama-sama dengan ikatan-ikatan lain pada antarafasa.pada antarafasa.

Ikatan ElektrostatikIkatan Elektrostatik

-Ikatan yang terbentuk apabila satu permukaan bercaspositif dan satu permukaan lagi bercas negatif (rujuk Rajah di atas)-Ikatan ini terbentuk dalam julat yang pendek di manaIanya efektif dalam jarak yang dekat sahaja- Gas-gas yang terperangkap dan pencemaran permukaan (surface contamination) akan mengurangkan keberkesanan ikatan ini

Ikatan KimiaIkatan Kimia

Merupakan ikatan yang terbentuk di antara Merupakan ikatan yang terbentuk di antara kumpulan2 kimia pada permukaan bahan kumpulan2 kimia pada permukaan bahan tetulang (X) dan kumpulan2 tetulang (X) dan kumpulan2 compatible compatible pada permukaan matriks (R)pada permukaan matriks (R)

Kekuatan ikatan kimia ini bergantung Kekuatan ikatan kimia ini bergantung kepada bilangan ikatan per unit luas kepada bilangan ikatan per unit luas

Ikatan kimia kebiasaannya terbentuk Ikatan kimia kebiasaannya terbentuk disebabkan penggunaan agen pengkupel. disebabkan penggunaan agen pengkupel. Sebagai contoh, silane digunakan utk Sebagai contoh, silane digunakan utk meningkatkan ikatan di antara kumpulan meningkatkan ikatan di antara kumpulan oksida (pada permukaan kaca) dengan oksida (pada permukaan kaca) dengan molekul dalam matriks polimer.molekul dalam matriks polimer.

Contoh ikatan kimia yang terbentuk apabila Contoh ikatan kimia yang terbentuk apabila menggunakan agen pengkupel silanemenggunakan agen pengkupel silane

Coupling AgentsCoupling Agents

To improve interaction between filler and To improve interaction between filler and polymer, by modifying filler surfacespolymer, by modifying filler surfaces

Used in low concentration (e.g. 0.1%), Used in low concentration (e.g. 0.1%), silane coupling agent- give rise to significant silane coupling agent- give rise to significant improvements in mechanical propertiesimprovements in mechanical properties

Silver (Ag) filled epoxy composites; Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling with the addition of silane coupling

agent (3APTES)agent (3APTES)

Flexural Properties of Treated and Untreated Ag/Epoxy CompositesFlexural Properties of Treated and Untreated Ag/Epoxy Composites

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

4 5Concentrantion of Ag Nanoparticles, V f (vol.%)

Flex

ural

Mod

ulus

, EB

(MPa

)

Untreated Ag Filled Epoxy Treated Ag Filled Epoxy

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

4 5Concentration of Ag Nanoparticles, V f (vol.%)

Flex

ural

Stre

ss,

Sf (

MPa

)

Untreated Ag Filled Epoxy Treated Ag Filled Epoxy

Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling agent (3APTES)of silane coupling agent (3APTES)

After surface treatment of Ag, the After surface treatment of Ag, the dispersivity of Ag nanoparticles in epoxy dispersivity of Ag nanoparticles in epoxy system is remarkably improved.system is remarkably improved.

(a). 5 vol.% of untreated system

(b). 5 vol.% of treated system

155× 155×

Light microscopy micrographs reveal the degree of dispersivity Ag in epoxy matrixbefore and after chemical treatment of Ag

Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling agent (3APTES)of silane coupling agent (3APTES)

Ikatan tindakbalasIkatan tindakbalas

Berlaku di mana atom atau molekul pada permukaan matriks dan bahan tetulang akan meresap (interdiffuse)

-Bagi antarafasa yang melibatkan polimer, molekul2yang mengalami intertwining/ entanglement akan Mempengaruhi ikatan ini

Contoh dalam sistem yang melibatkan logam dan Contoh dalam sistem yang melibatkan logam dan seramik, interdiffusion spesis2 akan menghasilkan seramik, interdiffusion spesis2 akan menghasilkan lapisan antaramuka (rujuk g/rajah)lapisan antaramuka (rujuk g/rajah)

Dalam MMC, lapisan antaramuka kebiasaannya Dalam MMC, lapisan antaramuka kebiasaannya adalah lebih rapuh, dikenali sebagai adalah lebih rapuh, dikenali sebagai intermetallic intermetallic compoundcompound

Lapisan antaramuka wujud dalam matriks seramik Lapisan antaramuka wujud dalam matriks seramik dan logam kerana pepmprosesan yang digunakan dan logam kerana pepmprosesan yang digunakan adalah pada suhu tinggi dan kadar resapan adalah adalah pada suhu tinggi dan kadar resapan adalah tinggi pada suhu tinggi (Arrhenius equation)tinggi pada suhu tinggi (Arrhenius equation)

Kaedah untuk mengukur kekuatan Kaedah untuk mengukur kekuatan ikatan antarafasaikatan antarafasa

Ujian Gentian tunggalUjian Gentian tunggal Ujian Tarikan Keluar Gentian (a)Ujian Tarikan Keluar Gentian (a) Prinsip mudah tetapi sukar dilakukan Prinsip mudah tetapi sukar dilakukan

terutama utk gentian halus dan rapuhterutama utk gentian halus dan rapuh Drp keputusan plot tegasan & terikan, Drp keputusan plot tegasan & terikan,

kekuatan antarafasa, tenaga debonding kekuatan antarafasa, tenaga debonding dan tenaga pull-out dapat dikenalpastidan tenaga pull-out dapat dikenalpasti

Ujian Tarikan Keluar Gentian (a)Ujian Tarikan Keluar Gentian (a)

Ujian Mampatan utk Kekuatan Ricih Ujian Mampatan utk Kekuatan Ricih a/fasa (b)a/fasa (b)

Kekuatan ricih antarafasa (Kekuatan ricih antarafasa (ζζ11) dapat ) dapat dikenalpasti dengan specimen spt g/r (b)dikenalpasti dengan specimen spt g/r (b)

Apabila specimen dikenakan ujian Apabila specimen dikenakan ujian mampatan, tegasan ricih terbentuk mampatan, tegasan ricih terbentuk dihujung2 gentian kerana perbezaan elastik dihujung2 gentian kerana perbezaan elastik gentian & matriksgentian & matriks

Debonding pada hujung gentian berlaku Debonding pada hujung gentian berlaku akibat tegasan ricih akibat tegasan ricih

ζζ11 ~ 2.5 ~ 2.5 σσc c ((σσc c ditentukan apb debonding ditentukan apb debonding mula berlaku pd hujung gentian- mudah mula berlaku pd hujung gentian- mudah sekiranya menggunakan matriks sekiranya menggunakan matriks transparent)transparent)

Ujian Mampatan utk Kekuatan Tegangan Ujian Mampatan utk Kekuatan Tegangan a/fasa (c)a/fasa (c)

Debonding disebabkan oleh tegasan Debonding disebabkan oleh tegasan tegangan diperolehi dengan menggunakan tegangan diperolehi dengan menggunakan spesimen (c)spesimen (c)

Pada tegasan mampatan Pada tegasan mampatan σσc c , kekuatan , kekuatan

tegangan pada antaramuka tegangan pada antaramuka σσ11dicapai dan dicapai dan

debonding berlakudebonding berlaku σσ1 1 = C= C σσc c , C adalah constant bergantung , C adalah constant bergantung

kepada nisbah Poisson dan Young Modulus kepada nisbah Poisson dan Young Modulus gentian & matriksgentian & matriks

Ujian PukalUjian Pukal

Kaedah yangpaling mudah& digunakan secara meluasB = lebarD = tebalS = pjg span

Pada beban, P, max tegasan tegangan Pada beban, P, max tegasan tegangan σσ pada bahagian bawah sampel diberi olehpada bahagian bawah sampel diberi oleh

σ = 3PS/2D2B………(1)P= Beban, S=Pjg span, D= tebalB=lebar

Utk mengenalpasti kekuatan tegangan pd Utk mengenalpasti kekuatan tegangan pd antarafasa, gentian dlm bentuk serenjangantarafasa, gentian dlm bentuk serenjang

dengan pjg sampel digunakan.dengan pjg sampel digunakan.Kekuatan tegangan pd antarafasa dikira Kekuatan tegangan pd antarafasa dikira

dengan memasukkan nilai beban gagal kedlm dengan memasukkan nilai beban gagal kedlm formula (1)formula (1)

Sampel yang mempunyai gentian yang Sampel yang mempunyai gentian yang selari dengan pjg sampel akan gagal dalam selari dengan pjg sampel akan gagal dalam keadaan ricih pd antarafasa.keadaan ricih pd antarafasa.

Tegasan ricih adalah maximum pd tengah Tegasan ricih adalah maximum pd tengah sampel, sampel, ζζ = ¾( P/BD)…………..(2) = ¾( P/BD)…………..(2)

Gabungkan formula (1) dan (2),Gabungkan formula (1) dan (2),

ζζ//σσ = D/2S = D/2SSampel yang pendek dan tebal Sampel yang pendek dan tebal

meningkatkan kegagalan ricih meningkatkan kegagalan ricih Ujian ini dikenali sbg Ujian ini dikenali sbg short-beam bend testshort-beam bend test

atau atau interlaminar shear testinterlaminar shear test (ILSS) (ILSS)

Ujian Micro-indentationUjian Micro-indentation Menggunakan ujian kekerasan micro-Menggunakan ujian kekerasan micro-

indentation indentation Mudah kerana tidak memerlukan Mudah kerana tidak memerlukan

penyediaan sampelpenyediaan sampel Indentor ditekankan menggunakan beban Indentor ditekankan menggunakan beban

tertentu, P pada tengah gentian, tertentu, P pada tengah gentian, menyebabkan gentian mengelincir menyebabkan gentian mengelincir sepanjang antarafasasepanjang antarafasa

Sesuai digunakan utk CMCSesuai digunakan utk CMC

Sifat-Sifat KompositSifat-Sifat Komposit

Ketumpatan dan Heat CapacityKetumpatan dan Heat Capacity Kedua-dua sifat ini boleh dijangkakan Kedua-dua sifat ini boleh dijangkakan

dengan Hukum Percampuran.dengan Hukum Percampuran. Ketumpatan, Ketumpatan, ρρcc = = ρρmmVVmm + + ρρffVVff

Heat Capacity,CHeat Capacity,Ccc =(C =(CmmρρmmVVmm + C + Cff ρρffVVff )/ )/ ρρcc

V= pecahan isipadu, m=matriks, V= pecahan isipadu, m=matriks, c=komposit, f= gentian, C= heat capacityc=komposit, f= gentian, C= heat capacity

Modulus ElastikModulus Elastik Terdapat 2 Model utk menjangkakan sifat Terdapat 2 Model utk menjangkakan sifat

modulus elastik bagi kompositmodulus elastik bagi komposit (1) (1) Keadaan Sama Terikan (Isostrain Keadaan Sama Terikan (Isostrain

condition)condition) - Beban dikenakan dalam arah gentian, - Beban dikenakan dalam arah gentian,

assume equal deformation in the assume equal deformation in the componentscomponents

(2) (2) Keadaan Sama Tegasan (Isostress Keadaan Sama Tegasan (Isostress condition)condition)

- Gentian berada dalam keadaan - Gentian berada dalam keadaan perpendicular dengan tegasan yang perpendicular dengan tegasan yang dikenakandikenakan

Modulus Elastik vs VModulus Elastik vs Vff dibawah keadaan dibawah keadaan

isostress dan isostrain, perhatikan bahan isostress dan isostrain, perhatikan bahan yg dibebankan dlm keadaan isostrain yg dibebankan dlm keadaan isostrain menunjukkan modulus yg tinggimenunjukkan modulus yg tinggi

KekuatanKekuatan

Nilai kekuatan sukar utk dijangkakan Nilai kekuatan sukar utk dijangkakan dengan menggunakan Hukum dengan menggunakan Hukum Percampuran, ini kerana kekuatan Percampuran, ini kerana kekuatan merupakan sifat yang sangat sensitif merupakan sifat yang sangat sensitif terhadap strukturterhadap struktur

- Sebagai contoh, struktur matriks dan - Sebagai contoh, struktur matriks dan gentian boleh berubah sewaktu gentian boleh berubah sewaktu pemprosesanpemprosesan

KeliatanKeliatan

Keliatan bergantung kepada beberapa Keliatan bergantung kepada beberapa faktor:faktor:

1)1) Komposisi dan mikrostruktur matriksKomposisi dan mikrostruktur matriks

2)2) Jenis, saiz dan orientasi gentianJenis, saiz dan orientasi gentian

3)3) Pemprosesan yg dilakukan ke atas Pemprosesan yg dilakukan ke atas komposit, yg memberi kesan ke atas komposit, yg memberi kesan ke atas mikrostruktur, spt keliangan, taburan mikrostruktur, spt keliangan, taburan gentian, dllgentian, dll

Kegagalan dalam KompositKegagalan dalam Komposit

Dalam mengenalpasti kegagalan komposit, Dalam mengenalpasti kegagalan komposit, mikrostruktur sgt pentingmikrostruktur sgt penting

Pertimbangkan komposit dengan terikan Pertimbangkan komposit dengan terikan kegagalan gentian kurang daripada terikan kegagalan gentian kurang daripada terikan kegagalan matriks. kegagalan matriks.

Terdapat 2 jenis kegagalan dlm komposit iniTerdapat 2 jenis kegagalan dlm komposit ini1)1) Kegagalan tunggalKegagalan tunggal2)2) Kegagalan Banyak (multiple)Kegagalan Banyak (multiple)

Kegagalan tunggalKegagalan tunggal

Apabila gentian gagal, matriks tidak Apabila gentian gagal, matriks tidak berupaya untuk menanggung beban, berupaya untuk menanggung beban, jadi komposit akan gagal dalam satu jadi komposit akan gagal dalam satu satahsatah

2) Kegagalan Banyak (multiple)2) Kegagalan Banyak (multiple) Berlaku apabila gentian akan gagal Berlaku apabila gentian akan gagal

dalam beberapa segmen sehingga dalam beberapa segmen sehingga terikan kegagalan matriks dicapaiterikan kegagalan matriks dicapai

Common structural defect in Common structural defect in compositescomposites

Matrix-rich (fiber-poor) regionsMatrix-rich (fiber-poor) regions VoidsVoids Micro-cracks (may be due to thermal Micro-cracks (may be due to thermal

mismatch between the components, curing mismatch between the components, curing stresses, or absorption of moisture during stresses, or absorption of moisture during processing)processing)

Debonded regionsDebonded regions Delamination regionsDelamination regions Variation in fiber alignmentVariation in fiber alignment