material and their properties -...

6/15/2015

1

Materials and their

Properties

1

Dhimas Satria

Great Idea:

A material’s properties result from its constituent atoms

and the arrangements of chemical bonds that hold

those atoms together

• Latar Belakang

• Material dan Dunia Modern

• Ikatan Kimia

• Fase Zat

• Klasifikasi Material

• Rekayasa Material

• Sifat-sifat Material

• Piranti Semikonduktor

• Advanced Material & Nanotechnology

• Knowledge/Creative Based Economy

Outline

2

• Kesalahan pemilihan material dapat berakibat pada beberapa kerusakan/kegagalan.

• Tanpa pemilihan material yang tepat, rekayasa disain yang baik sekalipun tidak akan bermanfaat. Perlu material yang tepat untuk aplikasi material tertentu.

• Pengetahuan tentang sifat-sifat material menjadi penting untuk memperoleh hasil rekayasa yang baik.

• Diperlukan pengetahuan tentang kegagalan akibat kesalahan disain dan pemilihan material.

Latar Belakang

3

Tragedi Concorde Tahun 2000

Komponen lepas (fatigue) dari pesawat yang sebelumnya menggunakan

runaway yang sama → terhantam roda pesawat → tangki bahan bakar bocor

4

World Trade Center:

• Rangka berbentuk tabung

• Disain yang sangat baik dan kuat, tetapi tidak kuat untuk robohan

• Dapat menopang benturan pesawat.

• Panas akibat terbakarnya bahan bakar pesawat menyebabkan kekuatan struktur baja berkurang.

• Bangunan di atas tempat pesawat menabrak merupakan beban yang merobohkan WTC.

Runtuhnya World Trade Center

CNN

5

• Material telah mengubah peradaban dunia

(contoh: transportasi, perdagangan dan

komunikasi).

• Fungsionalisasi material didasarkan atas

sifat-sifat materialnya.

• Sifat material bergantung pada:

– Jenis atom penyusunnya

– Susunan atomnya

– Jenis ikatan antar atomnya

Material Dan Dunia Modern

Penting untuk

mengetahui sifat material

agar material tersebut

dapat difungsikan sesuai

kebutuhan

6

Tabel Periodik Unsur-unsur

7

DIAMOND GRAPHITE

Jenis Atom Dan Susunannya

8

Atom saling berikatan melalui pengaturan susunan elektron dari atom-atom tersebut. • Elektron dengan jumlah tertentu (seperti 2, 10, 18 dan

36) membentuk atom yang stabil.

• Elektron dapat pindah atau digunakan bersama untuk membentuk atom yang stabil.

• Jenis-jenis ikatan kimia :

– Ikatan ionik: ikatan melalui gaya tarik elektrostatik dari ion- ion yang berbeda muatan

– Ikatan kovalen: ikatan kimia hasil berbagi (sharing) elektron

– Ikatan metal: ikatan yang dibentuk dari gaya tarik-menarik elektrostatik antara elektron-elektron yang terdelokalisasi, dengan ion-ion metal bermuatan positif.

Ikatan Kimia

9

6/15/2015

2

Ikatan Ionik

10

Ikatan Ionik

11

Ikatan Kovalen

Hidrogen

12

Ikatan Kovalen

Air

13

Ikatan Metalik

14

Ikatan Metalik

15

Fase Zat

16

Zat Padat

(Bentuk Dan Volume Tetap)

Kristal: atom-atom tersusun secara teratur

17

Zat Padat: Plastik

Plastik: terbentuk dari

rantai molekul

18

6/15/2015

3

Plastik Daur Ulang

19

• Kristal Cair (Liquid Crystals): Molekul

dapat diorientasikan oleh medan listrik.

Zat Cair

20

Gas

Volume dan bentuk dapat berubah

21

Perubahan Fase Zat

HYDROCARBONS

22

Bensin, minyak tanah,

solar, aspal dan

pelumas merupakan

hasil penyulingan dari

minyak mentah.

Proses Penyulingan (Destilasi)

23

1. Metal

2. Keramik

3. Polymer

4. Material Elektronik

5. Komposit

Klasifikasi Material

24

1. Metal – Besi

– Alloy dan Superalloy (contoh: alloy untuk keperluan dirgantara)

– Senyawa Intermetalik (contoh: high-T structural materials)

2. Keramik

– Keramik untuk struktur (contoh: high-temperature load bearing)

– Keramik untuk material insulator dan tahan korosi.

– Keramik untuk alat rumah tangga (contoh: porselen)

– Gelas

– Keramik untuk keperluan listrik (kapasitor, insulator, transdusers, dll.)

– Semen dan beton


25

3. Polymer – Plastik

– Liquid crystals

– Adhesives

4. Material Elektronik – Silicon dan Germanium

– Senyawa golongan III-V (contoh: GaAs)

– Materials Fotonik (contoh: solid-state lasers, LEDs)

5. Komposit

– Particulate composites (Komposit yang terbuat dari partikel-partikel yang tersusun di dalam material yang berbeda).

– Laminate composites (contoh: tongkat golf, raket tenis)

– Fiber reinforced composites (contoh: fiberglass)


26

Ciri-ciri utama:

• Atom tersusun dalam bentuk kristal.

• Memiliki kekuatan dan kelenturan yang cukup baik.

• Padat

• Dapat dibengkokkan.

• Penghantar listrik dan panas yang baik.

• Tidak tembus cahaya.

• Memiliki permukaan yang mengilap

Metal Dan Sifat-sifatnya

27

6/15/2015

4

Ciri-ciri lainnya:

• Metal dapat dibentuk dan diproses dengan mudah dan cukup awet.

• Metal tidak mudah bereaksi dengan unsur lain, tetapi, Fe dan Al dapat dengan mudah membentuk senyawa.

• Salah satu kekurangan metal adalah dapat dapat berekasi dengan lingkungan dalam bentuk karat.

• Beberapa metal memiliki titik leleh yang rendah sehingga tidak dapat digunakan dalam beberapa aplikasi.


28

Unsur-unsur metal dalam tabel periodik


29

Aplikasi:

• Kabel listrik

• Keperluan struktur: bangunan, jembatan dll.

• Mobil: rangka dan bodi, pegas, blok mesin, dll.

• Pesawat: komponen mesin, body pesawat, perlengkapan pendaratan

• Kereta Api: rel, komponen mesin, rangka dan bodi, roda, dll.

• Perkakas mesin: bor, obeng, gergaji, martil, dll.

• Perlengkapan keseharian: kaca mata, kepala sabuk, dll

• Magnet

Beberapa contoh:

• Unsur metal murni (Cu, Fe, Zn, Ag, dll)

• Alloy – Cu-Sn = perunggu

– Cu-Zn = kuningan

– Fe-C = baja

– Pb-Sn = solder

• Senyawa intermetalik (Ni3Al)


30

Ciri-ciri utama:

• Kecuali gelas, atom-atom tersusun secara teratur.

• Terdiri dari campuran metal dan non-metal.

• Memiliki densitas yang lebih kecil dari metal.

• Lebih kuat daripada metal.

• Lebih regas daripada metal.

• Lebih sulit untuk dibentuk.

• Memiliki titik leleh yang tinggi.

• Penghantar listrik dan panas yang buruk.

• Keramik dalam bentuk kristal tunggal umumnya transparan.

Keramik Dan Sifat-sifatnya

31

Ciri-ciri lainnya:

• Keramik lebih resisten terhadap zat kimia

dari lingkungan (contoh: Alumina (Al2O3)

dan Silica (SiO2, Quartz).

• Keramik dapat berbentuk kristalin dan

non-kristalin. Keramik berfase gelas dapat

dibentuk dengan mendinginkannya dari

fase cair.


32


Unsur-unsur pembentuk keramik dan gelas

33

Aplikasi:

• Insulator listrik dan panas

• Alat penggosok, pengasah

• Kaca jendela, tabung TV, serat optik. (Gelas).

• Peralatan yang tahan terhadap korosi.

• Piranti listrik: kapasitor, varistor, transducers, dll.

• Jalan raya (beton)

• Lapisan komponen Biocompatible.

• Self-lubricating bearings

• Material magnetik (komponen audio/video, hard disks, dll.)

• Optical wave guide

• Night-vision

Beberapa contoh: • Oksida (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO)

• Campuran metal-oksida (SrTiO3, MgAl2O4, YBa2Cu3O7-x)

• Nitrida (Si3N4, AlN, GaN, BN, dan TiN, yang digunakan untuk hard coatings.)


34

Ciri-ciri utama:

• Tersusun dari unsur-unsur utama C dan H (hydrocarbon).

• Titik leleh rendah.

• Beberapa polymer berbentuk kristal, tapi sebagian besar bukan kristalin.

• Sebagian besar merupakan penghantar listrik dan panas yang buruk.

• Sebagian besar bersifat plastik, tapi beberapa polymer bersifat elastik.

• Sebagian polymer bersifat transparan dan sebagian lain tidak transparan.

Polymer Dan Sifat-sifatnya

35

Ciri-ciri lainnya:

• Polymer biasanya sangat ringan dan mudah dalam proses pembentukannya, seperti di cetak, dibuat lembaran tipis atau sebagai lapisan pelindung (coating). Selain itu polymer lebih murah biaya pembuatannya.

• Umumnya sangat resisten terhadap lingkungan.

• Karena merupakan penghantar listrik dan panas yang buruk serta mudah dibentuk, polymer sangat berguna untuk insulator listrik dan peralatan rumah tangga.


36

6/15/2015

5


37

Dua tipe utama polymer:

• Thermosets: cross-linked polymers yang membentuk jaringan 3D, sehingga lebih kuat dan lebih kaku.

• Thermoplastics: long-chain polymers yang dapat dengan mudah bergeser antara satu dengan lainnya jika dipanaskan, sehingga lebih mudah dibentuk, dibengkokkan dan mudah patah.


Unsur-unsur pembentuk polymer (terbatas)

38

Aplikasi:

• Bahan perekat

• Berbagai jenis wadah dan botol

• Produk cetakan (casing komputer, printer, telepon, dll)

• Material untuk mebel dan pakaian (vinyls, polyester, nylon)

• Water-resistant coating (latex)

• Biomaterial (organic/inorganic)

• Liquid crystal

• Low-friction material (teflon)

• Oli sintetis dan pelumas.

• Gasket dan O-rings (karet)

• Sabun dan surfaktan


39

• Jenis kekuatan (strength) untuk karakterisasi material – Tekanan (compressive strength)

– Tarikan (tensile strength)

– Geseran (shear strength)

• Ada batas elastik untuk setiap material

• Kekuatan material bergantung pada: – Jenis unsur penyusun

– Cara atom tersusun

– Ikatan kimia susunan atomnya.

Sifat-sifat Material (Mekanik)

40

• Tumpukan kertas

• Bangunan terbuat

dari susunan

batu/bata

• Susunan kayu

Kekuatan Tekanan

41

• Kabel

• Tali

• Rantai

Kekuatan Tarikan

42

• Susunan alat penopang

• Intan

Kekuatan Geseran

43

• Medan magnetik

– Ditimbulkan oleh

arus listrik.

– Sifat magnetik atom

ditimbulkan oleh

spin elektron

• Kemagnetan

– Derajat kesearahan

domain menentukan

besar kekuatan medan

magnet.

Sifat Magnetik

44

Berdasarkan sifat penghantaran

arus listrik, material dapat

digolongkan kedalam:

• Konduktor: dapat

menghantarkan arus listrik

(muatan bebas)

• Insulator: tidak dapat

menghantarkan arus listrik.

• Semikonduktor: bersifat antara

konduktor - isolator

• Superkonduktor: resistansi nol

Sifat Listrik

45

6/15/2015

6

Terima Kasih

Bab XI Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan (KPIP) 46

material and their properties -...

Documents