thermomechanical analysis

Metallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering

This paper resumed by M. Ekaditya Albar Bangkit Indriyana Fuad Hakim

CO NF ID

EN0806331683 0806455622 0806331576

TAJan, 2012

Thermo Mechanical Analysis

L

Tugas UAS Karakterisasi Material

Thermomechanical Analysis

I.

Pendahuluan Ketahanan suatu material terhadap beban yang diaplikasikan merupakan salah satu faktor penting dalam mendesain material. Sifat mekanik dari suatu benda seperti keuletan, kekakuan, kekerasan, dan kekuatan merupakan sifat-sifat yang harus dikaji melalui suatu analisa sebelum material siap diaplikasikan. Sifat mekanik merupakan fungsi dari beban yang diaplikasikan, lama atau durasi pembebanan dan kondisi dari lingkungan termasuk temperatur. Selain itu, sifat termal dari suatu material juga

merupakan sifat yang penting untuk diketahui dalam memilih suatu material yang akan digunakan dalam temperatur tinggi, rendah, maupun material yang mengalami siklus termal yang lebih kompleks. Oleh karena itu, untuk mengetahui dan menganalisa sifat mekanik sebagai fungsi dari temperatur digunakan suatu metode yang disebut Thermo Mechanical Analysis. Thermo Mechanical Analysis merupakan salah satu metode yang digunakan dalam analisa sifat termal material yang meliputi perubahan sifat mekanik, perubahan dimensi, serta perubahan karakteristik material pada berbagai temperatur.

CO NF IDMechanometry (TM).

Secara umum. Thermo Mechanical Analysis adalah subdisiplin dari metode Thermo

Gambar 1. Beberapa jenis mode deformasi mekanik yang sering diujikan [1]

Dua klasifikasi metode analisa termal-mekanik yang penting adalah Thermo Mechanical Analysis (TMA) dan Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Thermo Mechanical Analysis (TMA) mengukur perubahan pada dimensi fisik dari sampel sebagai fungsi dari temperatur dibawah beban dan tegangan yang diaplikasikan.Metallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering 2

EN

TA

L


Perubahan dimensi umumnya diukur satu arah (panjang sampel) dengan pengaruh pada beban yang diaplikasikan. Hal ini disebabkan karena perubahan satu arah lebih mudah untuk diukur dibandingkan dengan perubahan volume. Pada Thermo Mechanical Analysis (TMA) beban yang diaplikasikan merupakan beban statis. Jika tidak ada beban yang diaplikasikan maka teknik Thermo Mechanical Analysis (TMA) ini dinamakan thermodilatometry. Meskipun tidak adanya beban yang diaplikasikan perubahan dimensi sebagai fungsi dari temperatur masih bisa diukur. Perubahan dimensi tersebut biasanya dinyatakan dalam koefisien ekspansi termal. Thermo Mechanical Analysis (TMA) biasanya digunakan dalam mengukur sifat muai, compression, softens point, bending, dan deformasi plastis-elastis pada material. Sedangkan, metode DMA digunakan pada beban yang berosilasi pada sampel dimana deformasi pada sampel disebabkan oleh perubahan temperatur dan tegangan yang dinamis diukur berdasarkan fungsi dari waktu, temperatur, beban, dan frekuensi pembebanan dinamisnya. Pada Tabel 1. dapat dilihat perbandingan dan perbedaan antara ketiga jenis metode ini.

Tabel 1. Perbedaan TMA, Thermodilatometry, dan DMA[1]

CO NF IDTipe Pengukuran Informasi Perubahan panjang TMA (Beban Statis) Pemuaian Thermodilatometry (tidak ada beban eksternal) Penetration Extension Bending Deformation DMA (Dynamicalternating-load ) terhadap siklusnya) Penetration Bending Extension

EN

Compression strength

(perubahan panjang

TAHasil Koefisien muai Softening Strain (hardening)

LShrinkage properties yang dibebankan

Temperature transisi gelas

Penetration dengan gaya

Morfologi transisi kristalin Complex dynamic modulus Storage and loss modulus Mechancal loss ("tan delta"), temperature transisi gelas Temperatur pengerasan3



II. Prinsip Kerja TMA dan DMA Peralatan pada Thermo Mechanical Analysis (TMA) terdiri dari sampel holder dengan dimensi yang stabil pada perubahan temperatur, measuring probe (perangkat ini sangat sensitif terhadap perubahan dimensi), dapur yang terprogram, serta suatu Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) untuk mengukur perubahan panjang material, pembebanan pada sampel melalui probe (core rod dan push rod), dan sensor temperatur (biasanya thermocouple). Desain dari Thermo Mechanical Analysis dapat dilihat pada gambar 2.

CO NF ID

Gambar 2. Desain dasar Thermo Mechanical Analysis[1,3]

Sampel holder terbuat dari kwarsa atau super alloy steel. Sampel ditempatkan

pada holder dan probe yang sehingga terjadi kontak langsung antara probe dengan

permukaan sampel. Beban yang terukur (tertentu) diberikan kepada sampel dan program pengukur temperatur dijalankan. Pada saat sampel memuai, melunak, ataupun mengkerut, posisi dari probe akan berubah. Perubahan posisi diukur oleh LVDT, yang menyediakan tegangan sebanding dengan defleksi dari probe. Skematik desain TMA dan penempatan sampel pada sample holder dapat dilihat pada gambar 3.4

ENMetallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering

TA

L


Gambar 3. Skematik desain TMA dan penempatan sampel pada sample holder [4]

Probe biasanya juga terbuat dari kwarsa atau baja paduan. Probe mempunyai

CO NF ID

beberapa jenis bentuk, bentuk dari probe tersebut menentukan tipe perubahan dimensi yang akan diukur. Berbagai jenis probe dapat dilihat pada gambar 4 dan 5. Probe dengan ujung yang pipih digunakan untuk mengukur ekspansi pada

sampel dan menentukan koefisien ekspansi linearnya. Bentuk probe untuk metode deformasi compression dan penetrasi mempunyai bentuk bulat dan lancip pada ujung probe. Bentuk setengah bola pada probe digunakan untuk menentukan modulus dari material yang lunak dan memiliki fasa rubbery. Pada bentuk probe untuk deformasi tekuk digunakan bending tiga titik (three point bending) yang sesuai standar pengujian mekanik, dimana dua ujung yang tajam berada dibawah sampel, sedangkan satu ujung yang tajam pada bagian atas sampel dengan beban yang diaplikasikan. Untuk probe dengan metode tegangan untuk mengukur perpanjangan atau penyusutan pada serat (fiber) dan lapisan tipis. Tension holder terdiri dari sepasang grip atau pengait, salah satunya bergerak sedangkan ujung lainnya statis, untuk menarik sampel dengan tegangan sesuai beban yang diaplikasikan.5

EN


TA

L


CO NF IDpersamaan 1.

Gambar 5. Beberapa bentuk probe untuk mode deformasi three point bending dan material yang digunakan (dari kiri : kwuarsa, stainless steel)[4]

Peralatan dari TMA harus dikalibrasi temperatur maupun perubahan

dimensinya pada setiap pengukurnya. Temperatur dikalibrasi menggunakan tipe yang sama pada metode standar melting point yang digunakan pada DSC. Material yang biasa digunakan untuk kelaibrasi terdiri dari In, Sn, Zn, dan Al. LVDT dikalibrasi menggunakan standar dengan koefisien linear termal dari material yang sudah biasa digunakan, contohnya Al. Koefisien linear termal ekspansi, ditentukan oleh

EN (1) Dimana Lf adalah panjang sampel akhir, Lo panjang sampel awal. Tf dan To merupakan temperatur akhir dan awal dalam dibandingkan dengan nilai literatur.Metallurgy and Materials Department, Faculty of Engineeringo

TA6

Gambar 4.Bentuk probe sesuai dengan metode deformasi[4]

LC. Perhitungan nilai dari


Untuk TDA, secara prinsip kerja sama seperti TMA tetapi pada TDA tidak terdapat beban eksternal yang diaplikasikan pada sample. LVDT hanya mengukur sampel berdasarkan pertambahan panjang sebagai fungsi dari temperatur. Desain peralatan untuk metode TDA dapat dilihat di gambar 6.

CO NF IDTMA.

Gambar 6. Desain peralatan untuk metode TDA[5]

Peralatan DMA memiliki beragam desain. Salah satu peralatan DMA yang

sering digunakan adalah dengan three point bend test dengan beban yang dinamis

seperti pada gambar 7. Beberapa jenis lain peralatan DMA seperti pada gambar 8 (a)

memperilhatkan sampel yang berada diantara dua lengan yang dapat bergerak bebas

diatas titik poros, sampel akan mengalami deformasi tekuk, (b) motor elektromagnetik

mengosilasi ssampel dan menggerakan sampel ke amplitudo regangan yang sudah diatur sebelumnya. LVDT pada lengan penggerak mengukur perubahan pada sampel

akibat adanya tegangan yang diaplikasikan. Probe yang digunakan sama seperti pada

EN7 Metallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering

TA

L


Gambar 7. DMA Instruments Analyzer[6]

CO NF IDIII. Aplikasi dan material komposit.

Gambar 8. (a) sample holder dari DMA ,(b) electromechanical system of DMA[6]

TMA biasa digunakan untuk mengukur ekspansi, kompresi, relaksasi elastic,

penetrasi, titik pelunakan (softening point), transisi gelas, penyusutan, swelling dan modulus elastic (kekakuan atau ketahanan material terhadap deformasi elastic dimana material kaku adalah material dengan modulus kekakuan yang tinggi). TMA digunakan untuk mengarakterisasi polimer, logam, lapisan (coating), keramik, gelas Salah satu contoh penggunaan TMA adalah pengukuran

perilaku ekspansi dari papan sirkuit (printed circuit board).8

ENMetallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering

TA

L


Gambar 9. Pengukuran Tg menggunakan expansion probe[7].

Gambar 9 di atas menunjukkan penggunaan tiga sampel yang berbeda yang diukur dengan expansion probe. Suhu transisi gelas untuk seluruh sampel dapat ditentukan dengan melihat perubahan pada kemiringan atau slope pada kurva tersebut. Salah satu sampel menunjukkan pelelehan solder yang digunakan pada papan ini pada suhu 180oC. Pada suhu di atas 300 oC, masing-masing papan menunjukkan ekspansi

CO NF IDkomposit. serat.

yang tajam. Titik ini merupakan titik dimana papan mengalami delaminasi yang disebabkan oleh pelepasan sejumlah internal stress yang besar pada material

TMA juga digunakan untuk mengarakterisasi serat polimer. Proses

karakterisasi ini merupakan proses yang penting pada industri tekstil. Processing atau

texturing dari serat dengan panas, spinning, twisting, dan lain-lain menghasilkan berbagai tegangan yang dialami oleh serat. Hal ini dapat mempengaruhi sifat tekstil

seperti ketahanan terhadap wrinkle dan kekakuan. Oleh karena itu, sifat kimia dari tekstil dan polimer perlu dievaluasi untuk mengetahui efek processing terhadap sifat

EN

TA

L9



Gambar 10. Perbandingan fiber tension antara serat PET yang tanpa tekstur (garis tebal) dan bertekstur (garis putus-putus) [8].

Gambar 10 di atas menunjukkan perbandingan fiber tension antara serat PET yang tanpa tekstur (garis tebal) dan bertekstur (garis putus-putus). Sampel memiliki panjang 4-5 mm dan dilakukan clamping untuk mengetahui ekspansi dengan extension probe. Kekuatan tarik serat (fiber tension) mengalami penurunan ketika

CO NF ID

diberikan proses tekstur (texturing). Gambar 11 di bawah ini menunjukkan perilaku

dari tiga jenis serat polimer yang digunakan sebagai sampel.

EN

Gambar 11. Perilaku dari tiga jenis serat polimer

TA[8]

L.

Sampel uji kedua dan ketiga menunjukkan adanya penyusutan drastic karena adanya proses melting dan adanya relaksasi dari tegangan yang terjadi selama proses spinning. Serat uji yang pertama menunjukkan tidak adanya pelepasan tegangan yangMetallurgy and Materials Department, Faculty of Engineering

10


ditandai dengan tidak adanya perubahan panjang hingga mencapai titik leleh. Selain itu, penetration mode dapat digunakan untuk mengukur ketebalan lapisan coating. Contohnya adalah pada lapisan polimer pada bagian dalam kaleng minuman dan adanya pelepasan lapisan silicon pada bagian belakang label. Penetrasi dapat digunakan untuk mengukur titik pelunakan (softening point) dari lilin (wax) dan lemak (fats) yang digunakan pada industri makanan dan kosmetik. TMA dengan expansion mode digunakan untuk mengukur penyusutan dari solid-state material dan digunakan dalam mengoptimalisasi kondisi sintering untuk material yang terbuat dari

material seperti superkonduktor suhu tinggi untuk memahami perilaku material ini. Pada gambar 12 di bawah ini ditunjukkan perbedaan perilaku ekspansi untuk komposit dengan penguat serat gelas. Ekspansi yang terjadi pada arah tegak lurus terhadap susunan serat lebih besar dibandingkan arah sepanjang serat.

CO NF ID

Gambar 12. Perbedaan perilaku ekspansi untuk komposit dengan penguat serat gelas [8].

EN

TA

menggunakan TMA, kita dapat mempelajari ekspansi dan kontraksi dari solid-state

L

bubuk yang dikompaksi seperti keramik dan UO2 untuk batang nuklir. Dengan

11


CO NF ID

EN

TA

L

Referensi [1] M. Reading and P.J. Haines; Thermomechanical, dynamic mechanical and associated methods in; P. J. Haines; Thermal methods of analysis: Principles, Applications and Problems Blackie, London (1995) pp.123-160. [2] T. Riga and C. M. Neag (Editors); Materials Characterization by Thermomechanical Analysis, ASTM STP 1136, American Society for Testing and Materials, Philadelphia (1991). [3] D. M. Price, Thermomechanical and Thermoelectrical Methods, in P.J. Haines (ed.) Principles of Thermal Analysis & Calorimetry, ch. 4, Royal Society of Chemistry, Cambridge (2002) pp. 94-128. [4] Duncan Price IPTME, Loughborough University. 2010.

[5] Brown, M.E. Introduction to Thermal Analysis: Techniques and Applications; Chapman and Hall:New York, 1988.

[6] Callister, W.D. Materials Science and Engineering: An Introduction, 5th ed.; John Wiley and Sons: New York, 2000.

[7] Wendlandt, W.W. Thermal Methods of Analysis, 3rd ed.; John Wiley and Sons, Inc.: New

CO NF IDPress: New York, 1996.

York, 1986.

[8] Turi, E.A., Ed. Thermal Characterization of Polymeric Materials, 2nd Ed.; Academic

EN

TA

L

thermomechanical analysis

Documents