1

FIBER CARBON DAN NANO FILLER

Nurun Nayiroh, M.Si

MATERI KE-11 & 12

MATERIAL KOMPOSIT

Carbon

Senyawaan yang terbentuk dari atom unsur karbon dengan struktur yang berbeda disebut alotrop karbon. Grafit, intan, fullerene dan karbon amorf merupakan contoh dari alotrop karbon. Bukan keramik, karena mereka tidak senyawa.

Dalam tabel peridoik unsur karbon memiliki simbol C dengan nomor atom 6 dan terletak pada golongan 4A atau 14, periode 2 dan termasuk blok p.

Konfigurasi elektron atom karbon adalah 1s22s2 2p2 atau [He] 2s2 2p2 dengan susunan elektron dalam kulit atomnya adalah 2, 4.

Berdasarkan konfigurasi elektronnya diketahui bahwa karbon memiliki 4 elektron valensi. Empat elektron valensi karbon ini dapat digunakan untuk membentuk ikatan kovalen dengan atom lain maupun dengan atom karbon yang lain.

Grafit

Grafit merupakan alotrop karbon yang dapat menghantarkan arus listrik dan panas dengan baik.

Dalam struktur grafit setiap atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan tiga atom karbon lainnya membentuk susunan heksagonal dengan struktur berlapis seperti tumpukan kartu. Karena atom karbon memiliki 4 elektron valensi maka pada setiap atom karbon masih terdapat satu elektron yang belum berikatan (elektron bebas).

Grafit

Sifat daya hantar listrik yang dimiliki oleh grafit dipengaruhi oleh elektron-elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen.

Elektron-elektron ini tersebar secara merata pada setiap atom C karena terjadi tumpang tindih orbital seperti pada ikatan logam yang membentuk awan atau lautan elektron. Oleh sebab itu ketika diberi beda potensial, elektron-elektron yang terdelokaslisasi sebagian besar akan mengalir menuju anoda (kutub positif), aliran elektron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir.

Sedangkan ketika salah satu ujung dipanaskan maka elektron-elektron ini akan segera berpindah menuju bagian yang memiliki suhu lebih rendah. Akibatnya panas tersebut akan menyebar ke bagian grafit yang memiliki suhu lebih rendah.

2

Grafit

Gambar struktur Grafit

Ikatan kovalen antar lapisan pada grafit relatif lebih lemah bila dibanding ikatan kovalen antar atom dalam satu lapisan. Dengan adanya hal ini menyebabkan grafit bersifat licin, karena lapisan yang berada dibagian atas mudah tergelincir atau mudah tergeser.

Sifat dan Kegunaan Grafit

Memiliki titik leleh tinggi.Hal ini disebabkan iktan kovalen yang terbentuk sangat kuat sehingga diperlukan energi yang tinggi untuk memutuskannya.

Memiliki sifat lunak, terasa licin dan digunakan pada pensil setelah dicampur tanah liat.

Tidak larut dalam air dan pelarut organik, karena tidak mampu mensolvasi molekul grafit yang sangat besar.

Dibanding intan, grafit memiliki massa jenis yang lebih kecil, karena pada strukturnya terdapat ruang-ruang kosong antar lipatannya.

Berupa konduktor listrik dan panas yang baik. Karena sifat ini grafit digunakan sebagai anoda pada baterai (sel Leclanche) dan sebagai elektroda pada sel elektrolisis.

Intan

Intan atau berlian atau diamond merupakan alotrop karbon yang saat ini dikenal sebagai mineral alami yang paling keras. Memiliki jaringan ikatan kovalen yang sangat kuat karena hibridisasi sp3 (seperti silikon)

Struktur atom intan

Dalam struktur intan setiap atom karbon berikatan secara kovalen dengan atom 4 karbon lain dalam bentuk tetrahedral dan panjang setiap ikatan karbon-karbon adalah 0,154 nm.

Sifat Intan

Intan merupakan mineral alami yang paling keras.

Memiliki titik leleh yang sangat tinggi yakni 4827 °C). Hal ini disebabkan Ikatan kovalen karbon-karbon yang terbentuk pada struktur intan sangat kuat bahkan lebih kuat dari ikatan ionik.

Berupa isolator namun dapat menyerap panas dengan sangat baik. Daya hantar listrik intan berkaitan dengan elektron yang digunakan untuk membentuk ikatan, dimana pada intan elektron-elektron berikatan sangat kuat sehingga tidak ada elektron yang bebas bergerak ketika diberi beda potensial.

Tidak larut dalam air dan pelarut organik. Dalam hal ini tidak memungkinkan terjadinya daya tarik antara molekul pelarut dan atom karbon yang dapat membongkar dayatarik antara atom-atom karbon yang berikatan secara kovalen. Akibat pelarut tidak mampu mensolvasi molekul intan.

3

Fulleren

Fuleren adalah alotrop karbon dimana 1 molekul karbon terdiri dari 60 atom karbon sehingga sering disebut sebagai C60.

Pada struktur fulleren setiap atom karbon berikatan dengan tiga atom karbon lain dengan pola membentuk susunan pentagonal membentuk struktur berongga seperti bola sepak.

Struktur Fulleren

Sifat Fulleren

Tidak larut dalam air, tetapi dapat larut dalam pelarut organik.

Sebagai superkonduktor dan penyerap panas yang baik. Sifat superkonduktor dan menyerap panas ini berkaitan 1 elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen, seperti pada grafit. Salah satu senyawaan C60 yang merupakan semikonduktor adalah K3C60.

Carbon-Matrix Composites

Ability to resist high temperatures

Carbon-carbon (C/C) composites

Carbon fiber

Carbon matrix

Carbon matrix made from pitch or polymer

4

Carbon matrix precursors

Pitch

Resins

Carbonaceous gases

Bahan dasar

Conversion of carbon matrix precursor to carbon

Pyrolysis (also called carbonization)

Heating at around 1000°C in

the absence of oxygen to cause decomposition, like charring(hangus)

Bonding in graphite

In-plane:

covalent and metallic bonding

Out-of-plane:

van der Waals bonding

5

Properties of graphite

Anisotropic

Mudah terpisah antara lapisan karbon yang mengurangi kekuatan.

High electrical and thermal conductivity and high modulus in the plane of the carbon layers

Fiber microstructure

Fiber texture, i.e., preferred crystallographic orientation with the carbon layers along the fiber axis.

6

Carbon

Non-crystalline, turbostratic

Metastable form

– graphitizes upon heating above 2000°C.

Conversion of carbon to graphite

Graphitization (i.e., crystallization)

Heating at 2000°C or above in the

absence of oxygen to cause the turbostratic carbon to be converted to graphite (crystalline)

Carbon/graphite fabrication

Stabilization (oxidation)

Carbonization (pyrolysis)

Graphitization

7

PAN = polyacrylonitrile

Grades of carbon fiber

High-strength carbon fiber (without graphization)

High-modulus carbon fiber (with graphitization)

©2003 B

rooks/C

ole, a

divisio

n of Tho

mso

n Lea

rning,

In

c. Tho

mso

n Lea

rning

™is a

tra

dem

ark u

sed h

erein

under

licen

se.

Properties of carbon compared to graphite

Less conductive

Lower in modulus

Higher in strength

Lower in oxidation resistance

Cannot be intercalated(diselingi)

8

Fiber vs. nanofiber

Fiber (diameter 1 micron or above, typically around 10 microns)

Nanofiber (also called filament, diameter below 1 micron, typically 0.1 micron or less)

Types of carbon nanofiber

Nanofiber with fish-bone (tulang ikan) morphology

Multi-walled nanotube (concentric cylinders in shell)

Single-walled nanotube (chirality-pilinan)

Carbon nanotube

Hybrid of graphite and fullerene

9

Crystal forms of carbon

Graphite

Diamond

Fullerene

Nanofiber group morphology

Intertwined

Parallel

10

Fabrication of carbon nanofibers

Catalytic growth from carbonaceous gas

Arc discharge

Laser evaporation

11

Catalytic method

Carbonaceous gases: acetylene, ethylene, methane, natural gas, benzene, etc.

Catalyst: iron, nickel, etc. (particles typically 10 nm, from salts or organometallics)

Reducing gases: CO, hydrogen

12

Methods of making carbon-carbon composites

Karbonisasi, diikuti dengan peresapan pitch atau resin, dan mengulangi proses karbonisasi-impregnasi lagi dan lagi sampai kepadatan telahtercapai.

Chemical vapor infiltration (CVI) menggunakan gas karbon, yaitu, CVD di bawah gradien suhu / tekanan sehingga mencegah pembentukan kerak, sehingga memungkinkan infiltrasi lengkap; CVI dapat menjadi langkah ekstra yang mengikuti karbonisasi-impregnasi untuk tujuan mengisi pori-pori.

Table 2.3 Pitch properties.

Carbon yield (%)

Pitch Molecular

weight

0.1 MPa 10 MPa

A 726 45.2 85.9

B 782 54.4 86.4

C 931 84.5 89.8

Grades of pitch

Isotropic pitch

Mesophase pitch (liquid crystal form called the mesophase)

Main problem with carbon-carbon composites

Oxidation at high temperatures in the presence of oxygen

13

Methods for oxidation protection of

carbon-carbon composites up to 1700°°°°C

1. SiC lapisan konversi

2. Penghambat oksidasi

3. Segel kaca

4. Padatan lapisan atas berupa SiC atau

Si3N4 pada kaca atau SiC lapisan

konversi

SiC conversion coating method

SiC coating (known as SiC

conversion coating, due to graded

composition from pure SiC at the

surface to pure carbon inside)

Methods of applying SiC conversion

coating

- Pack cementation,

- Reaction sintering,

- Silicone resin impregnation/pyrolysis, or

- Chemical vapor deposition (CVD) to the outer surface of the composite.

Pack cementation

Packing the composite in a mixture of SiC and Si powders and heat up to 1600°C

Chemical conversion of the outermost surface of the composite to SiC

SiC coating thickness typically 0.3-0.7 mm.

14

Si(l) + C → SiC

Si(g) + C → SiC

SiO(g) + 2C → SiC + CO(g)

Pack cementation

Problem with entrapped silicon vaporising.

Reaction sintering

Mencelupkan komposit C/C ke dalam suspensi Serbuk Si (10 μm) dalam larutan alkohol dan

kemudian sintering pada 1600 °C selama 4 jam di argon.

Silicone resin impregnation/pyrolysis

Vakum impregnasi dan tekanan isostatic dingin (30.000 psi atau 200 MPa) resin silikon ke dalam matrikskomposit C / C dan pirolisis berikutnya di 1600 ° C selama 2 jam di argon.

Catatan: Silicone merupakan polimer dengan atom silikon sebagai bagian dari tulang punggung.

Prior deposition of carbon film (10 µm) by CVD

Prior to pack cementation, reaction sintering or resin impregnation

To improve homogeneity of C/C surface

To easy the reaction with Si

15

Dense SiC or Si3N4 overlayers

SiC overlayer is more dense than the SiC conversion coating.

As oxygen barrier

To control venting of reaction products to the outside

Made by chemical vapor deposition (CVD)

CH3SiCl3(g) → SiC + 3HCl(g)Heat/H2

Chemical vapor deposition (CVD) by thermal decompositionof a volatile (mudah menguap)silicon compound

Temperature: 1125°C

SiSiC overlayer

CVD overlayer contains a small percentage of unreacted silicon dispersed in the SiC,

Kelebihan Si pada oksidasi menjadi SiO2, yang memiliki koefisien difusi oksigen yang sangat rendah.

Advantages of SiC or Si3N4

Kompatibilitas ekspansi termal dengan C / C

Tingkat oksidasi rendah

Skala SiO2 amorf tipis yang tumbuh memiliki koefisien difusi oksigen yang rendah.

16

SiC or ineffective above 1800°C

Reactions at the interface between SiO2 and SiC or Si3N4

Reduction of SiO2 by carbon to form CO gas.

Oxygen inhibitors

Oxygen getters

Glass formers

To provide additional oxidation protection from within by migrating to the outer surface and sealing cracks and voids during oxidation.

Examples of inhibitors

Elemental Si, Ti and BSiC, Ti5Si3 and TiB2Alloys such as Si2TiB14Organoborosilazane polymer solution

Oxidation of the elemental Si, Ti or B within the carbon matrix forms a viscous glass, which serves as a sealant that flows into the microcracks of the SiC coating.

Boron as an oxidation inhibitor

Boron teroksidasi untuk membentuk B2O3.

Blok B2O3 mengaktifkan lokasi, seperti sisi atom karbon.

B2O3 membentuk penghalang pergerakan difusi untuk oksigen.

17

Oxidation rate

Rate of weight loss

Glassy sealants

Glasir terdiri terutama silikat (SiOx) dan borat (B2O3).

Glasir dapat diisi dengan partikel SiC

Terutama penting jika lapisan konversi SiC berpori

Glasir mengisi microcracks di overlayer padat

Aplikasi glassy sealant di bagian atas

lapisan konversi SiC terutama oleh

sikat pasta, sehingga sealant mencair,

mengisi kekosongan dan menghentikan

difusi oksigen, dan, dalam beberapa

kasus, bertindak sebagai getter oksigen.

Effectiveness of borate sealants

Borat basah C dan SiC cukup baik

Borat tidak dapat digunakan di atas 1.200 ° C karena penguapan

Borat memiliki ketahanan kelembaban buruk akibat hidrolisis, yang menghasilkan pembengkakan dan runtuh.

Borat memiliki kecenderungan untuk galvanically yang menimbulkan korosi lapisan SiC pada suhu tinggi

18

Modified borate sealants

Masalah borat dapat diatasi dengan menggunakan sistem multikomponen seperti 10TiO2.20SiO2.70B2O3.

TiO2 memiliki kelarutan tinggi dalam B2O3 dan digunakan untuk mencegah penguapan B2O3 dan meningkatkan viskositas.

SiO2 bertindak untuk meningkatkan ketahanan kelembaban, mengurangi ketidakstabilan B2O3, meningkatkan viskositas dan mencegah korosi SiC oleh B2O3.

Dense SiC or Si3N4 overlayer

Applied by CVD.

On top of glassy sealant or on top of SiC conversion coating

To control and inhibit transfer of oxygen to the substrate

To control the venting of reaction products to the outside

Method of oxidation protection of C/C above 1700°C

Four-layer coating scheme:(1) Refractory oxide (e.g., ZrO2, HfO2, Y2O3, ThO2) as the outer layer for erosion protection.

(2) SiO2 glass inner layer as and oxygen barrier and sealant.

(3) Another refractory oxide layer for isolation of the SiO2 from the carbide layer underneath.

(4) Refractory carbide layer (e.g., TaC, TiC, HfC, ZrC) to interface with the C/C substrate and to provide a carbon diffusion barrier

COHfOO2

3HfC 22 +→+

19

Fundamental approaches for oxidation protection of carbons

Pencegahan katalisis

Keterlambatan akses gas ke karbon

Penghambatan reaksi karbon-gas

Perbaikan dalam struktur kristal karbon

Effects of carbon fiber on oxidation protection

Kesesuaian molekul matriks yang mendekati fiber.

Mikrostruktur fiber mempengaruhi matriksnya

Mikrostruktur matriks yang mempengaruhi jumlah porositas dalam matriks

Carbon matrix precursors

Pitch (preferred for oxidation protection)

Chemical vapor infiltration (CVI) carbon (preferred for oxidation protection)

Resins (not preferred for oxidation protection)

Disadvantage of coatings on C/C

Degrade room temperature mechanical properties of C/C