Pertemuan ke-3 & 4 (Matrikx dan...

19/09/2016

1

FILLER AND MATRIX

Nurun Nayiroh, M.Si

Pertemuan ke-3 & 4

Mata Kuliah Komposit

Sub Pokok Materi

Matriks dan Fiber:

a. Reinforcements (Bahan Pengisi/penguat): Carbon

Fibres, Glass Fibres, Organic Fibres, Silicon Carbide,

Alumina and

Aluminosilicates

b. Kekuatan dari Reinforcement: Stabilitas Thermal,

Compressive Strength, Fibre Fracture and flexibility, a

statistical treatment of fibre strength

c. Matrices: Polimer Matrices, Metal Matrices, Ceramic

matrices

Metals

Polymers

Ceramics

Composites

Review:

Classification of Composite

by Filler Type:

–Particle-reinforced composites

–Fiber-reinforced composites

–Structural composites

1. Particle-Reinforced Composites

Keuntungan dari komposit yang disusun oleh reinforcement

berbentuk partikel:

a) Kekuatan lebih seragam pada berbagai arah

b) Dapat digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan meningkatkan

kekerasan material

c) Cara penguatan dan pengerasan oleh partikulat adalah dengan

menghalangi pergerakan dislokasi.

Proses produksi pada komposit yang disusun oleh reinforcement

berbentuk partikel:

a) Metalurgi Serbuk

b) Stir Casting

c) Infiltration Process

d) Spray Deposition

e) In-Situ Process

Ukuran partikel dibedakan menjadi dua, yaitu

1)Large particle

2)Dispersion strengthened particle

a) Fraksi partikulat sangat kecil, jarang lebih dari 3%.

b) Ukuran yang lebih kecil yaitu sekitar 10-250 nm.

1) Large particle�Interaksi antara partikel dan matrik terjadi tidak dalam

skala atomik atau molekular

�Partikel seharusnya berukuran kecil dan terdistribusi

merata

�Partikelnya kurang lebih harus sama sumbu.

�Volume fraction dependent on desired properties.

�Contoh dari large particle composit: cement dengan

sand atau gravel, cement sebagai matriks dan sand

sebagai partikel

19/09/2016

2

• Other examples:Adapted from Fig.

10.19, Callister 7e.

(Fig. 10.19 is

copyright United

States Steel

Corporation, 1971.)

- Spheroidite

steelmatrix: ferrite (α)

(ductile)

particles: cementite(Fe3C)

(brittle)60µm

Adapted from Fig.

16.4, Callister 7e.

(Fig. 16.4 is courtesy

Carboloy Systems,

Department, General

Electric Company.)

- WC/Co

cemented

carbide

Matrix : cobalt (ductile)

particles: WC (brittle, hard)Vm:

5-12 vol%! 600µm

Adapted from Fig.

16.5, Callister 7e.

(Fig. 16.5 is courtesy

Goodyear Tire and

Rubber Company.)

- Automobile

tiresmatrix: rubber (compliant)

particles: C (stiffer)

0.75µm

(CERMET)

Volume Fraction

in Large Particle Composites

• Elastic modulus is dependent on the volume

fraction

• “Rule of mixtures” equation

– E- elastic modulus, V- volume fraction, m- matrix, p-

particulate

– upper bound

(iso-strain)

– lower bound

(iso-stress)

Ec = EmVm + E pVp

Ec =EmE p

EpVm + EmVp

Rule of Mixtures

conc. of particulates

E-

ma

trix

E -

pa

rtic

ula

te

* *

*

**

*

*

Upper bound

Lower bound

Actual

Values

Bahan Komposit Large-Particle

• All three material types

– metals, ceramics, and polymers

• CERMET (ceramic-metal composite)

– cemented carbide (WC, TiC embedded in Cu

or Ni)

– cutting tools (ceramic hard particles to cut, but

a ductile metal matrix to withstand stresses)

– large volume fractions are used (up to 90%!)

2) Dispersion Strengthened particle

• Metals and metal alloys– hardened by uniform dispersion of fine particles of a very

hard material (usually ceramic)

• Strengthening occurs through the

interactions of dislocations and the

particulates

• Examples• Thoria in Ni

• Al/Al2O3 sintered aluminum powder SAP

• GP zones in Al

2. Fiber-Reinforced Composites

Fungsi utama dari serat adalah sebagai

penopang kekuatan dari komposit,

sehingga tinggi rendahnya kekuatan

komposit sangat tergantung dari serat

yang digunakan, karena tegangan yang

dikenakan pada komposit mulanya

diterima oleh matrik akan diteruskan

kepada serat, sehingga serat akan

menahan beban sampai beban

maksimum.

19/09/2016

3

Matriks yang dipadukan dengan fiber

berfungsi sebagai :

• Penjepit fiber

• Melindungi fiber dari kerusakan permukaan

• Pemisah antara fiber dan juga mencegah

timbulnya perambatan crack dari suatu fiber ke

fiber lain

• Berfungsi sebagai medium dimana eksternal

stress yang diaplikasikan ke komposit,

ditransmisikan dan didistribusikan ke fiber.

Ultimate Tensile Strength (UTS) (kuat tarik

utama), sering disingkat menjadi Tensile Strength

(TS) atau Ultimate Strength, adalah tegangan

maksimum dimana material dapat menahan

ketika sedang diregangkan atau ditarik sebelum

necking (ketika penampang spesimen mulai

berkontraksi secara signifikan). Kekuatan tarik

(TS) adalah kebalikan dari kuat tekan dan nilai-

nilainya bisa sangat berbeda.

Persyaratan bahan matriks yang

harus dipenuhi pada Fiber-reinforced

composite:

• Ductile

• Lower E than for fiber

• Bonding forces between fiber and

matrix must be high

– otherwise fiber will just “pull-out” of matrix

• Generally, only polymers and metals

are used as matrix material (they are

ductile)

Fiber yang digunakan sebagai reinforced harus memiliki

syarat sebagai berikut :

a) Mempunyai diameter yang lebih kecil dari diameter bulknya

(matriksnya) namun harus lebih kuat dari bulknya.

b) Harus mempunyai tensile strength yang tinggi

Parameter fiber dalam pembuatan komposit, yaitu sebagai

berikut :

a) Distribusi

b) Konsentrasi

c) Orientasi

d) Bentuk

e) ukuran

Parameter fiber dalam pembuatan komposit

a. Short(discontinuous) fiber reinforced composites

Aligned Random

b. Continuous fiber (long fiber) reinforced composites

19/09/2016

4

Aligned Fibers

• When fibers are aligned

– properties of material are highly anisotropic

– modulus in direction of alignment is a function

of the volume fraction of the E of the fiber and

matrix

– modulus perpendicular to direction of

alignment is considerably less (the fibers do

not contribute)

Fiber Alignment

aligned

continuous

aligned random

discontinuous

Adapted from Fig.

16.8, Callister 7e.

Randomly Oriented Fibers

• Properties are isotropic

– not dependent on direction

• Ultimate tensile strength is less than for

aligned fibers

• May be desirable to sacrifice strength for

the isotropic nature of the composite

Berdasarkan penempatannya terdapat beberapa tipe

serat pada komposit, yaitu:

a) Continuous Fiber Composite

Continuous atau uni-directional, mempunyai susunan

serat panjang dan lurus, membentuk lamina diantara

matriksnya. Jenis komposit ini paling banyak digunakan.

Kekurangan tipe ini adalah lemahnya kekuatan antar

antar lapisan. Hal ini dikarenakan kekuatan antar

lapisan dipengaruhi oleh matriksnya.

b) Woven Fiber Composite (bi-dirtectional)

Komposit ini tidak mudah terpengaruh pemisahan antar

lapisan karena susunan seratnya juga mengikat antar

lapisan. Akan tetapi susunan serat memanjangnya yang

tidak begitu lurus mengakibatkan kekuatan dan kekakuan

tidak sebaik tipe continuous fiber.

c) Discontinuous Fiber Composite (chopped fiber composite)

Komposit dengan tipe serat pendek masih dibedakan lagi menjadi :

1) Aligned discontinuous fiber

2) Off-axis aligned discontinuous fiber

3) Randomly oriented discontinuous fiber

Randomly oriented discontinuous fiber merupakan komposit

dengan serat pendek yang tersebar secara acak diantara

matriksnya. Tipe acak sering digunakan pada produksi dengan

volume besar karena faktor biaya manufakturnya yang lebih murah.

Kekurangan dari jenis serat acak adalah sifat mekanik yang masih

dibawah dari penguatan dengan serat lurus pada jenis serat yang

sama.

19/09/2016

5

d) Hybrid fiber composite

Hybrid fiber composite merupakan

komposit gabungan antara tipe serat lurus

dengan serat acak. Pertimbangannya

supaya dapat mengeliminir kekurangan

sifat dari kedua tipe dan dapat

menggabungkan kelebihannya.

Bahan Fiber yang biasa

digunakan antara lain :

1. Fibers – Glass

– Sangat umun digunakan, fiber yang murah adalah glass fiber yang sering digunakan untuk reinforcement dalam matrik polimer

– Komposisi umum adalah 50 – 60 % SiO2 dan paduan lain yaitu Al, Ca, Mg, Na, dll.

– Moisture dapat mengurangi kekuatan dari glass fiber

– Glass fiber sangat rentan mengalami static fatik

– Biasanya digunakan untuk: piping, tanks, boats, alat-alat olah raga

Sifat-Sifatnya

• Densitynya cukup rendah ( sekitar 2.55 g/cc)

• Tensile strengthnya cukup tinggi (sekitar 1.8 GPa)

• Biasanya stiffnessnya rendah (70GPa)

• Stabilitas dimensinya baik

• Resisten terhadap panas

• Resisten terhadap dingin

• Tahan korosi

Keuntungan :

• Biaya murah

• Tahan korosi

• Biayanya relative lebih rendah dari komposit

lainnya

Kerugian

• Kekuatannya relative rendah

• Elongasi tinggi

• Keuatan dan beratnya sedang (moderate)

Jenis-jenisnya antara lain :

– E-Glass - electrical, cheaper

– S-Glass - high strength

2. Carbon Fibers

• Densitaskarbon cukup ringan yaitu sekitar 2.3 g/cc

• Struktur grafit yang digunakan untuk membuat fiber berbentuk seperti kristal intan.

• Karakteristik komposit dengan serat karbon :– ringan;

– kekuatan yang sangat tinggi;

– kekakuan (modulus elastisitas) tinggi.

• Diproduksi dari poliakrilonitril (PAN), melalui tiga tahap proses :

• Stabilisasi = peregangan dan oksidasi;

• Karbonisasi= pemanasan untuk mengurangi O, H, N;

• Grafitisasi = meningkatkan modulus elastisitas.

19/09/2016

6

• Proses produksi pada fiber-carbon yaitu

sebagai berikut :

1. Open Mold Process

a. Hand Lay-Up

b. Spray Lay-Up

c. Vacuum Bag Moulding

d. Filament Winding

2. Closed Mold Process

a. Resin Film Infusion

b. Pultrusion

Berdasarkan diameter dan karakternya, fiber dapat

dikelompokkanmenjadi 3:

1. Whisker

2. Fiber

3. Wire

WHISKER merupakan kristal tunggal yang sangat

tipis dengan rasio panjang/diameter yang sangat

besar.

Akibat ukurannya yang kecil, maka tingkat

kesempurnaan kristalnya tinggi, sehingga

kekuatannya/strength sangat tinggi →→→→ merupakan

salah satu material yang paling kuat.

Meskipun demikian, whisker jarang dipakai karena

harganya sangat mahal.

Selain itu, menyatukan whisker dengan matriks juga

sangat sulit.

Contoh material whisker adalah grafit, silikon

karbida, silikon nitrida, dan aluminum oksida.

FIBER adalah material polikristalin atau amorfus

yang memiliki diameter kecil.

Material fiber bisa berupa polimer atau keramik,

seperti aramid polimer, kaca, karbon, boron,

aluminum oksida, dan silikon karbida.

WIRES memiliki diameter yang relatif besar. Contoh:

baja, molybdenum, dan tungsten.

Wire digunakan sebagai radial steel reinforcement

dalam ban mobil, filament-wound rocket casings,

dan in wire-wound high-pressure hoses.

Table 3. Characteristics of Several Fiber-Reinforcement Materials

19/09/2016

7

Composite Strength: Longitudinal Loading

Continuous fibers - Estimate fiber-reinforced

composite strength for long continuous fibers in a

matrix

• Longitudinal deformation

σσσσc = σσσσmVm + σσσσfVf but εεεεc = εεεεm = εεεεfvolume fraction isostrain

∴ Ece = Em Vm + EfVf longitudinal (extensional)

modulus

mm

ff

m

f

VE

VE

F

F= f = fiber

m = matrix

Remembering: E = σ/ε

and note, this model

corresponds to the

“upper bound” for

particulate composites

Elastic Behavior Derivation(Longitudinal Loading)

Consider longitudinal loading of continuous fibers, with good fiber/matrix bonding.

under these conditions matrix strain = fiber strain (isostrain condition).

εm = εf = εc

The total load on the composite, Fc, is then equal to loads carried by the matrix and

the fibers

Fc = Fm + Ff

Substituting for the stresses

σcAc = σmAm + σfAf

Rearranging

σc = σm Am/Ac + σf Af /Ac

were Am /Ac and Af /Ac are the area fractions of matrix and fibers, respectively. If the

fiber length are all equal than then these terms are equivalent to the volume

fractions

Vf = Af /Ac & Vm = Am /Ac

σc = σm Vm + σf V

Using the isostrain constraint and Hookes Law, σ = εE

Ec =EmVm+EfVf

Can also show ratio of load

carried by fiber and matrix:

Ff/Fm = EfVf/EmVm

Fc = Ff + Fm

Composite Strength: Transverse Loading

• In transverse loading the fibers carry less of

the load and are in a state of ‘isostress’

σσσσc= σσσσm = σσσσf = σσσσ εεεεc= εεεεmVm + εεεεfVf

f

f

m

m

ct E

V

E

V

E+=

1transverse modulus∴

Remembering: E = σ/ε

and note, this model

corresponds to the “lower

bound” for particulate

composites

Elastic Behavior Derivation(Transverse Loading)

Consider transverse loading of continuous fibers, with good fiber/matrix

bonding. under these conditions matrix strain = fiber strain (isostress

condition).

σm = σf = σc = σ

The total strain of the composite is given by

εc = εm Vm = εf Vf

Using Hookes Law ε = σ/E and the isostress constraint

σ/Ec = (σ/Em) Vm + (σ/Ef) Vf

Dividing by σ, Algebraically this becomes

Ec =EmEf

EfVm +EmVf

An Example:

Note: (for ease of conversion)

6870 N/m2 per psi!

UTS, SI Modulus, SI

57.9 MPa 3.8 GPa

2.4 GPa 399.9 GPa

(241.5 GPa)

(9.34 GPa)

• Estimate of Ec and TS for discontinuous fibers:

-- valid when

-- Elastic modulus in fiber direction:

-- TS in fiber direction:

efficiency factor:-- aligned 1D: K = 1 (aligned )

-- aligned 1D: K = 0 (aligned )

-- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy)


(aligned 1D)

Values from Table 16.3, Callister 7e.

(Source for Table 16.3 is H. Krenchel,

Fibre Reinforcement, Copenhagen:

Akademisk Forlag, 1964.)

Composite Strength

c

fd

τ

σ> 15length fiber

Particle-reinforced Fiber-reinforced Structural

(TS)c = (TS)mVm + (TS)fVf

Ec = EmVm + KEfVf

19/09/2016

8

• Aligned Continuous fibers• Examples:

From W. Funk and E. Blank, “Creep

deformation of Ni3Al-Mo in-situ

composites", Metall. Trans. A Vol. 19(4), pp.

987-998, 1988. Used with permission.

-- Metal: γ'(Ni3Al)-α(Mo)

by eutectic solidification.

Composite Survey: Fiber


matrix: α (Mo) (ductile)

fibers: γ’ (Ni3Al) (brittle)

2µm

-- Ceramic: Glass w/SiC fibersformed by glass slurry

Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa.

(a)

(b)

fracture surface

From F.L. Matthews and R.L.

Rawlings, Composite Materials;

Engineering and Science, Reprint

ed., CRC Press, Boca Raton, FL,

2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by

J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349

(micrograph by H.S. Kim, P.S.

Rodgers, and R.D. Rawlings). Used

with permission of CRC

Press, Boca Raton, FL.

• Discontinuous, random 2D fibers• Example: Carbon-Carbon

-- process: fiber/pitch, then

burn out at up to 2500ºC.

-- uses: disk brakes, gas

turbine exhaust flaps, nose

cones.

• Other variations:-- Discontinuous, random 3D

-- Discontinuous, 1D

Composite Survey: Fiber


(b)

fibers lie

in plane

view onto plane

C fibers: very stiff

very strong

C matrix: less stiff less strong

(a)

efficiency factor:-- random 2D: K = 3/8 (2D isotropy)


Ec = EmVm + KEfVf

Influence of Fiber Length

• Mechanical properties depend on:• mechanical properties of the fiber

• how much load the matrix can transmit to the

fiber– depends on the interfacial bond between the fiber

and the matrix

• Critical fiber length - depends on• fiber diameter, fiber tensile strength

• fiber/matrix bond strength

Influence of Fiber Length

• Critical fiber length -

lc– “Continuous” fibers l >>

15 lc

– “Short” fibers are anything

shorter 15 lc

lc = σfd/2τc

where

d = fiber diameter

τc = fiber-matrix bond

strength

σf = fiber yield strength

No

Reinforcement

Influence of Fiber Orientation

• Fiber parameters– arrangement with respect to each other

– distribution

– concentration

• Fiber orientation– parallel to each other

– totally random

– some combination

Example

• Calculate the composite modulus for

polyester reinforced with 60 vol% E-glass

under iso-strain conditions.• Epolyester = 6.9 x 103 MPa

• EE-glass = 72.4 x 10 3 MPa

Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa)

= 46.2 x 103 MPa

19/09/2016

9

Home work

A continuous and aligned glass reinforced composite consists

of 40 vol% glass fiber having E = 69 GPa and a polyester

resin matrix, that when hardened, has E = 3.4 GPa.

a) Compute modulus of elasticity under longitudinal and transverse

loading.

b) If the cross-sectional area is 250 mm2 and a stress of 50 MPa is applied

longitudinally, compute magnitude of load carried by each the fiber and

matrix phases.

c) Determine strain on each phase in c

Other Composite Properties

• In general, the rule of mixtures (for

upper and lower bounds) can be used

for any property Xc - thermal

conductivity, density, electrical

conductivityTetc.

Xc = XmVm + XfVf

Xc = XmXf/(VmXf + VfVm)

Tensile Strength

• In longitudinal

direction, the

tensile strength is

given by the

equation below if

we assume the

fibers will fail

before the matrix:

σ∗c = σ’mVm + σ’fVf

Discontinuous Fibers• Aligned

σ∗c = σ∗

fVf(1-lc/2l)+ σ’mVm for l > lc

σ∗c = (lτc/d)Vf + σ’

mVm for l < lc

• Random

Ec = KEfVf + EmVm where K ~ 0.1 to

0.6

3/8

1/5

3. Structural Reinforced-

Composites• Definition

– composed of both homogeneous and

composite materials

– properties depend on constituent materials

and on geometrical design of the elements

• Types

– laminar composites

– sandwich panels

Laminar Composites

• Two dimensional sheets or

panels with a preferred high-

strength direction• Q. What is a natural example of

this?

• A. Wood

• Q. What is a man made example

• A. Plywood - Layers are stacked

and subsequently bonded together

so that the high strength direction

varies

19/09/2016

10

Sandwich Panels

• Two strong outer sheets (called faces)

separated by a layer of less dense

material or core (which has lower E and

lower strength)

• Core

– separates faces

– resists deformation perpendicular to the

faces

– often honeycomb structures

• Used in roofs, walls, wings

Sandwich Panel

Pertemuan ke-3 & 4 (Matrikx dan...

Documents

Transcript of Pertemuan ke-3 & 4 (Matrikx dan...