PENGGUNAAN BAHAN KERAMIK DALAM BIDANG TEKNIK

Oleh 

Sobron Lubis

Jurusan Teknik Mesin 

Fakultas Teknik

Universitas Tarumanagara

E-mail: Sobron_lbs@yahoo.com

Abstrak

Keramik adalah bahan paduan metalik dan non metalik. Menurut definisi luas keramik berarti semua material kecuali metal atau material organik. Keramik dapat di bedakan kepada dua jenis  yaitu: Keramik tradisional dan Keramik industri. Didalam kehidupan sehari-hari material keramik telah banyak digunakan, baik secara tradisional maupun dalam industri.

Bahan keramik ini memiliki sifat tahan terhadap gesekan (keausan), temperatur tinggi dan sangat  keras dan kuat.

Pada masa kini bahan keramik mengalami perkembangan yang begitu pesat, Keramik telah di gunakan dalam bidang teknik. berbagai jenis material/komponen yang berkaitan dengan technology telah dapat dihasilkan dari bahan keramik ini.

Tulisan ini memaparkan secara ringkas tentang bahan keramik yang di gunakan dalam dunia teknik dewasa ini.

Keywords: Tembikar¹, Lempung

1. Pendahuluan

Keramik berasal dari perkataan greek yaitu keramos, yang bermaksud lempung yang di bakar pada temperatur tinggi (lebih 1500^oC). Ada pendapat lainnya menyatakan bahwa keramik berasal dari perkataan keramikos yaitu segala hasil yang di perbuat dari lempung (tanah liat).
Jika di lihat daripada pengertian di atas, jelas menunjukkan bahwa ia agak terbatas, pengertian demikian hanya meliputi hasil-hasil tembikar saja. Oleh karena itu suatu pengertian yang lebih luas di perlukan memandang perkembangan tembikar dalam berbagai metode produksi dan penggunaan bahan keramik yang mempunyai sifat yang uniq dan modern pada masa kini.

Berdasarkan pengertian yang di beri oleh Kingery, keramik merupakan suatu seni dan pengetahuan dalam membuat dan menggunakan hasil padat yang sebahagian besar komponennya ialah bahan non organik yang bukan logam, hal ini selaras dengan pengertian yang di beri oleh Horslay di dalam concise encylopedia. Berdasarkan pengertian ini, keramik adalah suatu bidang ilmu yang luas merangkumi bidang seperti tembikar, porselin, refraktori, lempung struktur, pelincir, semen, kaca, bahan bermagnet bukan logam, ferroelektrik, superkonduktor dan berbagai bahan tak organik lainnya.

2. Perkembangan Industri Kerami k

Industri keramik telah bermula dalam tahun 4500 sebelum Masehi yang di usahakan oleh penduduk di perkampungan neolitik di dalam daerah Shanxi di negeri China. Industri keramik pada masa itu hanya tertumpu pada penghasilan tembikar.

Tembikar tertua di temui di England, dapat di kesan kembali pada pertama tahun masehi dan penaklukan Roma. Antara masa itu dan 1500 tahun Masehi, perkembangan yang paling penting adalah porselin yang dapat memantulkan cahaya. Aktiviti di England bermula dengan tembikar eistercian pada awal abad ke enam belas. Abad ketujuh belas mulai nampak permulaan industri tembikar Inggris melalui Tofst bersaudara yang membuat tembikar slip di Staffordshire. Dalam abad ke delapan belas menampakkan bibit perkembangan yang telah menjadikan industri tembikar sebagaimana yang terdapat pada hari ini.

Cabang-cabang lain industri mula wujud pada abad kesembilan belas. Perhatian yang meningkat adalah tentang sanitasi berdasarkan air Herrington.

Di bagian akhir abad ini pengenalan api elektro telah membawa kepada bibit permulaan industri porselin elektro.

Dalam tempoh selepas perang dunia kedua, industri keramik tertumpu kepada produksi yang boleh memberikan ciri-ciri yang istimewa serta Modern. Ia dihasilkan daripada bahan mentah alami atau sintetis atau campuran yang melibatkan metode berteknologi modern. Keramik jenis ini digolongkan kepada keramik Modern atau advance keramik.

3.KeramikTradisional

Sebelum perang dunia kedua. keramik tradisional meliputi industri keramik yang berdasarkan tanah liat. Ia merangkumi hasil tembikar, tanah liat semen, refraktori, dan hasil yang berkaitan dengan silikat.

Tembikar adalah sebutan umum yang digunakan bagi kumpulan hasil keramik yang di sediakan secara pembakaran. Lebih kurang 40% daripada industri refraktori terdiri daripada hasil tanah liat yang di bakar, dan selebihnya adalah refraktori yang tidak berdasarkan tanah liat. Sektor yang terbesar dalam industri keramik tradisional adalah sektor yang mengeluarkan berbagai hasil kaca dan di ikuti oleh industri semen.

Satu lagi kumpulan keramik tradisional ialah tembikar putih. Hasil kumpulan ini juga melalui proses pembakaran tetapi strukturnya lebih luas dan terkontrol di bandingkan dengan tembikar. Hasil akhirnya dalam bentuk berkilat (glaze) ataupun tidak. Vorton membagikan tembikar putih kepada beberapa kelas yaitu tembikar tanah batu, tembikar cina, porselin dan keramik teknik.

Tembikar tanah di hasilkan daripada tanah liat yang di bakar pada temperatur kurang daripada 1200^oC. Tembikar batu dihasilkan dari lempung api atau campuran lempung, silika dan fluks. Sifatnya lebih kuat daripada tembikar tanah karena suhu pembakaran yang lebih tinggi, teksturnya lebih halus.

Tembikar cina bersifat kaca, di hasilkan daripada campuran mineral lempung, fluks, silika, alumina, abu tulang dan mineral-mineral lainnya. Suhu pembakaran sekitar 1300^oC.

Porselin ialah tembikar kaca yang di hasilkan dalam bentuk berkilat atau tidak. Ia di buat daripada campuran mineral-mineral lempung, silika dan alumina untuk menambahkan kekuatan mekanik. Suhu pembakaran lebih daripada 1300^oC.

Keramik teknik adalah tembikar putih yang di gunakan sebagai penahan listrik. Peralatan penahan panas dan kimia. Dihasilkan dengan melibatkan penggunaan bahan mentah refraktori dan di bakar pada suhu melebihi 1300^oC.

Hasil lempung yang di gunakan untuk bidang pembangunan perumahan (teknik sipil) terdiri daripada batubata, marmar dan saluran pipa. Mutunya agak rendah di bandingkan dengan tembikar putih.

4.Keramik Modern

Keramik Modern dihasilkan untuk memenuhi beberapa keperluan daripada aspek ketahanan terhadap temperatur yang tinggi dan bahan kimia, ciri-ciri mekanik dan elektrik yang istimewa. Bahan-bahan ini terbagi kepada keramik oksida dan keramik bukan oksida. Beberapa contoh keramik oksida ialah alumina (Al₂O₃), Silika (SiO₂), Zirkonia (ZrO₂) dan Barium Titanat (BaTiO₂). Bahan jenis ini wujud secara alami di dalam batu-batuan dan mineral. Keramik bukan oksida termasuklah nitrida (Si₃N₄,TiN dan BN) dan karbida (SiC, TiC dan B₄C). Bahan – bahan ini di sintesiskan dengan menggunakan bahan mentah alami atau secara kimia. Klasifikasi seterusnya berkenaan keramik modern adalah berdasarkan fungsi dan bidang penggunaannya.

4.a.Keramik Struktur

 Keramik jenis ini mempunyai sifat mekanik yang baik. Antara bahan yang termasuk di dalam golongan  ini ialah alumina, silikon karbida, silikon nitrida, komposite dan bahan yang di lapisi dengan keramik. Bahan ini sangat potensi di gunakan di dalam mesin diesel sebagai piston dan ruang pra pembakaran, turbo charge dan turbin gas. Ia di gunakan juga sebagai bahan penyekat ruang pembakaran bersuhu tinggi dan mata pahat potong logam (Cutting tool).

Keramik alumina adalah sebutan yang di gunakan bagi semua bahan yang kandungan utamanya terdiri daripada 85% alumina. Keramik alumina dihasilkan melalui proses penekanan panas ataupun proses sinter. Bahan ini di gunakan dalam bidang teknik karena sifatnya yang keras (± 25 Gpa), suhu lebur tinggi (2025^oC) dan konduksi elektrik yang rendah (±10^-11 Ohm^-1m^-1). Walau bagaimanapun, keramik alumina tidak tahan terhadap kejutan therma, karena kekonduksian thermanya yang rendah (39wm^-1k pada range temperature 0-1200^oC).

Zirkonia tulen tidak stabil karena ia boleh berubah pada tiga fasa: monoklinik Þ Tetragon Þ Cubic, jika di panaskan daripada suhu kamar kepada titik leburnya 2770^oC. Transformasi ini di susuli dengan perubahan volume sebanyak ± 5%. Yang mengakibatkan bahan tersebut menjadi retak. Untuk mengatasi masalah ini, zirkonia biasanya di stabilkan dengan penambahan 5 -10% bahan penambah seperti Y₂O₃, CaO atau MgO. Bahan ini digunakan sebagai kepala piston, pelapis klep, cetakan gigi dan tulang palsu.

Keramik karbida yang lain adalah boron karbida, tungsten karbida dan sebagainya.

Keramik silikon nitrida di hasilkan secara penekanan panas, proses sintenring dan tindak balas terikat pada temperatur antara 1200-1700^oC. Oleh karena teknik penghasilannya berbeda-beda, maka kekuatannya bernilai antara 300 hingga 700 Mpa, bergantung kepada teknik yang di gunakan. Keramik nitrida yang lain antaranya ialah:SiAlON, Boron Nitrida, Aluminium Nitrida dan Titanium Nitrida.

Bahan-bahan tersebut di atas merupakan bahan utama dalam teknologi keramik. Walaupun bahan tersebut memiliki ke istimewaan dalam aspek kekuatan mekanik di bandingkan dengan logam dan alloy, tetapi ia bersifat rapuh dan mudah pecah/patah.

Untuk mengurangkan kerapuhan dan disamping memperbaiki sifat yang lain, bahan tersebut di campurkan dengan komposit. Contoh komposit antara lain: Si₃N₄-SiC, Al₂O₃-TiC dan ZrO₂ – Al₂O₃. di samping itu terdapat juga komposit keramik logam dan komposit keramik polimer yang masing-masing di kenal sebagai cermet dan cermers.

4.b.Keramik Elektronik

Yang termasuk di dalam katagori keramik ini mempunyai fungsi elektromagnet dan optik dan juga fungsi kimia yang berkaitan dengan penggunaanya secara langsung.

Keramik ini di gunakan sebagai bahan penyekat, dielektrik piezolektrik, magnet, tranducer dan pensemikonduksi. Kebanyakan keramik oksida dan silikat merupakan bahan penyekat yang sangat baik contohnya alumina, magnesia, beria, silica dan alumina silika. Karbon dan silicon karbida ialah antara keramik bukan oksida yang juga di gunakan sebagai bahan penyekat.

Bahan keramik yang memiliki ciri-ciri magnet terdiri daripada kumpulan ferit dengan gabungan satu atau lebih oksida Ba,Pb Sr,Mn dan Zn. Bahan ini di hasilkan dalam bentuk keras ataupun lembut. Ciri magnet ini penting karena membolehkan bahan tersebut di gunakan dalam bidang elektronik gelombang mikro berfrekwensi tinggi.

Keramik superkonduktor ialah keramik elektronik terbaru yang di jumpai oleh saintis Bedurz dan Muller di laboratorium penelitian  IBM Zurich pada tahun 1986.

Bahan ini tidak mempunyai hambatan terhadap arus listrik yang membolehkan arus listrik menjadi melaluinya selama-lamanya.

Bahan keramik konduktor adalah terdiri daripada system keramik oksida, sebagai contoh system Y-Ba-C-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O dan Ti-Ca-Ba-Cu-O. Penemuan keramik superkonduktor adalah suatu bentuk bermulanya era baru dalam bidang teknologi elektronik.

Ditinjau dari aspek optik pula bahan keramik yang boleh menyerap, memancarkan dan memberikan bias cahaya, dan berisi pantulan adalah penting. Sebagai contoh alumina dan silika yang terlarut adalah memantulkan sinar dan di gunakan sebagai bahan jendela penghantaran infra merah litium niobat (LiNBO₂) digunakan sebagai unsur pengingat, system perekam dan video. Titanium nitrida digunakan sebagai pengumpul cahaya.

4.c.Keramik Modern Lainnya

Keramik Modern yang lain adalah bio keramik dan keramik nuklir. Bio keramik terdiri daripada bahan yang di gunakan dalam bidang kedokteran dan pergigian.contohnya ialah alumina dan zirkonia yang telah di gunakan sebagai gigi dan tulang sendi palsu. Kajian yang telah di jalankan di Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral USM Malaysia mendapati bahawa bahan keramik dapat di gunakan sebagai bahan pengganti tulang sekiranya organ manusia tersebut mengalami kerusakan. Misalnya dapat di gunakan sebagai pin untuk penyambung tulang yang patah. Pembedahan kedua tidak perlu di lakukan untuk mengeluarkan pin tersebut karena bahan tersebut didesain agar di serap kedalam tubuh manusia tanpa mendatangkan kemudaratan (Mohd.Azrone Sarabatin, 2000). Technology keramik ini di kenal dengan Technology Bioceramic.

Kajian kemampumesinan (machinability) bahan keramik pula di jalankan pada Pusat Pengajian Kejuruteraan Mekanik USM. Kajian ini bertujuan untuk mengetahui kebolehan bahan keramik tersebut di bentuk dengan menggunakan mesin perkakas CNC. Penelitian yang di jalankan menunjukkan bahwa bahan keramik tersebut dapat di bentuk menggunakan mesin CNC tersebut. Ini merupakan satu kemajuan baru jika nantinya bahan keramik tersebut memerlukan bentuk yang kompleks. Namun demikian proses pemesinan tersebut haruslah di lakukan sebelum proses sintering bahan keramik. Hal tersebut untuk menghindari terjadinya keretakan yang terjadi semasa pemesinan tersebut.

Keramik nuklir ialah bahan yang di gunakan di dalam rector nuclear, contohnya Vc digunakan sebagai bahan bakar nukler, C dan SiC di gunakan sebagai pelindung bahan bakar dan BuC sebagai batang pengontrol.

Dalam dunia pemotongan logam, bahan mata pahat dewasa ini berkembang menggunakan bahan keramik. Mata pahat keramik ini dapat memotong logam-logam keras tanpa menggunakan cairan pendingin, ia juga dapat dioperasikan untuk pemotongan logam pada kecepatan pemotongan yang tinggi. Bahan dasar tersebut antara lain alumina (Al₂O₃), Silikon Nitrida (Si₃N₄) dan SiAlON.

5. Industri Keramik Di Masa Depan

Dalam bidang keramik Modern potensi dan peluang-peluang industri sangat luas sekali, bidang ini juga sangat terbuka luas untuk dipelajari. Pengembangan pembangunan dalam bidang keramik ini antara lain (wan zaharah, 1994):

Keramik struktur/teknik

Ø  Untuk pemrosesan temperatur tinggi, sel bahan bakar, penukar kalor

Ø  Gigi palsu

Ø  Konkrit berqualiti tinggi

Ø  Mesin yang effisien

Ø  Lapisan penahan keausan (wear resistance coating)

Komposit

Ø  Turbin angin, struktur ringan (kipas helicopter)

Ø  Bahan pembangunan bersekat

Ø  Kenderaan tentera berstruktur ringan

Ø  Kapal udara dan mobil-mobil ringan

Keramik bio (bioceramic)

Ø  Penyambung tulang (hip joint)

Ø  Gigi palsu

Ø  Sensor bio elektronik

Bahan elektronik

Ø  Konversi photo voltan

Ø  Sensor bahan berbahaya/beracun

Ø  IC,Substrat, kapasitor

Ø  Sistem jalan raya “Intelligent”

  Bahan magnetic

Ø  Magnet kekuatan tinggi

Ø  Magnetic resonance imaging

Ø  Hard disc magnetic storage

Ø  Kenderaan listrik

Bahan super konduktor

Ø  Penyimpan dan pemancar power

Ø  Diagnostic imaging of human body

Ø  Super komputer

Bahan optik/photonik

Ø  Sensor/kontrol pergantian power

Ø  Bio sensor

Ø  System laser

Ø  Sensor traffik

8.Kesimpulan

Keramik ini memiliki sifat tahan terhadap temperatur, keausan yang tinggi, sangat keras dan penghantar listrik yang rendah.

Bahan keramik sesuai di gunakan untuk pekerjaan-pekerjaan yang dilakukan pada temperatur, ketahanan haus yang tinggi  dan sebagai  isolator listrik.

Di dalam  bidang kedokteran bahan keramik  digunakan sebagai pengganti organ-organ (tulang) manusia yang rusak. Bahan keramik dapat di bentuk menggunakan mesin perkakas CNC pada proses pra sintering. Di bidang proses pemesinan, bahan keramik telah digunakan sebagai bahan mata pahat untuk proses pemesinan kecepatan tinggi dan pemotongan logam-logam yang keras.

Keuniqan sifat-sifat bahan keramik ini telah dicadangkan oleh beberapa negara maju sebagai material teknik masa depan.

Daftar Pustaka.

1. De Garmo, Paul. E. et al. (1997). Material dan Process in Manufacturing. New York 10002, Mac Millan Publishing Company 866 Third Avenue, New York.

2. Ichinose, N.1987.Introduction to Fine Cceramics: Application in Engineering.Chichester:

            John Wiley

      3. Ismail Ab.Rahman. 1995.Pengenalan Sains Seramik.Penerbit Universiti Sains Malaysia

      4. Kingery, W.D., Bowen, H.K and Uhlamann,.D.R. 1976. Introduction to Ceramics.

Second Edition. New York: John Wiley.

5        Kingon, A.I and Peterson, A.W. (1988). Developments in Engineering Ceramics. Current Issues in Engineering Ceramic Development.

6        Mohd.Azrone Sarabatin. (2000). USM Cipta Tulang Seramik. Berita harian, Pendidikan.

7        Van Vlack, H.Lawrence. (1991).Seramik Fizik Untuk Jurutera. Dewan Bahasa dan Pustaka Kementrian Pendidikan Malaysia Kuala Lumpur dan Penerbit Universiti Sains Malaysia Pulau Pinang.

8        Wills, R.R. (1990). Ceramic Engine Valves. Ceramic Materials for Engines.

9        Wan Zaharah Wan Mohamad dan Ismail Ahmad. (1994). Seramik: Penggunaan dan Prospek Masa Hadapan. Isu-isu Semasa Sains dan Teknology. Persatuan Ahli-Ahli sains Malaysia (Malaysia Scientific Association). 14 lorong utara-A, P.O.BOX 48, 46700 Petaling Jaya, Malaysia.

10    Zainal Abidin Ahmad. (1999). Proses Pembuatan Jilid I. Penerbit Universiti Teknologi Malaysia 80990 Skudai. Johor Darul Takzim. Malaysia

IMPLEMENTASI TEKNOLOGI HOT ISOSTATIK PRESSURE (HIP) PADA PROSES SINTERING MATERIAL KERAMIK KOMPOSIT

Abstrak

Bahan komposit keramik memiliki sifat-sifat yang tahan terhadap temperature tinggi, keras dan kuat. Bahan komposit keramik dewasa ini mengalami perkembangan yang begitu pesat. Untuk proses pembentukan bahan keramik tersebut dilakukan dengan proses sintering. Dalam kajian ini proses sintering dilakukan dengan menggunakan metode Hot Isostatic Pressure (HIP) yaitu proses penekanan isostatik panas. Materal yang telah dipadatkan melalui proses press dimasukkan kedalam alat tekan HIP. Kemudian pemanasan dilakukan pada suhu 1800^oC dengan waktu sinter 60 menit. Dalam proses HIP bahan dipanaskan dan kemudian diberikan tekanan ke segala arah dengan menggunakan gas argon. Bahan yang telah disinter kemudian diuji porositas dan nilai kerapatan massa (density). Dari hasil eksperimen diketahui bahwa bahan komposit keramik alumina titanium karbida memiliki nilai density tertinggi sebesar 2,95 g/cm3 dengan porositas sebesar 24,46 % pada tekanan 200 MPa.

Kata kunci: Penekanan isostatic panas, komposit keramik, density, porositas