Pengertian Teknik Keramik

Dipublikasikan oleh Jovita Aurelia Sugihardja

19 April 2024, 09.01

Sumber: pexels.com

Teknik keramik adalah ilmu pengetahuan dan teknologi untuk menciptakan benda-benda dari bahan anorganik non-logam. Hal ini dilakukan dengan aksi panas, atau pada suhu yang lebih rendah menggunakan reaksi pengendapan dari larutan kimia dengan kemurnian tinggi. Istilah ini mencakup pemurnian bahan mentah, studi dan produksi senyawa kimia yang bersangkutan, pembentukannya menjadi komponen dan studi tentang struktur, komposisi, dan sifat-sifatnya.

Bahan keramik dapat memiliki struktur kristal atau sebagian kristal, dengan tatanan jarak jauh pada skala atom. Keramik kaca mungkin memiliki struktur amorf atau seperti kaca, dengan susunan atom yang terbatas atau pendek. Keramik ini terbentuk dari massa cair yang membeku saat didinginkan, dibentuk dan dimatangkan oleh panas, atau disintesis secara kimiawi pada suhu rendah dengan menggunakan, misalnya, sintesis hidrotermal atau sol-gel.

Karakter khusus dari bahan keramik memunculkan banyak aplikasi dalam teknik material, teknik elektro, teknik kimia, dan teknik mesin. Karena keramik tahan panas, keramik dapat digunakan untuk banyak tugas yang tidak dapat dilakukan oleh bahan seperti logam dan polimer. Bahan keramik digunakan dalam berbagai industri, termasuk pertambangan, kedirgantaraan, obat-obatan, kilang, industri makanan dan kimia, ilmu pengemasan, elektronik, listrik industri dan transmisi, dan transmisi gelombang cahaya terpandu.

Sejarah

Kata "keramik" berasal dari kata Yunani κεραμικός(keramikos) yang berarti tembikar. Kata ini terkait dengan akar kata bahasa Indo-Eropa yang lebih tua "membakar." "Keramik" dapat digunakan sebagai kata benda dalam bentuk tunggal untuk merujuk pada bahan keramik atau produk pembuatan keramik, atau sebagai kata sifat. Keramik adalah pembuatan benda-benda dari bahan keramik. Teknik keramik, seperti banyak ilmu pengetahuan lainnya, berevolusi dari disiplin ilmu yang berbeda menurut standar saat ini. Teknik ilmu material dikelompokkan dengan teknik keramik hingga hari ini.

Abraham Darby pertama kali menggunakan kokas pada tahun 1709 di Shropshire, Inggris, untuk meningkatkan hasil proses peleburan. Kokas sekarang digunakan secara luas untuk memproduksi keramik karbida. Pembuat keramik Josiah Wedgwood membuka pabrik keramik modern pertama di Stoke-on-Trent, Inggris, pada tahun 1759. Ahli kimia Austria Carl Josef Bayer, yang bekerja untuk industri tekstil di Rusia, mengembangkan proses untuk memisahkan alumina dari bijih bauksit pada tahun 1888. Proses Bayer masih digunakan untuk memurnikan alumina untuk industri keramik dan aluminium. Kakak beradik Pierre dan Jacques Curie menemukan piezoelektrik dalam garam Rochelle sekitar tahun 1880. Piezoelektrik adalah salah satu sifat utama elektrokeramik.

E.G. Acheson memanaskan campuran kokas dan tanah liat pada tahun 1893, dan menemukan carborundum, atau silikon karbida sintetis. Henri Moissan juga mensintesis SiC dan tungsten karbida dalam tungku busur listriknya di Paris pada waktu yang hampir bersamaan dengan Acheson. Karl Schröter menggunakan sintering fase cair untuk mengikat atau "menyemen" partikel tungsten karbida Moissan dengan kobalt pada tahun 1923 di Jerman. Tepi karbida yang disemen (terikat dengan logam) sangat meningkatkan daya tahan alat pemotong baja yang dikeraskan. W.H. Nernst mengembangkan zirkonia yang distabilkan secara kubik pada tahun 1920-an di Berlin. Bahan ini digunakan sebagai sensor oksigen dalam sistem pembuangan. Keterbatasan utama penggunaan keramik dalam bidang teknik adalah kerapuhan.

Militer

Persyaratan militer Perang Dunia II mendorong perkembangan, yang menciptakan kebutuhan akan bahan berkinerja tinggi dan membantu mempercepat perkembangan ilmu pengetahuan dan teknik keramik. Sepanjang tahun 1960-an dan 1970-an, jenis keramik baru dikembangkan sebagai respons terhadap kemajuan energi atom, elektronik, komunikasi, dan perjalanan luar angkasa. Penemuan superkonduktor keramik pada tahun 1986 telah memacu penelitian yang intens untuk mengembangkan komponen keramik superkonduktor untuk perangkat elektronik, motor listrik, dan peralatan transportasi.

Ada peningkatan kebutuhan di sektor militer akan bahan berkekuatan tinggi dan kuat yang memiliki kemampuan untuk mentransmisikan cahaya di sekitar wilayah spektrum tampak (0,4-0,7 mikrometer) dan inframerah menengah (1-5 mikrometer). Bahan-bahan ini diperlukan untuk aplikasi yang membutuhkan pelindung transparan. Armor transparan adalah bahan atau sistem bahan yang dirancang agar transparan secara optik, namun melindungi dari fragmentasi atau benturan balistik. Persyaratan utama untuk sistem lapis baja transparan adalah tidak hanya mengalahkan ancaman yang ditunjuk tetapi juga memberikan kemampuan multi-hit dengan distorsi yang diminimalkan pada area sekitarnya. Jendela lapis baja transparan juga harus kompatibel dengan peralatan penglihatan malam. Material baru yang lebih tipis, ringan, dan menawarkan kinerja balistik yang lebih baik sedang dicari.

Komponen solid-state semacam itu telah digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi di bidang elektro-optik termasuk: serat optik untuk transmisi gelombang cahaya terpandu, sakelar optik, penguat dan lensa laser, host untuk laser solid-state dan bahan jendela optik untuk laser gas, dan perangkat pencari panas inframerah (IR ) untuk sistem pemandu rudal dan penglihatan malam hari IR.

Industri modern

Sekarang menjadi industri bernilai miliaran dolar per tahun, teknik dan penelitian keramik telah memantapkan dirinya sebagai bidang ilmu pengetahuan yang penting. Aplikasi terus berkembang karena para peneliti mengembangkan jenis keramik baru untuk melayani tujuan yang berbeda.

  • Keramik zirkonium dioksida digunakan dalam pembuatan pisau. Bilah pisau keramik akan tetap tajam lebih lama daripada pisau baja, meskipun lebih rapuh dan dapat patah dengan menjatuhkannya ke permukaan yang keras.

  • Keramik seperti alumina, boron karbida dan silikon karbida telah digunakan dalam rompi antipeluru untuk menangkis tembakan senapan senjata ringan. Pelat semacam itu umumnya dikenal sebagai pelat balistik. Bahan serupa digunakan untuk melindungi kokpit beberapa pesawat militer, karena bobotnya yang ringan.

  • Bagian silikon nitrida digunakan dalam bantalan bola keramik. Kekerasannya yang lebih tinggi berarti bahwa mereka jauh lebih tidak rentan terhadap keausan dan dapat menawarkan masa pakai lebih dari tiga kali lipat. Mereka juga lebih sedikit berubah bentuk di bawah beban yang berarti mereka memiliki lebih sedikit kontak dengan dinding penahan bantalan dan dapat menggelinding lebih cepat. Dalam aplikasi kecepatan sangat tinggi, panas dari gesekan selama penggulungan dapat menyebabkan masalah pada bantalan logam; masalah yang dikurangi dengan penggunaan keramik. Keramik juga lebih tahan terhadap bahan kimia dan dapat digunakan di lingkungan basah di mana bantalan baja akan berkarat. Kelemahan utama dalam menggunakan keramik adalah biaya yang jauh lebih tinggi. Dalam banyak kasus, sifat isolasi listriknya mungkin juga berharga pada bantalan.

  • Pada awal 1980-an, Toyota meneliti produksi mesin keramik adiabatik yang dapat berjalan pada suhu lebih dari 6000 ° F (3300 ° C). Mesin keramik tidak memerlukan sistem pendingin dan karenanya memungkinkan pengurangan berat badan yang besar sehingga efisiensi bahan bakar menjadi lebih baik. Efisiensi bahan bakar mesin juga lebih tinggi pada suhu tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh teorema Carnot. Pada mesin logam konvensional, sebagian besar energi yang dilepaskan dari bahan bakar harus dibuang sebagai limbah panas untuk mencegah peleburan bagian logam. Terlepas dari semua sifat yang diinginkan ini, mesin seperti itu tidak diproduksi karena pembuatan komponen keramik dengan presisi dan daya tahan yang dibutuhkan sulit dilakukan. Ketidaksempurnaan pada keramik dapat menyebabkan keretakan, yang dapat menyebabkan kegagalan peralatan yang berpotensi berbahaya. Mesin semacam itu mungkin dilakukan di laboratorium, tetapi produksi massal tidak mungkin dilakukan dengan teknologi saat ini.

  • Pekerjaan sedang dilakukan dalam mengembangkan komponen keramik untuk mesin turbin gas. Saat ini, bahkan bilah yang terbuat dari paduan logam canggih yang digunakan di bagian panas mesin memerlukan pendinginan dan pembatasan suhu operasi yang cermat. Mesin turbin yang dibuat dengan keramik dapat beroperasi lebih efisien, sehingga memberikan jangkauan dan muatan yang lebih besar bagi pesawat untuk sejumlah bahan bakar.

  • Baru-baru ini, ada kemajuan dalam keramik yang mencakup biokeramik, seperti implan gigi dan tulang sintetis. Hidroksiapatit, komponen mineral alami dari tulang, telah dibuat secara sintetis dari sejumlah sumber biologis dan kimiawi dan dapat dibentuk menjadi bahan keramik. Implan ortopedi yang terbuat dari bahan ini mudah melekat pada tulang dan jaringan lain di dalam tubuh tanpa penolakan atau reaksi inflamasi. Oleh karena itu, bahan ini sangat diminati untuk pengiriman gen dan perancah rekayasa jaringan. Sebagian besar keramik hidroksiapatit sangat berpori dan tidak memiliki kekuatan mekanis dan digunakan untuk melapisi perangkat ortopedi logam untuk membantu membentuk ikatan pada tulang atau sebagai pengisi tulang. Keramik ini juga digunakan sebagai pengisi sekrup plastik ortopedi untuk membantu mengurangi peradangan dan meningkatkan penyerapan bahan plastik ini. Saat ini sedang dilakukan penelitian untuk membuat bahan keramik hidroksiapatit kristal nano yang kuat dan padat untuk perangkat penahan beban ortopedi, menggantikan bahan ortopedi logam dan plastik asing dengan mineral tulang sintetis yang terbentuk secara alami. Pada akhirnya, bahan keramik ini dapat digunakan sebagai pengganti tulang atau dengan penggabungan kolagen protein, tulang sintetis.

  • Bahan keramik yang mengandung aktinida yang tahan lama memiliki banyak aplikasi seperti bahan bakar nuklir untuk membakar Pu berlebih dan sumber iradiasi alfa yang lembam secara kimiawi untuk catu daya kendaraan ruang angkasa tak berawak atau untuk menghasilkan listrik bagi perangkat mikroelektronik. Baik penggunaan maupun pembuangan aktinida radioaktif memerlukan imobilisasi dalam bahan inang yang tahan lama. Radionuklida berumur panjang limbah nuklir seperti aktinida diimobilisasi menggunakan bahan kristal yang tahan lama secara kimiawi berdasarkan keramik polikristalin dan kristal tunggal yang besar.

Kaca-keramik

Bahan kaca-keramik memiliki banyak kesamaan sifat dengan kaca dan keramik. Kaca-keramik memiliki fase amorf dan satu atau lebih fase kristal dan diproduksi dengan apa yang disebut "kristalisasi terkontrol", yang biasanya dihindari dalam pembuatan kaca. Kaca-keramik sering mengandung fase kristal yang terdiri dari 30% [m/m] hingga 90% [m/m] dari komposisinya berdasarkan volume, menghasilkan berbagai bahan dengan sifat termomekanik yang menarik.

Dalam pemrosesan keramik-kaca, kaca cair didinginkan secara bertahap sebelum dipanaskan dan dianil. Dalam perlakuan panas ini, sebagian kaca mengkristal. Dalam banyak kasus, yang disebut 'agen nukleasi' ditambahkan untuk mengatur dan mengontrol proses kristalisasi. Karena biasanya tidak ada pengepresan dan sintering, keramik kaca tidak mengandung fraksi volume porositas yang biasanya ada pada keramik sinter.

Istilah ini terutama mengacu pada campuran lithium dan aluminosilikat yang menghasilkan berbagai bahan dengan sifat termomekanik yang menarik. Yang paling penting secara komersial memiliki perbedaan karena tahan terhadap guncangan termal. Dengan demikian, keramik-kaca menjadi sangat berguna untuk memasak di atas meja. Koefisien ekspansi termal negatif (TEC) dari fase keramik kristal dapat diseimbangkan dengan TEC positif dari fase kaca. Pada titik tertentu (~70% kristal), keramik-kaca memiliki TEC bersih mendekati nol. Jenis keramik-kaca ini menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik dan dapat mempertahankan perubahan suhu yang berulang-ulang dan cepat hingga 1000 ° C.

Langkah-langkah pemrosesan

Proses keramik tradisional umumnya mengikuti urutan ini: Penggilingan → Pencampuran → Pencampuran → Pembentukan → Pengeringan → Pembakaran → Perakitan.

  • Penggilingan adalah proses di mana bahan dikurangi dari ukuran besar ke ukuran yang lebih kecil. Penggilingan dapat melibatkan pemecahan bahan yang disemen (dalam hal ini partikel individu mempertahankan bentuknya) atau penghancuran (yang melibatkan penggilingan partikel itu sendiri ke ukuran yang lebih kecil). Penggilingan umumnya dilakukan dengan cara mekanis, termasuk gesekan (yang merupakan tabrakan partikel-ke-partikel yang menghasilkan pemecahan gumpalan atau geseran partikel), kompresi (yang menerapkan gaya yang menghasilkan rekahan), dan tumbukan (yang menggunakan media penggilingan atau partikel itu sendiri untuk menyebabkan rekahan). Peralatan penggilingan gesekan meliputi wet scrubber (juga disebut planetary mill atau wet attrition mill), yang memiliki dayung di dalam air yang menciptakan pusaran di mana material bertabrakan dan pecah. Pabrik kompresi termasuk jaw crusher, roller crusher dan cone crusher. Pabrik tumbukan termasuk ball mill, yang memiliki media yang menggulingkan dan mematahkan material. Penabrak poros menyebabkan gesekan dan kompresi partikel-ke-partikel.

  • Batching adalah proses penimbangan oksida sesuai resep, dan mempersiapkannya untuk pencampuran dan pengeringan.

  • Pencampuran terjadi setelah batching dan dilakukan dengan berbagai mesin, seperti mixer pita pencampur kering (sejenis mixer semen), mixer Mueller, dan pabrik pesek. Pencampuran basah umumnya melibatkan peralatan yang sama.

  • Pembentukan adalah membuat bahan campuran menjadi bentuk-bentuk tertentu, mulai dari mangkuk toilet hingga isolator busi. Pembentukan dapat melibatkan: (1) Ekstrusi, seperti mengekstrusi "siput" untuk membuat batu bata, (2) Pengepresan untuk membuat bagian yang berbentuk, (3) Pengecoran slip, seperti dalam membuat mangkuk toilet, wastafel dan ornamen seperti patung keramik. Pembentukan menghasilkan bagian "hijau", siap untuk dikeringkan. Bagian hijau bersifat lunak, lentur, dan lama kelamaan akan kehilangan bentuk. Penanganan produk hijau akan mengubah bentuknya. Misalnya, batu bata hijau dapat "diremas", dan setelah diremas akan tetap seperti itu.

  • Pengeringan adalah menghilangkan air atau pengikat dari bahan yang terbentuk. Pengeringan semprot banyak digunakan untuk menyiapkan bubuk untuk operasi pengepresan. Pengering lainnya adalah pengering terowongan dan pengering berkala. Panas yang terkendali diterapkan dalam proses dua tahap ini. Pertama, panas menghilangkan air. Langkah ini membutuhkan kontrol yang cermat, karena pemanasan yang cepat menyebabkan keretakan dan cacat permukaan. Bagian yang dikeringkan lebih kecil daripada bagian hijau, dan rapuh, sehingga perlu penanganan yang hati-hati, karena benturan kecil akan menyebabkan keretakan dan patah.

  • Sintering adalah di mana bagian yang dikeringkan melewati proses pemanasan terkontrol, dan oksida diubah secara kimiawi untuk menyebabkan ikatan dan pemadatan. Bagian yang dibakar akan lebih kecil daripada bagian yang dikeringkan.

Metode pembentukan

Teknik pembentukan keramik meliputi pelemparan, slipcasting, pengecoran pita, pengecoran beku, pencetakan injeksi, pengepresan kering, pengepresan isostatik, pengepresan isostatik panas (HIP), pencetakan 3D, dan lain-lain. Metode untuk membentuk serbuk keramik menjadi bentuk yang rumit, sangat diinginkan dalam banyak bidang teknologi. Metode seperti itu diperlukan untuk memproduksi komponen struktural bersuhu tinggi yang canggih seperti komponen mesin panas dan turbin. Bahan selain keramik yang digunakan dalam proses ini dapat mencakup: kayu, logam, air, plester, dan epoksi-sebagian besar akan dihilangkan setelah pembakaran. Epoksi yang diisi keramik, seperti Martyte, kadang-kadang digunakan untuk melindungi baja struktural dalam kondisi pelampiasan knalpot roket.

Teknik-teknik pembentukan ini terkenal karena menyediakan alat dan komponen lain dengan stabilitas dimensi, kualitas permukaan, kepadatan yang tinggi (mendekati teoritis) dan keseragaman mikrostruktur. Meningkatnya penggunaan dan keragaman bentuk khusus keramik menambah keragaman teknologi proses yang akan digunakan.

Dengan demikian, serat penguat dan filamen terutama dibuat dengan proses polimer, sol-gel, atau CVD, tetapi proses peleburan juga dapat diterapkan. Bentuk khusus yang paling banyak digunakan adalah struktur berlapis, dengan pengecoran pita untuk substrat dan paket elektronik yang menjadi unggulan. Foto-litografi semakin diminati untuk pemolaan konduktor dan komponen lain yang tepat untuk kemasan tersebut. Proses pengecoran atau pembentukan pita juga semakin diminati untuk aplikasi lain, mulai dari struktur terbuka seperti sel bahan bakar hingga komposit keramik.

Struktur lapisan utama lainnya adalah pelapisan, di mana penyemprotan lelehan sangat penting, tetapi deposisi uap kimia dan fisik serta metode kimia (misalnya, sol-gel dan pirolisis polimer) semuanya mengalami peningkatan penggunaan. Selain struktur terbuka dari pita yang dibentuk, struktur yang diekstrusi, seperti penyangga katalis sarang lebah, dan struktur yang sangat berpori, termasuk berbagai busa, misalnya, busa retikulasi, semakin banyak digunakan.

Densifikasi benda serbuk yang terkonsolidasi terus dicapai terutama dengan sintering (tanpa tekanan). Namun, penggunaan sintering tekanan dengan pengepresan panas semakin meningkat, terutama untuk non-oksida dan bagian dari bentuk sederhana di mana kualitas yang lebih tinggi (terutama homogenitas mikrostruktur) diperlukan, dan ukuran yang lebih besar atau beberapa bagian per pengepresan dapat menjadi keuntungan.

Proses sintering

Prinsip-prinsip metode berbasis sintering adalah sederhana ("sinter" berakar dari bahasa Inggris "cinder"). Penembakan dilakukan pada suhu di bawah titik leleh keramik. Setelah benda yang disatukan secara kasar yang disebut "green body" dibuat, benda tersebut dibakar dalam tungku pembakaran, di mana proses difusi atom dan molekuler memunculkan perubahan signifikan pada fitur mikrostruktur utama. Hal ini mencakup penghapusan porositas secara bertahap, yang biasanya disertai dengan penyusutan bersih dan pemadatan komponen secara keseluruhan. Dengan demikian, pori-pori pada benda dapat menutup, menghasilkan produk yang lebih padat dengan kekuatan dan ketangguhan patah yang jauh lebih besar.

Perubahan besar lainnya dalam tubuh selama proses pembakaran atau sintering adalah pembentukan sifat polikristalin dari padatan. Pertumbuhan butiran yang signifikan cenderung terjadi selama sintering, dengan pertumbuhan ini tergantung pada suhu dan durasi proses sintering. Pertumbuhan butiran akan menghasilkan beberapa bentuk distribusi ukuran butiran, yang akan berdampak signifikan pada sifat fisik akhir material. Secara khusus, pertumbuhan butiran yang tidak normal di mana butiran tertentu tumbuh sangat besar dalam matriks butiran yang lebih halus akan secara signifikan mengubah sifat fisik dan mekanik keramik yang diperoleh. Dalam benda yang disinter, ukuran butiran adalah produk dari parameter pemrosesan termal serta ukuran partikel awal, atau mungkin ukuran agregat atau kelompok partikel yang muncul selama tahap awal pemrosesan.

Struktur mikro akhir (dan dengan demikian sifat fisik) dari produk akhir akan dibatasi oleh dan tunduk pada bentuk templat struktural atau prekursor yang dibuat pada tahap awal sintesis kimia dan pembentukan fisik. Oleh karena itu, pentingnya bubuk kimia dan pemrosesan polimer yang berkaitan dengan sintesis keramik industri, gelas, dan keramik kaca.

Ada banyak kemungkinan penyempurnaan proses sintering. Beberapa yang paling umum adalah dengan menekan green body untuk memulai densifikasi dan mengurangi waktu sintering yang dibutuhkan. Kadang-kadang pengikat organik seperti polivinil alkohol ditambahkan untuk menyatukan badan hijau; ini terbakar selama pembakaran (pada 200-350 ° C). Kadang-kadang pelumas organik ditambahkan selama pengepresan untuk meningkatkan densifikasi. Hal yang umum dilakukan adalah menggabungkannya, dan menambahkan pengikat dan pelumas ke dalam bubuk, kemudian menekannya. (Formulasi aditif kimia organik ini merupakan seni tersendiri. Hal ini sangat penting dalam pembuatan keramik berkinerja tinggi seperti yang digunakan oleh miliaran orang untuk elektronik, kapasitor, induktor, sensor, dll.)

Bubur dapat digunakan sebagai pengganti bubuk, dan kemudian dicetak menjadi bentuk yang diinginkan, dikeringkan dan kemudian disinter. Memang, tembikar tradisional dibuat dengan metode jenis ini, menggunakan campuran plastik yang dikerjakan dengan tangan. Jika campuran bahan yang berbeda digunakan bersama-sama dalam keramik, suhu sintering terkadang di atas titik leleh satu komponen kecil - sintering fase cair. Hal ini menghasilkan waktu sintering yang lebih pendek dibandingkan dengan sintering solid state. Sintering fase cair seperti itu melibatkan proses difusi yang lebih cepat dan dapat menyebabkan pertumbuhan butiran yang tidak normal.

Kekuatan keramik

Kekuatan suatu material bergantung pada struktur mikronya. Proses rekayasa yang dilakukan pada suatu material dapat mengubah struktur mikronya. Berbagai mekanisme penguatan yang mengubah kekuatan material termasuk mekanisme penguatan batas butir. Jadi, meskipun kekuatan luluh dimaksimalkan dengan mengecilnya ukuran butiran, pada akhirnya, ukuran butiran yang sangat kecil membuat material menjadi rapuh. Dipertimbangkan bersamaan dengan fakta bahwa kekuatan luluh adalah parameter yang memprediksi deformasi plastis pada material, seseorang dapat membuat keputusan yang tepat tentang cara meningkatkan kekuatan material tergantung pada sifat mikrostrukturnya dan efek akhir yang diinginkan.

Hubungan antara tegangan luluh dan ukuran butir digambarkan secara matematis dengan persamaan Hall-Petch yaitu

di mana ky adalah koefisien penguatan (konstanta yang unik untuk setiap material), σo adalah konstanta material untuk tegangan awal untuk gerakan dislokasi (atau resistensi kisi terhadap gerakan dislokasi), d adalah diameter butiran, dan σy adalah tegangan luluh.

Secara teoritis, suatu bahan dapat dibuat sangat kuat jika butirannya dibuat sangat kecil. Sayangnya, hal ini tidak mungkin dilakukan karena batas bawah ukuran butiran adalah satu sel satuan material. Meskipun demikian, jika butiran suatu bahan berukuran satu sel satuan, maka bahan tersebut sebenarnya adalah amorf, bukan kristal, karena tidak ada tatanan jarak jauh, dan dislokasi tidak dapat didefinisikan dalam bahan amorf. Telah diamati secara eksperimental bahwa struktur mikro dengan kekuatan luluh tertinggi adalah ukuran butir sekitar 10 nanometer, karena butir yang lebih kecil dari ini mengalami mekanisme luluh yang lain, yaitu pergeseran batas butir. Memproduksi material teknik dengan ukuran butir ideal ini sulit dilakukan karena keterbatasan ukuran partikel awal yang melekat pada material nano dan teknologi nano.

Model Faber-Evans

Model Faber-Evans, yang dikembangkan oleh Katherine Faber dan Anthony G. Evans, dikembangkan untuk memprediksi peningkatan ketangguhan retak pada keramik akibat defleksi retak di sekitar partikel fase kedua yang rentan terhadap retakan mikro pada suatu matriks. Model ini mempertimbangkan morfologi partikel, rasio aspek, jarak, dan fraksi volume fase kedua, serta pengurangan intensitas tegangan lokal pada ujung retak saat retak dibelokkan atau bidang retak melengkung. Tortuositas retak aktual diperoleh melalui teknik pencitraan, yang memungkinkan input langsung dari sudut defleksi dan pembengkokan ke dalam model.

Model ini menghitung laju pelepasan energi regangan rata-rata dan membandingkan peningkatan ketangguhan retak yang dihasilkan dengan retak datar melalui matriks polos. Besarnya ketangguhan ditentukan oleh regangan ketidaksesuaian yang disebabkan oleh ketidaksesuaian kontraksi termal dan ketahanan mikrofraktur antarmuka partikel/matriks. Ketangguhan menjadi nyata dengan distribusi ukuran yang sempit dari partikel berukuran tepat, dan para peneliti biasanya menerima bahwa efek defleksi pada material dengan butiran yang kurang lebih sama dapat meningkatkan ketangguhan patah sekitar dua kali lipat dari nilai batas butir.

Model ini mengungkapkan bahwa peningkatan ketangguhan bergantung pada bentuk partikel dan fraksi volume fase kedua, dengan morfologi yang paling efektif adalah batang dengan rasio aspek tinggi, yang dapat menyumbang empat kali lipat peningkatan ketangguhan patah. Ketangguhan muncul terutama dari puntiran bagian depan retakan di antara partikel, seperti yang ditunjukkan oleh profil defleksi. Partikel dan bola berbentuk cakram kurang efektif dalam ketangguhan. Ketangguhan retak, terlepas dari morfologinya, ditentukan oleh puntiran bagian depan retak pada konfigurasi yang paling parah, daripada kemiringan awal bagian depan retak. Hanya untuk partikel berbentuk cakram, kemiringan awal bagian depan retak memberikan ketangguhan yang signifikan; namun, komponen puntiran masih mengesampingkan ketangguhan yang berasal dari kemiringan.

Fitur penting tambahan dari analisis defleksi termasuk munculnya asymptotic toughening untuk ketiga morfologi pada fraksi volume lebih dari 0,2. Juga dicatat bahwa pengaruh yang signifikan pada ketangguhan oleh partikel bola diberikan oleh distribusi jarak antar partikel; ketangguhan yang lebih besar diberikan ketika bola hampir bersentuhan sehingga sudut puntir mendekati π/2. Prediksi ini memberikan dasar untuk desain material keramik dua fase dengan ketangguhan tinggi.

Fase kedua yang ideal, selain mempertahankan kompatibilitas kimiawi, harus ada dalam jumlah 10 hingga 20 persen volume. Jumlah yang lebih besar dapat mengurangi peningkatan ketangguhan karena partikel yang tumpang tindih. Partikel dengan rasio aspek yang tinggi, terutama yang memiliki morfologi berbentuk batang, paling cocok untuk ketangguhan maksimum. Model ini sering digunakan untuk menentukan faktor-faktor yang berkontribusi terhadap peningkatan ketangguhan patah pada keramik yang pada akhirnya berguna dalam pengembangan material keramik canggih dengan kinerja yang lebih baik.

Teori pemrosesan kimia

Keseragaman mikrostruktur

Dalam pemrosesan keramik halus, ukuran dan bentuk partikel yang tidak beraturan dalam bubuk yang khas seringkali menyebabkan morfologi pengepakan yang tidak seragam yang menghasilkan variasi kepadatan pengepakan dalam bubuk kompak. Aglomerasi serbuk yang tidak terkendali karena gaya van der Waals yang menarik juga dapat menimbulkan ketidakhomogenan mikrostruktur.

Tekanan diferensial yang berkembang sebagai akibat dari penyusutan pengeringan yang tidak seragam secara langsung berkaitan dengan laju penghilangan pelarut, dan dengan demikian sangat bergantung pada distribusi porositas. Tegangan tersebut telah dikaitkan dengan transisi plastis ke getas pada benda yang terkonsolidasi, dan dapat menyebabkan perambatan retak pada benda yang tidak dibakar jika tidak dihilangkan.

Selain itu, setiap fluktuasi dalam kepadatan kemasan dalam kemasan saat disiapkan untuk kiln sering diperkuat selama proses sintering, menghasilkan densifikasi yang tidak homogen. Beberapa pori-pori dan cacat struktural lainnya yang terkait dengan variasi kepadatan telah terbukti memainkan peran yang merugikan dalam proses sintering dengan tumbuh dan dengan demikian membatasi kepadatan titik akhir. Tekanan diferensial yang timbul dari densifikasi yang tidak homogen juga telah terbukti menghasilkan perambatan retakan internal, sehingga menjadi kelemahan pengontrol kekuatan.

Oleh karena itu, akan lebih baik untuk memproses material sedemikian rupa sehingga secara fisik seragam dalam hal distribusi komponen dan porositas, daripada menggunakan distribusi ukuran partikel yang akan memaksimalkan densitas hijau. Penahanan kumpulan partikel yang terdispersi secara seragam dari partikel yang berinteraksi kuat dalam suspensi membutuhkan kontrol total atas interaksi partikel-partikel. Koloid monodisperse memberikan potensi ini.

Serbuk monodisperse dari silika koloid, misalnya, dapat distabilkan secara memadai untuk memastikan tingkat keteraturan yang tinggi dalam kristal koloid atau padatan koloid polikristalin yang dihasilkan dari agregasi. Tingkat keteraturan tampaknya dibatasi oleh waktu dan ruang yang memungkinkan untuk membangun korelasi jarak jauh.

Struktur koloid polikristalin yang rusak seperti itu tampaknya akan menjadi elemen dasar dari ilmu material koloid sub-mikrometer, dan oleh karena itu, memberikan langkah pertama dalam mengembangkan pemahaman yang lebih ketat tentang mekanisme yang terlibat dalam evolusi mikrostruktur dalam sistem anorganik seperti keramik polikristalin.

Perakitan sendiri

Perakitan sendiri adalah istilah yang paling umum digunakan dalam komunitas ilmiah modern untuk menggambarkan agregasi spontan partikel (atom, molekul, koloid, misel, dll.) Tanpa pengaruh kekuatan eksternal apa pun. Kelompok besar partikel semacam itu diketahui merakit diri mereka sendiri menjadi susunan yang stabil secara termodinamika dan terdefinisi dengan baik secara struktural, cukup mengingatkan pada salah satu dari 7 sistem kristal yang ditemukan dalam metalurgi dan mineralogi (mis. kubik berpusat pada wajah, kubik berpusat pada tubuh, dll.). Perbedaan mendasar dalam struktur kesetimbangan adalah dalam skala spasial sel satuan (atau parameter kisi) pada setiap kasus tertentu.

Dengan demikian, perakitan mandiri muncul sebagai strategi baru dalam sintesis kimia dan nanoteknologi. Perakitan mandiri molekuler telah diamati dalam berbagai sistem biologis dan mendasari pembentukan berbagai macam struktur biologis yang kompleks. Kristal molekuler, kristal cair, koloid, misel, emulsi, polimer yang dipisahkan fasa, film tipis, dan monolayer yang dirakit sendiri, semuanya merupakan contoh jenis struktur yang sangat teratur yang diperoleh dengan menggunakan teknik ini. Ciri khas dari metode ini adalah pengorganisasian sendiri tanpa adanya kekuatan eksternal.

Selain itu, karakteristik mekanik utama dan struktur keramik biologis, komposit polimer, elastomer, dan bahan seluler sedang dievaluasi ulang, dengan penekanan pada bahan dan struktur yang terinspirasi oleh biologi. Pendekatan tradisional berfokus pada metode desain bahan biologis menggunakan bahan sintetis konvensional. Ini termasuk kelas baru biomaterial yang unggul secara mekanis berdasarkan fitur dan desain mikrostruktur yang ditemukan di alam. Cakrawala baru telah diidentifikasi dalam sintesis bahan yang terinspirasi dari bahan hayati melalui proses yang merupakan karakteristik sistem biologis di alam. Hal ini mencakup perakitan mandiri komponen dalam skala nano dan pengembangan struktur hirarkis.

Disadur dari: en.wikipedia.org