Resume materi material Keramik (ceramic)

1. 3. Keramik
Keramik merupakan material teknik yang terbuat dari
persenyawaan metal (Al, Mg, Zr dll) dan non-metal (C,
O, F, N dll).
Ada dua klasifikasi keramik: keramik tradisional dan
keramik teknik. Keramik tradisional biasanya terbuat dari
tanah liat yang berupa kaolin, porselin, kaca, gerabah
untuk perabotan dapur, hiasan dll. Sedangkan keramik
teknik sengaja dibuat dari unsur-unsur metal dan non
metal seperti SiC, Al2O3, ZrO2 dan lain-lain untuk
penggunaan di bidang elektronik, aerospace, komputer,
komunikasi.

2. Keramik tradisional
ZrO2
Keramik teknik

3. Struktur keramik
•Struktur kristal keramik
Ikatan yang terjadi di dalam keramik adalah pada umumnya ikatan ionik
tetapi ada juga ikatan kovalen. Di dalam ikatan ionik, ada yang disebut ion
positif (kation) dan ion negatif (anion). Contoh CaF2, dimana sebagai kation
adalah Ca2+ dan sebagai anion adalah F-. Tabel 3.1 menunjukkan senyawa
keramik dengan persentasi ikatan ionik. Agar struktur kristal stabil, kation dan
anion harus saling kontak seperti terlihat di Gb. 3.1
Gb 3.1 Konfigurasi kation-anion yang
stabil dan tidak stabil
Stabil
Stabil Tidak Stabil
Tabel 3.1 Persentasi ikatan ionik dalam
beberapa senyawa keramik
Prosentasi ionik

5. Jenis-jenis struktur kristal keramik
• Struktur kristal jenis AX
Struktur kristal jenis AX mempunyai jumlah kation dan anion yang sama.
Sebagai contoh NaCl, CsCl, ZnS
NaCl mempunyai ikatan ion
dan struktur kristal face
centred cubic (FCC) (lihat
Gb. 3.2a). Bilangan
koordinasi 6. Senyawa yang
mempunyai struktur sama
dengan NaCl adalah MgO,
MnS, LiF dan FeO.
Gb. 3.2 Stuktur kristal (a) garam dapur, (b) CsCl, (c) ZnS
1
2
3
4
5
6

6. CsCl mempunyai struktur kubik
sederhana dan bilangan
koordinasi 8.
ZnS (zinc blende) mempunyai
struktur FCC dan bilangan
koordinasi 4. senyawa lain yang
mempunyai struktur sama
dengan ZnS adalah SiC
(b)
(c)

7. Struktur kristal jenis AmXp
Struktur kristal jenis ini p tidak boleh sama dengan 1. Contoh CaF2, ZrO2,
UO2, PuO2, ThO2.
Struktur CaF2 seperti terlihat di Gb 3.3.
Bilangan koordinasi 8 dengan
perbandingan jari-jari kation/anion
=0.8. Sel satuan CaF2 mirip dengan
CsCl.
Gb. 3.3 Struktur kristal CaF2

8. Struktur kristal jenis AmBnXp
• Struktur kristal keramik bisa berbentuk AmBnXp dengan A dan B
adalah kation (ion positif). Contoh BaTiO3 (perovskite), dimana Ba2+
dan Ti4+ adalah kation. Struktur kristalnya berupa kubik (lihat Gb.
3.4).
Gb. 3.4 Struktur kristal BaTiO3

9. Tabel 3.1

10. Keramik silikat
Silikat tersusun oleh Si dan O. Si dan O lebih berikatan secara kovalen
daripada ionik. Struktur dasar silikat (SiO4
4-)adalah tetrahedron (lihat Gb.
3.5). Karena ada 4 muatan (muatan negatif) lebih dalam silikat, sehingga
perlu berikatan dengan unsur lain untuk mencapai stabil (konfigurasi
elektron stabil). Akibatnya ada beberapa cara silikat untuk berikatan dengan
unsur lain baik 1D, 2D dan 3D sehingga ada banyak jenis persenyawan
silikat.
Gb. 3.5 Struktur dasar silikat, tetrahedron

11. Silica
• Senyawa silikat yang paling sederhana adalah silica (SiO2). Silika
mempunyai struktur tetrahedron. Ada bentuk-bentuk lain dari silica
(polimorfi) seperti; quartz, cristobalite, tridymite
Gb. 3.6 Struktur cristobalite

12. Kaca silica
• Kaca silika mempunyai bentuk yang amorf (tak berbentuk), dimana struktur
kristal hanya sedikit lainnya tak teratur. Kaca silika merupakan
persenyawaan silica dengan ion natrium (Na+). Penambahan natrium
menurunkan titik leleh dan kekentalan kaca.
Gb. 3.7 Struktur
tak berbentuk
kaca

13. Mineral silikat lain
Gb. 3.8
Berbagai
struktur
mineral
silikat

14. Silikat berlapis (clay (tanah liat))
Gb. 3.9 (a) Struktur dasar Si2O5, (b) Struktur Kaolin (Al2(Si2O5)(OH)4
(a) (b)

15. Carbon
Carbon sebenarnya tidak diklasifikan ke dalam keramik, metal tetpai grafit
dimasukan ke dalam keramik. Banyak polimorfi karbon; grafit, intan,
fullerene, carbon nanotube, graphene.
a. Intan (Diamond)
Struktur intan mirip dengan struktur ZnS, dimana setiap carbon berikatan
dengan empat karbon tetangganya (Gb. 3.10a). Intan merupakan material
paling keras (sejauh diketahui), mempunyai konduktivitas listrik rendah
tetapi mempunyai konduktivitas termal yang tinggi. Intan transparan di
cahaya dan inframerah. Di samping sebagai perhiasan, intan digunakan
secara luas sebagai alat potong.
(a) (b)
Gb. 3.10
(a)
Struktur
intan, (b)
Scanning
electron
micrograp
h intan
tipis

16. b. Grafit
• Polimori karbon yang lain
adalah grafit. Grafit tersusun
dari struktur karbon
heksagonal berlapis (Gb
3.11). Tiap lapisan
mempunyai ikatan van der
Waals yang lemah. Grafit
mempunyai konduktivitas
listrik dan termal yang baik,
tahan thermal shock,
koefisien ekspansi thermal
rendah. Penggunaan grafit
untuk lubrikasi, elektrode
baterai, elektrode
pengelasan, wadah bahan
bakar nuklir, bahan refraktori,
kontak listrik, bahan untuk
penjernihan air dan bahan
kimia lain.
Gb. 3.11 Struktur grafit

17. c.Fullerene
• Fullerene ditemukan
pada tahun 1985. Satu
molekul fullerene
mempunyai 60 carbon,
sehingga rumus kimia
fullerene C60. Karbon-
karbon tersusun dalam
heksagon (20 buah)
dan pentagon (12
buah).
Gb. 3.12 Fullerene (buckyball)

18. d. Carbon nanotube
• Carbon nanotube mempunyai silinder yang
terdiri dari jutaan carbon. Diameter tube sekitar
100 nm dan panjang bisa mencapai ratusan kali
diameter. Kekuatan tarik 50-200 GPa, dengan
modulus elastis 1000 GPa (1TPa). Carbon
nanotube potensial untuk dijadikan penguat
komposit.
100 nm
Gb. 3.13 Carbon nanotube

19. Cacat dalam keramik
• Cacat atom
Gb. 3.14 Cacat atomik berupa kekosongan (vacancy) cation dan
anion dan cacat interstisial

20. Gb. 3.15 Cacat pasangan frenkel dan schottky pada keramik.
Cacat Frenkel terjadi karena sebuah atom pindah ke tetangga
dan yang ditinggalkan kosong. Sedang cacat Schottky ada
sepasang kekosongan cation dan anion.

21. Cacat non stoichiometry
Gb. 3.16 Cacat karena adanya ion beda muatan dalam
keramik dalam hal ini Fe2+ diganti Fe3+ dalam senyawa FeO.
Dua ion Fe3+ mengganti dua ion Fe2+ , sehingga untuk tetap
menjaga netralitas muatan 1 ion Fe2+ kosong

22. Ketidakmurnian keramik
Gb 3.17 Cacat
ketidakmurnian
dalam keramik. Ada
atom-atom lain
yang mempunyai
muatan sama dan
jari-jari atom yang
hampir sama
masuk ke atom
induk membentuk
larutan padat.
Ketidakmurnian
bisa dalam bentuk
intersitisi dan juga
substitusi.

23. Sifat mekanik keramik
Gb. 3.18 Mekanisme patah getas dalam
keramik akibat pembebanan yang
berbeda. Retak merambat dari pusat
dan menjalar. Untuk beban impak
berupa pusat titik dan retak merambat
ke segala arah sembarang. Sedang
untuk beban yang lain (bending, torsi,
dan tekanan internal, sumber cacat
berupa garis dan kemudian merambat
mengikuti pola percabangan.

24. Kekuatan bending keramik

25. Tabel 3.2

26. Stress-strain keramik
Keramik merupakan
material brittle (getas)
sehingga tidak ada
deformasi plastis yang
teramati. Kurva
tegangan-regangan
hanya terdiri dari
daerah elastis (lihat Gb.
3.19
Gb 3.19 Tipikal kurva tegangan-
regangan pad keramik

27. Kekerasan keramik
Tabel 3.3

28. Jenis dan aplikasi keramik
Gb 3.20 Jenis dan aplikasi keramik

29. Kaca (Glasses)
• Penyusun utama kaca adalah SiO2 (70%) dan lainnya: Na2O, K2O,
CaO, Al2O3.
• Beberapa aplikasi dari kaca: tabung/botol kaca, lembaran kaca,
lensa dan fiberglass.
Keramik kaca
• Kaca merupakan senyawa silikat dengan unsur logam dan tidak
mempunyai struktur kristal. Namun dari tidak mempunyai struktur
kristal, kaca dapat dibuat mempunyai struktur kristal dengan
menambah senyawa agen pengintian seperti TiO2. Inilah yang
disebut keramik-kaca.
• Aplikasi dari keramik-kaca adalah untuk jendela kaca oven,
ovenware, tableware, karena mempunyai kekuatan yang relatif
tinggi dan tahan terhadap kejutan termal (thermal shock).

30. Tabel 3.4

31. Diagram transformasi pendinginan kontinyu
untuk kaca
Awal kristalisasi
Akhir kristalisasi
Non kristalin
Kristalin
Critical cooling rate
adalah batas laju
pendinginan agar
terjadi transformasi
dari non kristal
menjadi kristal.
Gb. 3.21 Diagram CCT untuk kaca

32. Produk tanah liat
• Tanah liat bersifat plastis dan mudah
dibentuk.
• Produk tanah liat bervariasi mulai dari
produk struktural seperti: bata, tile (tegel),
perpipaan untuk pembuangan limbah.
Sedang produk lain adalah whiteware
seperti; porselen, tableware, kerajinan
keramik (pottery), barang sanitasi, dll.

33. Refraktori (batu tahan api)
• Material keramik ini tahan pada suhu tinggi, tidak mengalami leleh
dan peruraian sampai suhu tertentu.
• Material ini berfungsi sebagai isolator panas pada tungku
pembakaran/peleburan, isolator pada oven metalurgi, pembangkitan
panas.
• Ada beberapa jenis batu tahan api seperti; refraktori fireclay,
refraktori silica, refraktori dasar, refraktori khusus (lihat Tabel 3.5).
• Refraktori fireclay tersusun dari 25-45% alumina dan tahan sampai
suhu 1587oC. Material ini berguna untuk pembuatan tungku
pembakaran.
• Refraktori silica tersusun dari SiO2 sebagai komponen utama
(96%). Tambahan alumina menurunkan titik leleh material ini
sehingga kandungan alumina dibatasi maksimum 1%. Kegunaan
material ini untuk pembuatan tungku pembuatan kaca.
• Refraktori dasar tersusun dari MgO (90%) sebagai komponen
utamanya. Material ini untuk pembuatan tungku peleburan baja.

34. Tabel 3.5

35. Material abrasif
Material abrasif harus mempunyai kekerasan yang tinggi
dan juga tahan aus di samping ketangguhan yang relatif
tinggi.
Material keramik untuk bahan abrasif adalah intan (tetapi
mahal), tungsten carbida (WC), aluminium oksida (Al2O3)
dan SiC.
Semen
Semen juga termasuk material keramik. Komposisi utama
terdiri dari silikat dan kalsium. Campuran tanah liat
(SiO2) dan kalsium karbonat (CaCO3) dipanaskan pada
suhu 1400oC dalam sebuah kiln dan disebut proses
kalsinasi. Hasil kalsinasi dilembutkan dan ditambahkan
gipsum (CaSO4. 2H2O). Hasilnya adalah bahan dasar
semen portland. Semen dapat bereaksi dengan air pada
suhu kamar dan reaksinya disebut reaksi hidrasi.
2CaO-SiO2 + xH2O = 2CaO-SiO2-xH2O

36. Keramik maju
Microelectromechanical systems (MEMS)
MEMS merupakan sistem pandai yang terdiri dari microsensor dan microactuator.
Microsensor mengukur informasi lingkungan (mekanik, thermal, kimia, optik) system yang
kemudian direspons oleh microactuator seperti pemosisian, pemompaan, pengaturan dll.
Ukuran komponen MEMS dari 1-100 micron sedangkan ukuran MEMS 20 micron-1 mm.
500 micron
Aplikasi MEMS pada suhu tinggi dan
lingkungan ekstrim memerlukan
material yang dapat memenuhi
kulaifikasi tersebut. Keramik dari TiN,
SiC-Si3N4.
MEMS banyak digunakan di bidang
bioteknologi (identifikasi DNA),
kedokteran (sensor tekanan),
komunikasi (rangkaian RF dan
microwave), sensor inersia (sistem
keselamatan dengan balon udara).
Gb. 3.22 MEMS

37. Fiber optik
Fiber optik dapat menyalurkan
cahaya dengan baik, dengan
penyerapan yang rendah.
Dengan sifat tersebut fiber optik
dapat digunakan untuk
menyalurkan data (internet
connetion, telepon dll) dalam
jangkauan yang lebih panjang
dibanding dengan kabel,
sehingga mengurangi stasiun
pengulang (repeater).
Fiber optik terbuat dari silica (SiO2)
yang hampir murni.

38. Fabrikasi dan pemrosesan keramik
Teknik fabrikasi keramik
Proses pembentukan
kaca
Proses pembentukan
parikel
Sementasi
Gb. 3.23 Fabrikasi dan pembentukan
keramik

39. Pembentukan dan prosesing kaca
• Dalam pembentukan kaca, sifat-
sifat kaca terhadap suhu harus
diketahui. Kekentalan kaca non-
kristal dan kristal menurun ketika
dipanaskan dan meningkat ketika
didinginkan, namun ada perbedaan
mendasar antara kaca non-kristal
dengan kaca kristal yaitu volume
jenisnya. Volume jenis kaca non-
kristalin turun tajam sampai suhu
transisi kaca (Tg) dan
penurunannya berkurang dibawah
suhu Tg atas pendinginan, tetapi
untuk kaca kristalin ada penurunan
yang tajam pada suhu lelehnya
Tm) (lihat Gb. 3.24). Sifat tersebut
mempengaruhi prosesing kaca.
Gb.3.24 Hubungan volume
jenis dan suhu kaca non
kristal dan kristal

40. • Melting point= suhu
leleh,dimana viskositas
10 Pa-s(100 P)
• Working point= suhu
daerah pengerjaan,
viskositas 10000 P.
Kaca mudah
dideformasi.
• Softening point= suhu
pelunakan, viskositas 4
x 107 P. Kaca dipegang
tanpa mengalami
perubahan dimensi.
• Annealing point= suhu
anil, viskositas 1013 P,
tegangan sisa
dihilangkan.
• Strain point= suhu
dimana viskositas 3 x
1014 P. Pada suhu di
bawah titik ini, patah
akan terjadi sebelum
onset deformasi plastis.
Daerah pengerjaan kaca

41. Pembentukan kaca
Teknik tekan dan
tiup
Teknik ini merupakan
campuran antara mekanik
dan tiupan dengan udara
untuk menghasilkan produk

42. Annealing
• Laju pendinginan
kaca yang cepet
menghasilkan
tegangan sisa di
dalam kaca yang
dapat
menyebabkan retak
dan patah. Untuk
menghilangkan
tegangan ini kaca
dipanaskan dan
kemudian
didinginkan pada
laju yang lambat.
Proses ini disebut
annealing.

43. Tempering kaca
• Kekuatan kaca dapat ditingkatkan
dengan proses perlakuan panas
tempering. Kaca dipanaskan
sampai suhu diatas suhu transisi
kaca kemudin didiinginkan dan
bagian luar disemprot dengan air
atau oli. Hal ini mengakibatkan
perbedaan laju pendinginan
antara bagian luar dan bagian
dalam. Baguan luar dingin lebih
cepat dari pada bagian dalam,
sehingga timbul tegangan tekan
dibagian luar sedang bagian
dalam timbul tegangan tarik (lihat
Gb 3.25). Tegangan sisa tekan di
permukaan dapat meningkatkan
kekuatan kaca.
Gb. 3.25 Tegangan sisa dalam
kaca hasil temper

44. Fabrikasi dan pembentukan produk
tanah liat
• Karakteristik dari tanah liat adalah ketika ditambahkan
air, tanah liat menjadi sangat plastis yang disebut
hidroplastisitas. Ketika dibakar pada suhu tinggi, tanah
liat bisa melebur atau meleleh dan menjadi padat dan
kuat.
• Tanah liat merupakan senyawa aluminosilikat
(Al2O3.SiO2.xH2O)yang mengandung air dalam
ikatannya. Contoh: Kaolin (Al2(Si2O5)(OH)4) yang
mempunyai struktur berlapis.
• Komposisi tanah liat seperti porselen mengandung tanah
liat (50%), quartz (25%) dan feldspar (25%). Feldspar
merupakan senyawa aluminosilikat yang mengandung
ion-ion Ca2+, Na+, K+. Penambahan feldspar
menurunkan titik leleh tanah liat.

45. Teknik fabrikasi produk tanah liat
Fabrikasi tanah liat melalui beberapa proses;
(i) Pembentukan
(ii) Pengeringan
(iii) Pembakaran
(i) Pembentukan
a. Pembentukan hidroplastis (Hydroplastic forming)
Sifat plastis tanah liat jika ditambahkan air membentuknya
mudah dibentuk. Dengan metode hidroplastis, tanah
liat didorong melalui ekstrusi dan die mempunyai
bentuk yang bermacam-macam seperti bata dengan
lubang ditengah, pipa, tegel, blok keramik.

46. b. Slip casting
Tanah liat dimasukan ke
dalam cetakan yang
berpori, sehingga air
diserap oleh cetakan
tersebut dan produk
dibiarkan mengering.
Bentuk produk dengan
metode ini dapat berupa
padatan dan dapat
berbentuk seperti botol
(lihat Gb. 3.27).
Gb. 3.27 Proses pembentukan
tanah liat deng slip casting
Padatan
Bentuk sel

47. (ii) Pengeringan
Pengeringan air dari produk tanah liat setelah proses pembentukan dapat menyebabkan
penyusutan produk. Penyusutan tergantung pada perbandingan tanah liat/air dan
ukuran partikel. Jika kandungan air besar dan ukuran partikel kecil penyusutan dapat
besar.
Laju pengeringan juga berpengaruh terhadap hasil produk akhir. Jika laju pengeringan
cepat, produk bisa memengandung cacat-cacat atau tegangan sisa.
Produk tanah liat sampai pada tahap ini disebut produk tanah liat hijau.
Air
Partikel
tanah liat
Basah Kering sebagian Kering

48. (iii) Pembakaran
• Pembakaran diperlukan untuk meningkatkan kepadatan
dan menurunkan porositas sehingga hasil akhir
meningkatkan kekuatan produk keramik pada suhu
kamar.
• Pembakaran tanah liat biasanya dilakukan pada suhu
900-1400oC, tergantung pada komposisi tanah liat.
Selama proses pembakaran, mungkin terjadi vitrifikasi
(penggelasan) yaitu melelehnya komponen tanah liat
dengan titik leleh rendah seperti feldspar. Hasil vitrifikasi
seperti kaca, yang mengalir dan mengisi pori-pori dan
mengikat partikel-partikel yang tidak leleh sehingga
terjadi iakatan yang baik. Penyusutan terjadi selama
pembakaran.

49. Gb. 3.28 SEM micrograph dari porselen

50. Penekanan serbuk
Penekanan uniaksial
Cetakan
Fleksibel
Isostatic dingin
Isostatic panas

51. Alat untuk proses isostatic
http://www.avure.com/iso/products/default.asp

52. Sintering
• Hasil dari penekanan uniaksial
dan penekanan isostatic
dingin masih hijau, sehingga
untuk meningkatkan
kekuatannya, perlakuan panas
lanjutan yang disebut sintering
dilakukan. Proses sintering
dilakukan pada suhu 0,6 Tm.
Hasil sintering seperti Gb. 3.29
disamping.
Gb. 3.29 SEM micrograph aluminium oksida
hasil sinter
Produk hijau Awal sinter Hasil sinter

53. Tape casting
• Untuk pembuatan keramik lapisan tipis (0,2-1
mm) dilakukan dengan tape casting. Metode ini
digunakan untuk pembuatan kapasitor dan IC.