Makalah Komposit Lanjutan (I): Laminasi, Jenis Serat dan Aplikasi

Lstruktur teraminasi

Komposit terdiri dari kombinasi bahan-bahan yang dicampur bersama untuk mencapai sifat-sifat struktural tertentu. Bahan-bahan individual tidak sepenuhnya larut atau menyatu menjadi komposit, tetapi mereka akan bekerja bersama sebagai satu kesatuan. Seringkali, antarmuka antara komponen dapat dikenali secara fisik. Sifat-sifat bahan komposit lebih unggul daripada sifat-sifat bahan individual yang menyusunnya.

Material komposit canggih terbuat dari material berserat yang dilarutkan ke dalam matriks resin, biasanya dilaminasi oleh serat yang disusun secara bergantian untuk memberikan kekuatan dan kekakuan pada material. Material berserat tidak umum; kayu merupakan material struktural berserat yang paling umum dikenal manusia.

Aplikasi komposit pada pesawat terbang antara lain:

-Deflektor

-Permukaan kontrol penerbangan

-Pintu roda pendaratan

-Panel tepi depan dan belakang sayap dan stabilizer

-Komponen internal

-Balok lantai dan panel lantai

-Struktur utama penstabil vertikal dan horizontal untuk pesawat besar

-Struktur sayap dan badan pesawat utama generasi baru pesawat besar

- Bilah kipas mesin turbin

- Baling-baling

Komponen utama laminasi

Material isotropik memiliki sifat yang seragam di semua arah (artinya sifat isotropik dari material yang sama). Sifat terukur dari material isotropik tidak bergantung pada sumbu uji. Aluminium dan titanium, yang merupakan material metalik, digunakan sebagai contoh untuk mengilustrasikan ilustrasi material isotropik.

Serat merupakan elemen utama yang menahan beban komposit. Komposit memiliki kekuatan dan kekakuan hanya pada arah serat. Komposit searah memiliki sifat mekanis yang dominan pada satu arah, yang dikenal sebagai anisotropi, di mana sifat mekanis atau fisik berbeda dari arah sumbu referensi alami yang melekat pada material. Komponen yang terbuat dari komposit yang diperkuat serat dapat dirancang sedemikian rupa sehingga orientasi serat menghasilkan sifat mekanis terbaik, tetapi hanya dapat mendekati sifat isotropik logam yang sebenarnya, seperti aluminium dan titanium.

Matriks komposit menyokong serat dan mengikatnya dalam komposit. Matriks mentransfer beban yang diberikan ke serat, menjaga serat tetap pada posisi dan orientasi yang dipilih, memberikan ketahanan lingkungan komposit, dan menentukan suhu layanan maksimum komposit.

Properti

Sifat struktural laminasi komposit, seperti kekakuan, stabilitas dimensi, dan kekuatan, bergantung pada urutan penumpukan laminasi. Urutan penumpukan menggambarkan distribusi orientasi tata letak dalam ketebalan laminasi. Seiring bertambahnya jumlah lapisan dengan orientasi yang dipilih, lebih banyak urutan penumpukan yang memungkinkan. Misalnya, laminasi simetris delapan lapis dengan empat orientasi tata letak yang berbeda memiliki 24 urutan penumpukan yang berbeda.

Arah serat

Kekuatan dan kekakuan komposit bergantung pada urutan orientasi lapisan. Kekuatan dan kekakuan serat karbon yang sebenarnya berkisar dari nilai rendah hingga tinggi, seperti yang disediakan oleh serat kaca, hingga nilai kekuatan dan kekakuan tinggi yang disediakan oleh serat titanium. Kisaran nilai ini ditentukan oleh orientasi laminasi terhadap beban yang diberikan. Pada komposit tingkat lanjut, pemilihan orientasi layup yang tepat diperlukan untuk memberikan desain struktur yang efisien. Bagian tersebut mungkin memerlukan beban aksial reaktif lapis 0 derajat, beban geser reaktif lapis ±45 derajat, dan beban samping reaktif lapis 90 derajat. Karena persyaratan desain kekuatan merupakan fungsi dari arah beban yang diberikan, orientasi lapis dan urutan lapis harus benar. Selama proses perbaikan, sangat penting untuk mengganti setiap lapisan yang rusak dengan lapisan bahan dan orientasi yang sama.

Serat-serat dalam material monolitik bergerak dalam satu arah, dengan kekuatan dan kekakuan hanya pada arah serat. Pita prepreg (film prepreg) adalah contoh orientasi layup searah.

Serat dalam material dua arah mengalir dalam dua arah, biasanya berjarak 90 derajat. Struktur polos adalah contoh arah lay-up dua arah. Arah lay-up ini memiliki kekuatan di kedua arah, tetapi tidak harus sama kuatnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1

Susunan quasi-isotropik memiliki urutan lapisan 0 derajat, -45 derajat, 45 derajat dan 90 derajat atau 0 derajat, -60 derajat dan 60 derajat. Jenis orientasi lapisan ini meniru sifat bahan isotropik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Banyak struktur komposit kedirgantaraan yang terbuat dari bahan quasi-isotropik.

Gambar 1: Sifat material paving dua arah dan satu arah

Gambar 2: Susunan material isotropik simetris

Warah arp

Arah lungsin mengacu pada serat memanjang kain. Karena seratnya lurus, arah lungsin adalah arah yang sangat kuat. Arah lungsin digunakan untuk menggambarkan arah serat pada bagan, lembar spesifikasi, atau lembar pabrikan. Jika tidak ada arah lungsin pada kain, arah lungsin akan menjadi nol saat kain terlepas dari gulungan. Oleh karena itu, 90 derajat ke nol adalah lebar kain. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3

Gambar 3: Kunci Putar

Fkonfigurasi iber

Semua bentuk produk biasanya dimulai dengan garis serat mentah searah yang dikemas menjadi untaian yang berkesinambungan. Serat tunggal disebut filamen. Istilah "benang" juga digunakan untuk menunjukkan serat kaca tunggal. Filamen yang dibundel dapat dikategorikan sebagai benang pintal, benang, atau roving. Benang fiberglass dipilin, sedangkan benang kevlar® tidak. Bundel dan roving filamen tidak memiliki lilitan apa pun. Sebagian besar serat adalah serat kering dan perlu diresapi dengan resin sebelum digunakan (pra-impregnasi) atau dengan bahan pra-impregnasi di mana resin telah diaplikasikan pada serat.

Serat kasar (bundel benang)

Roving adalah sekelompok filamen atau ujung serat, seperti roving kaca ujung 20- atau 60-. Semua filamen diarahkan ke arah yang sama dan tidak terpilin. Roving serat karbon biasanya diidentifikasi sebagai roving 3K, 6K atau 12K, dengan K menunjukkan 1000 filamen. Sebagian besar aplikasi produk roving menggunakan mandrel untuk penggulungan serat dan kemudian pengawetan resin hingga konfigurasi akhir.

Unidirectional (dengan)

Pita prepreg searah telah menjadi standar dalam industri kedirgantaraan selama bertahun-tahun, dan seratnya biasanya diresapi dengan resin termoseting. Metode persiapan yang paling umum melibatkan penarikan untaian mentah (kering) yang dikolimasi ke dalam mesin impregnasi, di mana resin leleh panas diikatkan ke untaian dengan panas dan tekanan. Produk pita memiliki kekuatan tinggi ke arah serat dan hampir tidak ada kekuatan di serat. Serat ditahan di tempatnya oleh resin. Pita lebih kuat dari kain tenun. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4

Gambar 4: Pita dan produk kain

Kain

Untuk laminasi dengan bentuk yang rumit, sebagian besar konstruksi kain menawarkan fleksibilitas lebih daripada pita lurus searah. Kain menawarkan opsi untuk menghamili resin melalui larutan atau proses peleburan panas. Biasanya, kain untuk aplikasi struktural menggunakan serat atau untaian dengan berat atau hasil yang sama pada arah lungsin (membujur) dan pakan (melintang). Untuk struktur kedirgantaraan, kain tenunan rapat sering kali menjadi pilihan yang menghemat berat, mengurangi ukuran rongga resin dan mempertahankan orientasi serat selama pembuatan.

Struktur kain biasanya terdiri dari ikatan, helai, atau benang penguat yang dijalin selama proses penenunan. Gaya kain yang lebih umum adalah tenunan polos atau tenunan satin. Struktur tenunan polos dibentuk dengan mengganti serat di atas dan di bawah setiap helai yang bersilangan (ikatan, tandan, atau benang). Pada gaya tenunan satin yang umum, seperti ikatan 5- atau 8-, helai serat bergerak maju mundur dalam arah lungsin dan arah pakan lebih jarang.

Kain satin ini tidak terlalu berkerut dan lebih mudah berubah bentuk dibandingkan kain polos. Pada tenunan polos dan sebagian besar kain dengan 5 atau 8 ikat, terdapat jumlah helai serat yang sama pada arah lungsin dan pakan. Misalnya: tenunan polos 3K biasanya memiliki nama tambahan seperti 12 x 12, yang berarti 12 helai per inci di setiap arah. Penunjukan jumlah ini dapat diubah untuk menambah atau mengurangi berat kain, atau untuk mengakomodasi serat yang berbeda dengan berat yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5

Gambar 5: Gaya tenun kain yang umum

Kain bukan tenunan (tenun atau dijahit)

Kain tenun atau kain yang dijahit dapat menawarkan banyak keuntungan mekanis dari pita searah. Penempatan serat dapat lurus atau searah, tanpa putaran ke atas dan ke bawah seperti pada kain tenun. Setelah orientasi satu atau beberapa lapisan drywall dipilih sebelumnya, serat dijahit bersama dengan benang atau benang halus untuk menahan serat pada tempatnya. Jenis kain ini menyediakan berbagai macam orientasi multilapis. Meskipun sebagian berat dapat ditambahkan atau sebagian sifat serat penguat akhir dapat hilang, beberapa peningkatan pada sifat geser dan keuletan interlaminar dapat dicapai. Beberapa benang jahit yang umum adalah poliester, aramid, atau termoplastik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6

Gambar 6: Bahan non woven (jahitan)

Jenis-jenis serat

Gserat lass

Fiberglass umumnya digunakan dalam struktur sekunder pesawat terbang, seperti fairing, radome, dan ujung sayap. Serat kaca juga digunakan dalam bilah rotor helikopter. Ada beberapa jenis serat kaca yang digunakan dalam industri kedirgantaraan. Serat kaca elektronik, atau E-glass, dikenal untuk aplikasi elektronik tersebut. Serat ini memiliki resistansi tinggi terhadap arus listrik. E-glass terbuat dari serat kaca borosilikat. S-glass dan S2-glass adalah serat kaca struktural yang memiliki kekuatan lebih tinggi daripada E-glass. Serat kaca S-glass terbuat dari silikat magnesium-aluminium. Keunggulan serat kaca adalah biaya yang lebih rendah daripada komposit lainnya, resistansi kimia atau listrik, dan sifat listrik (serat kaca tidak menghantarkan listrik). Serat kaca berwarna putih dan dapat digunakan sebagai kain serat kering atau prepreg.

Aserat ramid

Kevlar adalah nama serat aramid DuPont. Serat aramid ringan, kuat, dan tangguh. Dua jenis serat aramid digunakan dalam industri kedirgantaraan; Kevlar® 49 memiliki kekakuan tinggi dan Kevlar® 29 memiliki kekakuan rendah. Keunggulan serat aramid adalah sangat tahan terhadap kerusakan akibat benturan, sehingga umumnya digunakan di area yang rentan terhadap kerusakan akibat benturan. Kerugian utama serat aramid adalah kekurangannya secara umum dalam hal kompresibilitas dan penyerapan air. Laporan layanan menunjukkan bahwa beberapa komponen yang terbuat dari kevlar® menyerap hingga 8% dari beratnya dalam air. Oleh karena itu, komponen yang terbuat dari serat aramid perlu dilindungi dari lingkungan. Kelemahan lainnya adalah serat kevlar sulit dibor dan dipotong. Serat mudah kusut dan memerlukan gunting khusus untuk memotongnya.

Kevlar umumnya digunakan dalam aplikasi balistik militer dan pelindung tubuh. Kevlar memiliki warna kuning alami dan tersedia sebagai kain kering dan prepreg. Ukuran bundel serat aramid tidak bergantung pada jumlah serat seperti serat karbon atau serat kaca, melainkan pada beratnya.

Serat Karbon/Grafit

Perbedaan pertama antara serat ini adalah antara serat karbon dan serat grafit, meskipun kedua istilah tersebut sering digunakan secara bergantian. Serat karbon dan serat grafit didasarkan pada jaringan lapisan grafit tunggal (heksagonal) dalam karbon. Suatu material didefinisikan sebagai grafit jika lapisan atau bidang grafit tunggal ditumpuk dalam urutan tiga dimensi. Pemrosesan waktu dan suhu yang lama biasanya diperlukan untuk membentuk tatanan ini, sehingga serat grafit menjadi lebih mahal. Ikatan antara bidang lemah. Ketidakteraturan sering terjadi sehingga hanya ada tatanan dua dimensi dalam lapisan-lapisan tersebut. Material ini didefinisikan sebagai serat karbon.

Serat karbon sangat kuat dan 3 hingga 10 kali lebih kaku daripada serat kaca. Serat karbon digunakan dalam aplikasi struktur pesawat seperti balok bawah, stabilisator, kontrol penerbangan, dan struktur badan pesawat dan sayap utama. Keunggulannya meliputi kekuatan tinggi dan ketahanan terhadap korosi. Kekurangannya meliputi konduktivitas listrik yang lebih rendah daripada aluminium; oleh karena itu, untuk komponen pesawat yang rentan terhadap sambaran petir, kisi petir atau lapisan tahan petir harus dipasang. Kerugian lain dari serat karbon adalah biayanya yang tinggi. Serat karbon berwarna abu-abu atau hitam dan tersedia sebagai kain kering dan prepreg. Bila digunakan dengan pengencang dan struktur logam, serat karbon memiliki potensi tinggi untuk menyebabkan korosi kopling galvanik.

Gambar 7: Serat kaca (kiri), serat aramid (tengah), bahan serat karbon (kanan)

Bserat oron

Serat boron sangat keras dan memiliki kekuatan tarik dan tekan yang tinggi. Serat ini berdiameter relatif besar dan tidak dapat ditekuk dengan baik; oleh karena itu, serat ini hanya dapat digunakan sebagai produk pita prepreg. Matriks resin epoksi sering digunakan dengan serat boron. Serat boron digunakan untuk memperbaiki casing pesawat aluminium yang retak karena ekspansi termal boron mendekati ekspansi termal aluminium dan tidak memiliki potensi korosi kopling galvanik. Serat boron sulit digunakan jika permukaan substrat memiliki bentuk berkontur. Serat boron sangat mahal dan dapat membahayakan personel. Serat boron terutama digunakan dalam penerbangan militer.

Cserat eramik

Serat keramik digunakan dalam aplikasi suhu tinggi seperti bilah turbin untuk mesin turbin gas. Serat keramik dapat digunakan untuk suhu hingga 2200 derajat F.

Lserat pelindung petir

Bidang aluminium sangat konduktif dan dapat menghilangkan arus tinggi dari sambaran petir. Serat karbon 1,000 kali lebih tahan terhadap arus daripada aluminium, dan resin epoksi 1,000,000 kali lebih tahan (yaitu, tegak lurus terhadap kulit). Permukaan komponen komposit eksternal biasanya terdiri dari satu atau beberapa lapisan bahan konduktif untuk proteksi petir karena komposit kurang konduktif daripada aluminium. Berbagai jenis bahan konduktif digunakan, mulai dari kain grafit berlapis nikel hingga jaring logam hingga serat kaca aluminized hingga pelapis konduktif. Bahan tersebut dapat digunakan sebagai lapisan wet lay-up atau prepreg.

Selain perbaikan struktural normal, teknisi harus membuat ulang desain sesuai konduktivitas komponen. Jenis perbaikan ini sering kali memerlukan pengujian konduktivitas dengan meteran resistansi untuk memverifikasi resistansi minimum seluruh struktur. Saat memperbaiki jenis struktur ini, sangat penting untuk hanya menggunakan bahan yang disetujui dari pemasok resmi, termasuk bahan seperti senyawa pot, sealant, dan perekat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9

Gambar 8: Bahan proteksi petir jaring tembaga

Gambar 9: Bahan pelindung petir berbahan aluminium