STUDI SIFAT FISIS, KEKUATAN BENDING DAN KEKUATAN TEKAN KOMPOSIT SILIKON NITRIDA/ZIRCONIA

ARFI ARDIAN, Ir. M. Waziz Wildan, M. Sc. Ph. D.

2017 | Skripsi | S1 TEKNIK MESIN

Keramik termasuk material refraktori karena memiliki karakteristik titik lebur yang tinggi dan tidak reaktif. Silikon nitrida merupakan material yang memiliki sifat kombinasi yang unik seperti kekuatan yang tinggi pada suhu tinggi, thermal shock resistance yang baik, serta memiliki ketahanan yang relatif baik terhadap oksidasi dibanding dengan bahan struktural suhu tinggi lainnya. Zirconia merupakan bahan yang banyak digunakan untuk meningkatkan ketangguhan retak bahan keramik lain. Selain itu, zirconia juga memiliki kelebihan lain, antara lain ketangguhan yang sangat tinggi dan ketahanan terhada abrasi tinggi. Tujuan utama dari penelitian ini untuk mengetahui seberapa besar pengaruh zirconia terhadap densitas, kekuatan bending dan kekuatan tekan komposit silikon nitrida/zirconia. Silikon nitrida dan zirconia dicampur dengan fraksi berat zirconia sebanyak 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, dan 25%. Pemadatan green body dilakukan dengan menggunakan metode uniaxial pressing dengan tekanan sebesar 30 MPa dan ditahan selama 10 menit. Proses pemanasan green body menggunakan metode pressureless sintering dengan suhu pemanasan 1400 derajat celsius dan 1450 derajat celsius, laju pemanasan 10 derajat celsius per menit dan ditahan selama 2 jam. Setelah waktu penahanan selesai selanjutnya suhu dapur pemanas diturunkan hingga mencapai suhu ruangan dengan laju pendinginan 10 derajat celsius per menit. Proses selanjutnya adalah menghaluskan permukaan spesimen untuk persiapan pengujian. Pengujian kekuatan bending dilakukan dengan menggunakan metode four point bending test dan mengacu pada ASTM C 1161. Pengujian kekuatan tekan dilakukan pada spesimen dengan penampang silinder yang berdiameter 15 mm. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa dengan bertambahnya fraksi berat zirconia pada komposit silikon nitrida/zirconia densitas komposit meningkat. Densitas komposit silikon nitrida/zirconia dari 1,59 g/cm3 pada komposisi 100% silikon nitrida meningkat menjadi 1,94 g/cm3 pada komposisi (75% silikon nitrida - 25% zirconia) yang disinter pada suhu 1450 derajat celsius. Peningkatan densitas juga terjadi pada spesimen yang disinter pada suhu 1400 derajat celsius. Pada hasil pengujian kekuatan tekan, penambahan fraksi berat zirconia hampir tidak memberikan pengaruh pada spesimen yang disinter pada suhu 1400 derajat celsius, penambahan zirconia memang menambah kekuatan dari komposit namun kenaikan tersebut hanya mencapai 1,28%. Pada pengujian kekuatan bending, penambahan fraksi berat zirconia cenderung membuat kekuatan bending material turun. Kekuatan bending tertinggi dimiliki oleh spesimen dengan komposisi (90% silikon nitrida - 10% zirconia) dan kekuatan bending paling rendah dimiliki oleh spesimen dengan komposisi (75% silikon nitrida - 25% zirconia).

Ceramics is one of the refractory materials because it has the characteristic of high melting point and not reactive. Silicon nitride is a material that has unique combination properties such as high strength at high temperature, good thermal shock resistance, and has a relatively good resistance to oxidation compared with other high temperature structural materials. Zirconia is a widely used material for increasing the toughness of cracking of other ceramic materials. In addition, zirconia also has other advantages, such as very high toughness and resistance to high abrasion. The main purpose of this research is to find out how big the influence of zirconia to density, bending strength and compressive strength of silicon nitride / zirconia composites. Silicon nitride and zirconia are mixed at various mass fraction of 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, and 25% of zirconia. Compaction of green body is done by using uniaxial pressing method with pressure of 30 MPa and held for 10 minutes. Green body heating process using pressureless sintering method with heating temperature 1400 degree celsius and 1450 degree celsius, heating rate 10 degree celsius per minute and held for 2 hours. After the detention time is over, the heating temperature of furnace is lowered to room temperature with a cooling rate of 10 degree celsius per minutes. Bending strength test was performed by using four point bending test method and referring to ASTM C 1161. Compressive strength test were performed on specimens with a cylindrical cross section of 15 mm in diameter. From the result of the research, it can be concluded that with the increase of zirconia weight fraction on composite silicon nitride/zirconia the density of composite increase. The density of the silicon nitride/zirconia composite of 1,59 g/cm3 in the 100% silicon nitride composition increased to 1,94 g/cm3 in the composition (75% silicon nitride - 25% zirconia) sintered at 1450 degree celsius. Increased density also occurs in sintered specimens at a temperature of 1400 degree celsius. In the results of the compressive strength test, the addition of zirconia weight fraction almost did not affect compressive strength of specimens that sintered at 1400 degree celsius, the addition of zirconia did increase the strength of the composite but the increase only reached 1,28%. In testing of bending strength, the addition of zirconia weight fraction tends to make the bending strength of the material down. The highest bending strength is owned by specimens with composition (90% silicon nitride - 10% zirconia) and the lowest bending strength is owned by specimens with composition (75% silicon nitride - 25% zirconia).

Kata Kunci : silikon nitrida, zirconia, sifat fisis, kekuatan bending, kekuatan tekan