Thermal Shock Resistance komposit matrik alumina (Mengandung 20 berat SiO2) yang diperkuat partikel chromium

FAHMI, Hendriwan, Ir. M. Waziz Wildan, MSc.,PhD

2003 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Bahan keramik sedang dikembangkan untuk aplikasi teknik, hal ini karena keramik memiliki beberapa keunggulan diantaranya titik cair tinggi, tahan pada temperatur tinggi, tahan terhadap beban tekan, tahan korosi, modulus elastisitas tinggi, konduktivitas thermal relatif rendah serta densitas rendah.Tetapi keramik juga memiliki kelemahan yaitu getas dan fracture toughness rendah. Untuk mengatasinya dikembangkan ceramic matrix composites (CMC) dengan penguat logam atau bahan keramik lainnya. Dalam aplikasinya keramik sering mengalami kerusakan akibat adanya perubahan temperatur secara mendadak, proses ini dikenal dengan thermal shock Pada penelitian ini dianalisa thermal shock resistance keramik alumina yang diperkuat partikel chromium. Spesimen berbentuk silindris dengan ukuran (d=15 mm, t=5 mm) untuk pengujian densitas dan balok dengan ukuran 7x8x50 mm3 untuk pengujian thermal shock. Bahan spesimen terdiri dari campuran Al2O3 yang mengandung 20% berat SiO2 yang diperkuat partikel chromium dengan komposisi 0, 6, dan12% vol, dicetak dengan proses uniaxial-pressing dengan tekanan 120 MPa. Selanjutnya spesimen disinter dengan proses pressureless sintering. Proses sinter dilakukan dengan cara dipanaskan sampai temperatur 8000C dengan laju pemanasan 30C/ menit dan di tahan selama 30 menit, selanjutnya dipanaskan sampai temperatur sinter (14000C, 14250C atau 14500C) dengan laju pemanasan 50C/menit untuk menentukan temperatur sinter yang optimal. Pendinginan dilakukan secara alami didalam dapur dengan cara mematikan power ke furnace. Pengujian Thermal shock resistance dilakukan dengan cara spesimen dipanaskan pada temperatur 25, 125, 225, 325, 425, 5250C ditahan selama 1 jam kemudian didinginkan dengan cepat ke dalam air yang memiliki temperatur 250C. Spesimen yang telah di quenching kemudian diuji kekuatan bendingnya dengan metode four point bending. Dari hasil pengujian densitas diperoleh temperatur sinter optimal adalah 14500C yaitu temperatur yang menghasilkan densitas tertinggi. Dari hasil pengujian thermal shock resistance didapatkan kekuatan bending Al2O3 tanpa partikel penguat kekuatan bending rata-rata turun secara signifikan setelah mengalami thermal shock dengan DT 2000C dan 3000C, dimana pada DT 2000C adalah 30,08 MPa dan pada DT 3000C adalah 14,81 MPa. Pada matrik Al2O3 yang diperkuat 6%vol Cr penurunan kekuatan bending rata-rata secara signifikan terjadi antara DT 00C dan 1000C , dimana pada DT 00C adalah 33,31 MPa dan pada DT 1000C adalah 21,64 MPa. Pada Al2O3 yang diperkuat 12% vol Cr penurunan kekuatan bending rata-rata secara signifikan terjadi antaraDT 00C dan 1000 dimana kekuatan bending rata-rata pada DT 00C adalah 43,8 MPa dan pada D1000C sebesar 31,6 MPa.

Ceramics are being developed in engineering applications, because usually they have some excellent properties, such as high melting point, good high temperature strength, high compressive strength, relatively low density, high Young’s modulus, relatively low thermal and electrical conductivity. However, they have limitation in engineering applications due to their brittleness and low fracture toughness. Incorporating ductile metal or other ceramic materials into ceramic matrix is a way to overcome such brittleness and increase fracture toughness. In addition, inherent with those weaknesses, sudden changes in temperature often cause failure and problem in ceramics. This research aims to analyze thermal shock resistance in alumina (containing weight 20% SiO2) matrix copmposites reinforced with 0, 6 and 12 vol% chromium particles. Each composition was Uniaxially pressed with pressure of 120 MPa in a steel die to produce green body samples. Two shape of green body were produced, cylindrical (15 mm diameter and 5 mm thickness) for density measurement and bar (50mm x 7mm x 8mm) for thermal shock resistance test. The cylindrical samples were pressureless sintered in a horizontal tube furnace in argon atmosphere. The were heated from room temperature to 8000C with a heating rate of 3oC / minute and hold at 8000C for 30 minutes. Then temperature was then increased from 8000C to sintering temperature (1400oC, 1425oC and 1450oC ) with a heating rate of 5oC / minute and heid at sintering temperature for 60 minutes. Density of the samples was measured using Archimedes principles and the result shows that sintering 14500C gives the highest relative density. This sintering temperature was used to produce bar specimens for thermal shock resistance test. Sintered bar specimens were quenched in water (250C) from temperature of 250C, 1250C, 2250C, 3250C, 4250C and 5250C. The fracture strength of the specimens was the tested using four point bending test. The result show that mean bending strength of the composites with 0 vol% chromium significantly decreases at between D T 200oC and 300oC, where the mean bending strength at D T 200oC is 30.08 MPa and D T 300oC is 14.81 MPa. A sudden decrease of bending strength of composites with 6 vol% occurs at between DT 00C and D T 100oC, where the mean bending strength at D T 0oC is 33.31 MPa and D T 100oC is 21.64 MPa. The bending strength of composites containing 12 vol% chromium also significantly decreases at between DT 00C and D T 100oC, where the mean bending strength D T0oC is 43,8 MPa and at D T 100oC is 31,6 MPa. It was also found that the bending strength of the composites increases with increasing chromium content.

Kata Kunci : CMC, Thermal Shock Resistance, Partikel Chromium, alumina, chromium, four point bending