Thermal Shock Resistance pada Komposit Kaolin/Zirconia

WIDODO, Rahmat Doni, Ir. M. Waziz Wildan, M.Sc.,Ph.D

2005 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui thermal shock resistance pada komposit kaolin/zirconia. Kaolin (2SiO2.Al2O3.2H2O), suatu material keramik berbasis aluminosilicate yang telah digunakan secara luas pada industri keramik. Zirconia (ZrO2) biasanya digunakan sebagai media untuk meningkatkan fracture toughness suatu material yang dikenal dengan ZTC (Zirconia Toughened Ceramics) misalnya: ZTA (Zirconia Toughened Alumina) dan ZTM (Zirconia Toughened Mullite). Sebagai material yang dapat digunakan pada temparatur tinggi, penting untuk mengetahui sifat lain dari material keramik yaitu sifat thermal shock resistance. Sifat thermal shock resistance dapat didefinisikan sebagai ketahanan material terhadap perubahan temperatur yang mendadak. Dalam penelitian ini, komposisi ZrO2 dan kaolin divariasikan menjadi 0 & 100, 3 & 97, 6 & 94, 9 & 91, 12 & 88, 15 & 85, 18 & 82 semua dalam % fraksi berat. Spesimen dibuat dengan tekanan kompaksi uni-axial 25 MPa, dimensi spesimen balok 10 x 8 x 50 mm3 yang disinter pada tiga variasi temeparatur sinter yaitu 1400, 1450 dan 1500 ºC selama 1 jam. Densitas spesimen yang telah disinter diukur dengan menggunakan teori Archimedes. Spesimen yang telah disinter dan dihaluskan kemudian dipanaskan lagi dengan variasi temperatur 30, 130, 230, 280, 330 dan 530 ºC selama 1 jam, kemudian dithermal shock atau dicelupkan (quenching) ke dalam air yang bertemperatur 30 ºC. Kekuatan spesimen yang telah dithermal shock diukur dengan menggunakan metode three point bending. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa densitas aktual tertinggi dicapai pada variasi penambahan 18% fraksi berat ZrO3 dengan temperatur sinter 1500 ºC. Spesimen yang telah disinter 1500 ºC, untuk komposisi 100% kaolin kekuatannya pada ΔT nol sebesar 82 MPa dan pada ΔT = 200 ºC sebesar 63 MPa, dan kemudian turun kekuatannya secara signifikan menjadi 27 pada ΔT = 250 ºC. Untuk komposisi 15% ZrO2 kekuatannya pada ΔT nol sebesar 128 MPa dan pada ΔT = 200 ºC sebesar 79 MPa, dan kemudian turun kekuatannya secara drastis menjadi 25 MPa pada ΔT = 250 ºC. Untuk komposisi 18% ZrO2 juga terjadi penurunan kekuatan diantara ΔT = 200 ºC sebesar 52 MPa dan ΔT = 250 ºC sebesar 20,5 MPa. Semua spesimen mengalami penurunan thermal shock resistance (ΔT = R) diantara (ΔT) 200 ºC sampai (ΔT) 250 ºC.

The purpose of this study is to investigate thermal shock resistance of kaolin/zirconia composite. Kaolin (2SiO2.Al2O3.2H2O) an aluminosilicate-based ceramic, is widely used in ceramic industries. Zirconia (ZrO2) is usually used as a media to increase fracture toughness of ceramic materials which is known as ZTC (Zirconia Toughened Ceramics) such as ZTA (Zirconia Toughened Alumina) and ZTM (Zirconia Toughened Mullite). As that material can be applied in high temperature, it is important to investigate its thermal shock resistance. Thermal shock resistance indicates the ability of a material to withstand from failure due to rapid temperature changes. In this research, the content of ZrO2 reinforcement was varied as follow 0%, 3%, 6%, 9%, 12%, 15%, and 18% (all given in wt.%). The specimens were prepared by using uni-axial pressing with a pressure of 25 MPa. Green body specimens with a square bar shape and dimension is 10 x 8 x 50 mm3. Green bodies were then sintered at various temperatures of 1400, 1450, and 1500 ºC with holding time of 1 hour. The density of sintered samples was measured using Archimedes method. The sintered and polished samples were heated up to various temperatures of 30, 130, 230, 280, 330, and 530 ºC and held for 1 hour. They were then thermal shocked by rapid cooling (quenching) to a water media with a temperature of 30 oC. The strength of samples was measured using three point bending test. The results show that the highest density of each composition is obtained at sintering temperature of 1500 ºC and therefore 1500 ºC was chosen as sintering temperature to produce specimens for thermal shock. For 100% kaolin the bending strength is 82 MPa at thermal shock (ΔT) of 0 ºC and 63 MPa at ΔT of 200 ºC and this strength then decreases significantly to 27 MPa at ΔT of 250 ºC. The strength of samples containing15 wt% ZrO2 also decreases from 128 MPa at ΔT of 0 ºC to 79 MPa at ΔT of 200 ºC and then it decreases drastically to 25 MPa at ΔT of 250 ºC. A similar trend of bending strength is also obtained on samples of 18 wt% ZrO2, in which the bending strength slightly decreases from 57 MPa at ΔT of 0 ºC to 52 MPa at ΔT of 200 ºC and then it decreases significantly to 20.5 MPa at ΔT of 250 ºC. It can be concluded that all specimens have thermal shock resistance (ΔT = R) between 200 oC and 250 oC.

Kata Kunci : Komposit Kaolin/Zirconia, Thermal Shock Resistance, thermal shock resistance, kaolin, zirconia.