KONSEP DASAR DALAM FISIKA KERAMIK

  Definisi Keramik

Definisi Keramik adalah senyawa padatan yang dibentuk melalui pemanasan tersusun dari gabungan padatan satu metal dan satu padatan unsure nonmetalik, atau gabungan dua padatan unsure nonmetalik (NMES), atau gabungan dua unsure padatan nonmetalik dan nonmetal.

Definisi agak sederhana diberikan oleh Kingery yang mendefinisikan keramik sebagai, "seni dan ilmu membuat dan menggunakan material padat sebagai komponen pentingnya, dan sebagian besar terdiri dari bahan nonmetal anorganik ". Untuk mengilustrasikan, perhatikan contoh berikut: Magnesia, atau MgO, adalah keramik karena merupakan senyawa yang solid dari Mg yang berikatan dengan O₂ nonmetal. Silica juga merupakan keramik karena menggabungkan NMES dan nonmetal. Dengan cara yang sama, TiC dan ZrB2 adalah keramik karena mereka menggabungkan metal (Ti, Zr) dan NMES (C, B). SiC adalah keramik karena menggabungkan dua NMES.

Contoh: MgO ; (Mg) metal dan O nonmetal

SiO ; (Si) NMES dan O nonmetal

TiC ; (Ti) metal dan C (NMES)

SiC ; 2 unsur NMES

2     a. Perbedaan Kristal dan Amorf

Terdapat berbagai cara untuk mengklasifikasikan padatan, yang meliputi berbagai bahan. Namun, klasifikasi yang paling sederhana adalah membaginya menjadi dua golongan, yaitu : padatan kristalin yang partikelnya tersusun teratur dan padatan amorf yang keteraturannya kecil atau tidak ada sama sekali.

2      b. Bahan Kristalin

Kristal (Crystalline), merupakan definisi struktural dari suatu material, dimana atom-atomnya tersusun secara teratur berdasarkan panjang dan sudut ikatan yang teratur. Meskipun demikian, dapat pula dijumpai adanya penyimpangan struktural pada beberapa jenis material.

Sebuah kristal ideal disusun oleh satuan-satuan struktur yang identik secara berulang-ulang yang tak hingga di dalam ruang. Semua struktur kristal dapat digambarkan atau dijelaskan dalam istilah-istilah lattice (kisi) dan sebuah basis yang ditempelkan pada setiap titik lattice (kisi). Kristal yang umum kita lihat adalah natrium khlorida, tembaga sulfat hidrat, dan kuarsa. Letak partikel penyusun padatan kristalin (ion, atom atau molekul) biasanya dinyatakan dengan kisi, dan letak setiap partikel disebut titik kisi. Satuan pengulangan terkecil kisi disebut dengan sel satuan.

 
Gambar 1 Definisi sel satuan.
Sel satuan digambarkan dengan garis tebal. Jarak antar dua titik sepanjang ketiga sumbu didefiniskan sebagai a, b dan c. Sudut yang dibuat antar dua sumbu didefinisikan sebagai α, β dan γ.

Sel satuan paling sederhana adalah kubus. Tiga sumbu kubus dan beberapa sel satuan lain tegak lurus satu sam lain, namun untuk sel satuan lain sumbu-sumbu itu tidak saling tegak lurus. Faktor yang mendefinisikan sel satuan adalah jarak antar titik dan sudut antar sumbu. Faktor-faktor ini disebut dengan tetapan kisi kadang disebut juga parameter kisi (Gambar 1).

Di tahun 1848, kristalografer Perancis Auguste Bravais (1811-1863) mengklasifikasikan kisi kristal berdasarkan simetrinya, dan menemukan bahwa terdapat 14 jenis kisi kristal seperti ditunjukkan dalam Gambar 2. Kisi-kisi ini disebut dengan kisi Bravais. Ke-empat belas kisi diklasifikasikan menjadi tujuh sistem kristal. Dalam buku ini, hanya tiga sistem kubus yang dikenal baik: kubus sederhana, kubus berpusat badan dan kubus berpusat muka yang akan dibahas.

Gambar 2. Kisi Bravais

Kristal diklasifikasikan dalam 14 kisi Bravais dan 7 sistem kristal.

2      c.  Padatan Amorf

Amorf (Amorphous), merupakan definisi struktural dari suatu material, dimana atom-atomnya tersusun secara tidak teratur, sehingga panjang dan sudut ikatan antar atom juga tidak teratur. Kasus inilah yang diketahui sebagai bentuk penyimpangan struktural. Susunan partikel dalam padatan amorf sebagian teratur dan sedikit agak mirip dengan padatan kristalin. Namun, keteraturan ini, terbatas dan tidak muncul di keseluruhan padatan. Banyak padatan amorf di sekitar kita, seperti: gelas, karet dan polietena memiliki keteraturan sebagian (Gambar 3.). 

Gambar 3. (a) Padatan kristalin dan (b) amorf
Terdapat perbedaan besar dalam keteraturan partikel penyusunnya.

Sudut dan panjang ikatan antar atom pada struktur amorf sangat tidak teratur. Akibat ketidakteraturan ini, beberapa teori zat padat menjadi tidak berlaku (Misal Teorema Bloch, Efek Hall, dll). Oleh karena itu, analisa sifat-sifatnya sebagian besar menggunakan metode pendekatan material kristalinnya dengan mengacu pada hasil-hasil pengukuran eksperimental.

3.      Mikrostruktur  kramik

Struktur mikro bahan didefinisikan  sebagai sebuah bahan  atau materi yang berukuran mikro (10^-6 m). Mikro struktur bahan akan dapat menentukan sifat kimia , fisika , dan mekanis dari suatu material, dan karenanya material akan dapat menentukan kemampuan rekayasa bahan itu dalam dunia industry (rekayasa fabrikasi) material.

Sebagai padatan kristalin maka struktur mikro kramik bisa dalam bentuk  Kristal tunggal atau polikristalin yang mempunyai banyak bijian. Ukuran butiran sangat mempengaruhi sifat-sifat keramik. Butiran yang berukuran kecil adalah lebih kuat dan liat, dan dinamai keramik halus atau keramik modern.

single Kristal  atau monocrystalline yang solid merupakan bahan dimana kisi Kristal dari seluruh sampel kontinu dan tak terputus ke tepi sampel tanpa batas butir atau dengan kata lain susunan atom –atomnya berulang secara periodik sempurna. Tidak adanya cacat terkait dengan batas butir dapat memberikan monocrystals sifat unik , terutama sifat mekanik, optik dan listrik, yang juga dapat anisotropik, tergantung pada jenis kristalografi struktur.

Grain boundary

Contoh single Kristal keramik yakni saffir (single-crystal alumina)

 

             

polikristalin adalah kumpulan dari sejumlah single Kristal atau disebut grain (butir).

Ukuran grain dalam keramik berkisar 1-50 mikrometer dan hanya bisa dilihat dengan mikroskop. Ukuran dan bentuk grain dan distribusinya menggambarkan mikrostuktur kramik.

Contoh kermaik yang memiliki struktur polikristal banyak sekali, salah satunya yakni alumina/hidroksiapatif, MgO, SiC, CaO, SrO, BaO, ZrO₂ dan masih banyak yang lainnya

.

4.      Klasifikasi Keramik

a.       Keramik tradisional

Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan

alam, seperti kuarsa, kaolin, dll. Yang termasuk keramik ini adalah: barang

pecah belah (dinnerware)(keperluan makan), keperluan rumah tangga (tile, bricks)(genting, batu-bata), dan untuk industri (refractory). Keramik tradisional seperti porcelain, ubin (keramik lantai) dan tembikar dibuat dari bubuk yang terdiri dari berbagai material seperti tanah liat (lempung), talc, silica dan feldspar. Umumnya sifat dari kramik tradisional ini bersifat rapuh atau britle.

b.      Keramik modern

Fine ceramics (keramik modern atau biasa disebut keramik teknik, advanced ceramic, engineering ceramic, techical ceramic) mempunyai ruang lingkup yang lebih luas dari kramik tradisional dan mempunyai efek dramatis pada kehidupan manusia seperti pada bidang elektronika, computer, komunikasi , aerospace dll. Keramik modern yang terbuat dari oksida logam antara lain (Al2O3, ZrO2, MgO, TiO₂, BaTiO₂,dll) sedangkan keramik yang bukan oksida antaralain (Si₃N₄, TiN, SiC, B₄C, dll). Penggunaannya: elemen pemanas, semikonduktor, komponen turbin, dan pada bidang medis. (Joelianingsih, 2004)

Keramik modern mempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadap temperatur tinggi, sifat-sifat fisik dan mekanis yang sangat baik, sifat elektrik yang istimewa, tahan terhadap bahan kimiawi. Keramik modern tersebut adalah sbb:

11)      Keramik oksida murni yang digunakan sebagai alat listrik khusus dan komponen peleburan logam. Oksida yang umum digunakan adalah alumina (Al₂O₃), Zirconia (ZrO₂), Thoria (ThO₂), Berillia (BeO), Magnesia (MgO), Spinel (MgAl₂O₄) dan Forsterit (Mg₂SiO₄).

22)      Bahan bakar nuklir yang berbasis Uranium Oksida (UO₂) sudah sangat luas digunakan. Bahan tersebut mempunyai kemampuan yang unik untuk menjaga sifat-sfat yang unggul setelah penggunaan yang lama sebagai bahan bakar pada reaktor nuklir.

33)      Keramik elektrooptik seperti Lithium Niobate (LiNbO₃) dan Lanthanum Zirconat Titanat (PLZT) memberikan sebuah media yang dapat merubah informasi elektrik menjadi informasi optik atau yang dapat menggerakkan fungsi optik dengan perintah dari sinyal elektrik.

44)      Keramik magnetik dengan komposisi dan penggunaan yang bervariasi telah dikembangkan. Bahan ini merupakan bahan dasar dari unit memori magnetic pada komputer yang besar. Keunikan sifat elektriknya terutama digunakan pada aplikasi elektronik gelombang mikro frekuensi tinggi.

55)      Kristal tunggal dari berbagai jenis bahan sekarang mulai diproduksi untuk mengantikan kristal alami. Rubi dan kristal laser garnet dan tabung sapir dan substrat (substrate = sejenis semikonduktor) dikembangkan dari sebuah peleburan: kristal kwarsa (quartz) yang besar dikembangkan dengan proses hidrotermal.

66)      Keramik nitrida untuk refraktori (refractory = bahan tahan api), dan turbin gas

77)      Enamel untuk aluminium pada industri arsitektur

88)      Komposit logam-keramik untuk refraktori

99)      Keramik karbida untuk bahan abrasif (abrasive = bahan penghalus permukaan)

110)  Keramik borida untuk kekuatan dan temperatur tinggi, tahan terhadap oksidasi

111)  Keramik feroelektrik (barium titanat) mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi

112)  Gelas-gelas nonsilika misal transmisi infra merah, peralatan semi konduktor, Penyaring molekuler (molecular sieves)

113)  Keramik gelas

114)  Polikristal bebas oksida dibuat berbahan baku pada alumina, yttria, dan spinel

5      Karakteristik Umum Keramik

a)      Klasifikasi bahan padatan secara umum

No	Logam	Keramik	Polimer
1.	Kerapatan tinggi (high density)	Kerapatan rendah (low density)	Kerapatan sangat rendah (very low density)
2.	Titik lebur medium – tinggi (medium to high melting point)	Titik lebur tinggi (high melting point)	Titik lebur rendah (low melting point)
3.	Modulus elastisitas medium – tinggi (medium to high elastic modulus)	Modulus elastisitas sangat tinggi (very high elastic modulus)	Modulus elastisitas rendah (low elastic modulus)
4.	Reaktif	Tidak reaktif	Sangat reaktif
5.	Ductile	Rapuh (brittle)	Ductile and brittle types

 Kerapatan suatu bahan padatan ditentukan oleh :

-          Berat atom penyusun bahan (NiO is denser than NaCl)

-          Sifat ikatan atomik (MgO is denser than SnO)

b)      Data tentang keramik

-          Padatan yang sangat rapuh (brittle) dengan kemungkinan kerusakan bersifat tidak unik

-          Data sangat bervariasi dari pabrik ke pabrik

-          Kekuatannya bergantung pada sejarah setelah dihasilkan / diproduksi

-          Sejumlah data bersifat invarian (strusture insentive) seperti : titik lebur, kerapatan, modulus elastisitas.

-          Data yang lain sangat bergantung pada struktur (highly structrure sensitive) seperti :

·         Tensile strength (kuat tarik)

·         Fracture trughness (kekerasan)

·         Thermal conductivity (konduktivitas thermal)

·         Thermal expansion coefficient

c)      Sifat- sifat keramik

No	Ciri Khas	Bahan	Penggunaan
1.	Sifat mekanis Tahan suhu tinggi Tahan gesekan Tahan geseran Lubrikan Plating khusus	Nitrida Alumina boron karbida TiC, TiN, CW, karbon, Boron Boron nitrida Alumina	Turbin gas Mesin diesel Alat pemotong, orderdil heavy-duty Pelumas padat/bearing Militer
2.	Sifat Termal Tahan termal Isolator termal Konduktor termal	Karbida, Nitrida, MgO Kalsium oksida, titanium iksida, alumina, zirekonia Boron iksida, karbida, aluminium nitrida, alumina	Magnetohidrodinamika (MHD) Tanur industri, reaktor nuklir Piranti elektronik, radiator
3.	Sifat Listrik Tahan listrik Piezoelektrisitas Konduktor listrik Dielektrik Konduktor ionik Semikonduktor Pemancar elektron	Alumina, karbida, berilium oksida Timbal zirkoniat/ titanat PLTZ perovskit, litium niobat, kwarsa, lantanum khormat Zirkonia, karbida Berilium titanat, stronsium titanat Zirkonia, alumina Zirkonia, berilium titanat Lantanum borida	Socket semikonduktor Osilator listrik, printer, alat ignisi/pemijar Resistor eksoterm, kapasitor mini Kapasitor tegangan tinggi Detektor oksigen, elektrolit padat Detektor gas, baterai surya, varistor Penembak katoda, layar datar
4.	Sifat Magnetik Mutu magnet	Fe2O3, MnO, BaO	Perekat magnetik ferit, penyimpanan data
5.	Sifat Optik Transparansi Transmisi optik Polarisator Pendar Fotosensivitas Optika inframerah	Alumina, ytrium oksida, MgO SiO2 Zirkonium oksida, timbal oksida, lantanum oksida Keramik tanah jarang, kalium arsenida, gelas Nd, YAG Gelas terhalogenisasi perak Gelas fluorida, kalkogenida	Lensa optik suhu tinggi, lampu natrium Serat optik, kamera observasi dalam, detektor optik Memori optik (reversibel) Laser semikonduktor, dioda berpendar Gelas tabir lensa, penyimpanan citra Militer
6.	Sifat Biologis	Alumina, apatit	Gigi buatan, tulang buatan, prostesis
7.	Sifat Kimia Absorpsi Katalis Antikorosi	Silika multipori, gelas alumina multipori Zeolit Zirkonia, alumina	Absorben, katalis, biorektor Katalis, perlindungan, lingkungan Reaktor suhu tinggi

d)     Ciri-ciri keramik yang lain

·         Tahan lama, sebab memiliki kuat tekan tinggi dan keras

·         Tahan terhadap serangan kimia (tidak dapat teroksidasi)

Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk :

• Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
• Tahan korosi
• Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor
• Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik
• Keras dan kuat, namun rapuh.

6     Aplikasi Keramik

Bahan – bahan keramik alami :

·         Limestone (CaCO₃) à batu gamping / kapur

·         Stone (batu ) à bahan bangunan paling tua

·         Sandstone (SiO₂) à pasir

·         Granite (batu besi) à (alumina silikat)

·         Sangat tahan lama

·         Sangat murah

·         Berperilaku sama dengan bahan keramik : rapuh

Aplikasi

1.      Semen dan beton : digunakan sebagai bahan bangunan.

2.      Glass

·         Soda – lime glass

Komposisi : 70 % SiO₂ ; 10 % CaO; 15 % Na₂O; 5% MgO / Al₂O₃

Aplikasinya : jendela dan botol, dll

Sifat : titik lebur rendah, mudah dibentuk

Gambar 1. Contoh aplikasi dari Soda – lime glass

Gambar 2. Soda Lime Glass Microspheres Particle sizes: 2 um to 3.4mm

Gambar 3. Surface of soda-lime glass following ruling test at a load of 0.9N [6]

·         Boronsilicate Glass (Pyrex)

Komposisi : 80 % SiO₂; 13 % B₂O₃; 4 % Na₂O; 3 % Al₂O₃

Aplikasinya : barang pecah belah untuk rumah tangga (masak), peralatan kimia

Sifat : kuat pada temperatur tinggi, koefisien ekspansi thermal (CET) rendah.tahan tekan terhadap kejut suhu (thermal shock)

Gambar 4. 1150 * 1700 mm pyrex borosilicate glass for lighting

industry with heat resistant

·         Lass glass – ceramic

Komosisi : 60 % SiO₂; 20 % Al₂O₃; 20 % Li₂O + TiO₂

Aplikasi : cooker tops, ceramic composites

Sifat : tahan terhadap kejut suhu

Beberapa contoh penggunaan keramik industri:

•         Peralatan yang dibuat dari alumina dan silikon nitrida dapat digunakan sebagai pemotong, pembentuk dan penghancur logam.

•         Keramik tipe zirconias, silikon nitrida maupun karbida dapat digunakan untuk saluran pada rotorturbocharger diesel temperatur tinggi dan Gas-Turbine Engine.

•         Keramik sebagai semikonduktor adalah barium titanate (BaTiO3) dan strontium titanate (SrTiO3). Sebagai superkonduktor adalah senyawa berbasis tembaga oksida.

•         Keramik dengan campuran semen dan logam digunakan untuk pelapis pelindung panas pada pesawat ulang-alik dan satelit.

•         Keramik Biomedical jenis porous alumina digunakan sebagai implants pada tubuh manusia. Porous alumina dapat berikatan dengan tulang dan jaringan tubuh.

•         Butiran uranium termasuk keramik yang digunakan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Butiran ini dibentuk dari gas uranium hexafluorida (UF6).

•         Keramik berbasis feldspar dan tanah liat digunakan pada industri bahan bangunan.

•         Keramik juga digunakan sebagai coating (pelapis) untuk mencagah korosi. Keramik yang digunakan adalah jenis enamel. Peralatan rumah tangga yang menggunakan pelapisan enamel ini diantaranya adalah kulkas, kompor gas, mesin cuci, mesin pengering.

A.    Kesimpulan

·         Keramik adalah senyawa padatan yang dibentuk melalui pemanasan tersusun dari gabungan padatan satu metal dan satu padatan unsure nonmetalik, atau gabungan dua padatan unsure nonmetalik (NMES), atau gabungan dua unsur padatan nonmetalik dan nonmetal.

·         Padatan kristalin yang partikelnya tersusun teratur dan padatan amorf yang keteraturannya kecil atau tidak ada sama sekali.

·         Mikro struktur bahan akan dapat menentukan sifat kimia, fisika, dan mekanis dari suatu material.

·         Keramik modern mempunyai ruang lingkup yang lebih luas dari kramik tradisional dan mempunyai efek dramatis pada kehidupan manusia seperti pada bidang elektronika, computer, komunikasi, aerospace dll.

·         Keramik memiliki karakteristik, yaitu: kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah, tahan korosi, sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor, sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik, keras dan kuat, namun rapuh.

·         Keramik mempunyai banyak aplikasi, terutama dibidang industri barium titanate (BaTiO3) dan strontium titanate (SrTiO3) sebagai bahan superkonduktor.

B.     Daftar Pustaka

Borsoum MW. 2003. Fundamentals of Ceramic. Department of Materials Engineering, Drexel University: USA.