Pengantar Ilmu Material dan Teknik

Disiplin ilmu material dan teknik dapat dibagi menjadi subdisiplin material science dan material teknik. Sebenarnya, science melibatkan penyelidikan hubungan yang ada antara struktur dan sifat bahan (yaitu, mengapa bahan memiliki sifat seperti itu). Sebaliknya, material teknik melibatkan, atas dasar korelasi struktur-sifat, perancangan atau merekayasa struktur material untuk menghasilkan seperangkat sifat bahan yang telah ditentukan. Dari perspektif fungsional, peran ilmuwan material mengembangkan atau mensintesis bahan baru, sedangkan insinyur material bertugas menciptakan produk baru atau sistem yang menggunakan bahan yang ada dan/atau untuk mengembangkan teknik pengolahan bahan.

Struktur Material

Secara singkat, struktur suatu material biasanya berkaitan dengan susunan komponen internalnya. Elemen struktural dapat diklasifikasikan berdasarkan ukuran dan dalam hal ini ada beberapa tingkatan:

  • Struktur subatomik: melibatkan elektron di dalam masing-masing atom, energinya dan interaksi dengan inti.
  • Struktur atom: berkaitan dengan kelompok atom menghasilkan molekul atau kristal.
  • Struktur nano: berkaitan dengan kumpulan atom yang membentuk partikel (partikel nano) yang memiliki dimensi nano (kurang dari sekitar 100 nm).
  • Struktur mikro: elemen struktural yang dapat diamati langsung dengan menggunakan beberapa jenis mikroskop (memiliki dimensi antara 100 nm dan beberapa milimeter).
  • Makrostruktur: elemen struktural yang dapat dilihat dengan mata telanjang (dengan rentang skala antara beberapa milimeter dan pada urutan meter).

Sifat Penting Material

Hampir semua sifat penting dari bahan padat dapat dikelompokkan menjadi enam: mekanik, listrik, termal, magnetik, optik, dan deteriorative. Untuk setiap kategori, ada jenis stimulus yang khas yang mampu memicu respons yang berbeda:

  • Sifat mekanis: menghubungkan deformasi dengan beban atau gaya yang diterapkan; contohnya modulus elastisitas (kekakuan), kekuatan, dan ketahanan terhadap patah.
  • Sifat listrik: sifat rangsangan medan listrik yang diterapkan pada bahan; contohnya konduktivitas listrik dan konstanta dielektrik.
  • Sifat termal: terkait dengan perubahan suhu atau gradien suhu melintasi bahan; contoh ekspansi termal dan kapasitas kalor.
  • Sifat magnetik: respon bahan terhadap penerapan medan magnet; contoh kerentanan magnetik dan magnetisasi.
  • Sifat optik: rangsangan bahan terhadap radiasi elektromagnetik atau cahaya; contoh indeks bias dan daya pantualan.
  • Karakteristik deterioratif: berkaitan dengan reaktivitas kimia; contohnya ketahanan korosi logam.

Berkenaan dengan desain, produksi, dan pemanfaatan bahan, ada empat elemen yang perlu dipertimbangkan yaitu: pemrosesan, struktur, sifat, dan kinerja. Kinerja suatu bahan tergantung pada sifat-sifatnya, yang pada gilirannya merupakan fungsi dari struktur. Struktur ditentukan oleh bagaimana bahan diproses. Hubungan timbal balik di antara keempat elemen ini biasanya disebut paradigma sentral dari ilmu material dan teknik.

Empat elemen dasar ilmu material teknik dan keterkaitannya antar elemen

Klasifikasi Material

Bahan padat telah dikelompokkan ke dalam tiga kategori dasar: logam, keramik, dan polimer, yang didasarkan pada susunan kimia dan struktur atom. Sebagian besar bahan jatuh ke dalam satu pengelompokan yang berbeda atau yang lain. Selain itu, ada bahan komposit yang merupakan kombinasi teknik dari dua atau lebih bahan yang berbeda.

Logam/Metal

Logam terdiri dari satu atau lebih unsur logam (misalnya, besi, aluminium, tembaga, titanium, emas, nikel), dan sering juga unsur nonlogam (misalnya, karbon, nitrogen, oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom dalam logam dan paduannya disusun dengan sangat teratur dan relatif padat dibandingkan keramik dan polimer. Untuk sifat mekanik, bahan ini relatif kaku dan kuat namun bersifat ulet (yaitu, mampu mengalami deformasi dalam jumlah besar tanpa patah), dan tahan terhadap fraktur. Bahan logam memiliki sejumlah besar elektron yang tidak terlokalisasi yaitu elektron-elektron ini tidak terikat pada atom tertentu. Banyak sifat logam yang dapat diatribusikan secara langsung ke elektron-elektron ini. Misalnya, logam adalah konduktor listrik dan panas yang baik, dan tidak transparan terhadap cahaya tampak; permukaan logam yang dipoles memiliki penampilan yang berkilau. Selain itu, beberapa logam (yaitu, Fe, Co, dan Ni) memiliki sifat magnetik yang baik.

Keramik

Keramik adalah senyawa antara unsur logam dan nonlogam paling sering oksida, nitrida, dan karbida. Misalnya, bahan keramik umum terdiri dari: aluminium oksida (atau alumina, Al2O3), silikon dioksida (atau silika, SiO2), silikon karbida (SiC), silikon nitrida (Si3N4), dan, sebagai tambahan, keramik tradisional tersusun oleh mineral lempung (misalnya, porselen), serta semen dan kaca. Berkenaan dengan sifat mekanik, bahan keramik relatif kaku dan kuat, kekakuan dan kekuatan sebanding dengan logam. Selain itu, mereka biasanya sangat keras. Secara historis, keramik telah menunjukkan kerapuhan yang ekstrim (kurangnya keuletan) dan sangat rentan patah. Namun, keramik baru sedang direkayasa ke telah meningkatkan ketahanan terhadap fraktur; bahan-bahan ini digunakan untuk peralatan masak, peralatan makan, dan bahkan bagian-bagian mesin mobil. Selanjutnya, bahan keramik biasanya bersifat isolator terhadap aliran panas dan listrik (yaitu, memiliki konduktivitas listrik yang rendah) dan lebih tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang keras daripada logam dan polimer. Berkenaan dengan karakteristik optik, keramik bisa transparan, tembus cahaya, atau buram, dan beberapa keramik oksida (misalnya, Fe3O4) menunjukkan memiliki sifat magnetik.

Polimer

Polimer seperti bahan plastik dan karet sudah lama dikenal. Banyak polimer organik yang secara kimia terdiri dari karbon, hidrogen, dan unsur nonlogam lainnya (yaitu, O, N, dan Si). Selain itu, polimer memiliki struktur molekul yang sangat besar, seringkali seperti rantai di alam, yang sering memiliki tulang punggung atom karbon. Beberapa yang umum adalah polietilen (PE), nilon, poli (vinil klorida) (PVC), polikarbonat (PC), polistirena (PS), dan karet silikon. Bahan-bahan ini biasanya memiliki kepadatan, sedangkan karakteristik mekanisnya umumnya berbeda dari bahan logam dan keramik, mereka tidak kaku atau kuat seperti jenis material lainnya. Namun, berdasarkan kepadatannya yang rendah, sering kali kekakuan dan kekuatannya pada basis per-massa sebanding dengan logam dan keramik. Selain itu, banyak polimer sangat ulet dan lentur (yaitu, plastik), yang berarti mereka mudah dibentuk menjadi bentuk yang kompleks. Polimer relatif lembam secara kimia dan tidak reaktif di sejumlah besar lingkungan. Selain itu, mereka memiliki konduktivitas listrik yang rendah dan nonmagnetik. Salah satu kelemahan utama polimer adalah kecenderungannya untuk melunak dan/atau membusuk pada suhu sederhana sehingga penggunaannya terbatas.

Komposit

Komposit terdiri dari dua (atau lebih) bahan individu yang berasal dari kategori yang telah dibahas sebelumnya: logam, keramik, dan polimer. Tujuan desain dari komposit adalah untuk mencapai kombinasi sifat yang tidak ditampilkan oleh satu pun material dan juga untuk menggabungkan karakteristik terbaik dari masing-masing komponen material. Sejumlah besar jenis komposit diwakili oleh kombinasi yang berbeda dari logam, keramik, dan polimer. Beberapa bahan alami juga tersedia pada komposit misalnya kayu dan tulang.

Salah satu komposit yang paling umum adalah fiberglass, di mana serat kaca kecil tertanam dalam bahan polimer (biasanya epoksi atau poliester). Serat kaca relatif kuat dan kaku (tetapi juga rapuh), sedangkan polimernya lebih fleksibel. Dengan demikian, fiberglass relatif kaku, kuat, dan fleksibel. Selain itu, ia memiliki kepadatan yang rendah.

Modulus elastisitas (kekakuan) versus grafik pemilihan massa jenis material

Material Tingkat Lanjut

Kategori bahan lainnya adalah bahan canggih yang digunakan dalam aplikasi berteknologi tinggi. Seperti semikonduktor (memiliki konduktivitas listrik antara mereka dari konduktor dan isolator), biomaterial (yang harus kompatibel dengan tubuh) jaringan), smart-material (yang merasakan dan merespons perubahan di lingkungan mereka dengan cara yang telah ditentukan), dan nanomaterial (yang memiliki fitur struktural pada orde nanometer, beberapa di antaranya dapat dirancang pada tingkat atom/molekul).

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments