Keramik adalah kelas material yang telah digunakan manusia selama ribuan tahun. Aplikasinya beragam, mulai dari tembikar hingga komponen kedirgantaraan yang canggih. Keramik dihargai karena kekerasan, kekuatan, ketahanan aus, isolasi listrik dan termal, serta stabilitas kimianya. Pada artikel ini, kami akan memberikan gambaran umum yang komprehensif tentang keramik, termasuk definisi, sifat, jenis, dan aplikasinya.
Apa itu keramik?
Keramik adalah kelompok bahan yang beragam yang dapat Anda temukan dalam produk seperti: ubin, batu bata, piring, kaca, dan toilet. Istilah "bahan keramik" adalah kategori yang luas yang sebagian besar ditentukan oleh kurangnya zat organik (yang didasarkan pada ikatan karbon-hidrogen) dan elemen logam. Tanpa adanya komponen-komponen tersebut, keramik dapat terdiri dari: tanah liat, mineral, oksida, dan senyawa lainnya. Pada dasarnya, keramik adalah bahan yang tersisa ketika kita tidak memasukkan bahan organik dan logam.
Keramik bersifat tahan api, yang berarti tahan lama dan dapat menahan suhu tinggi. Keramik juga tahan terhadap tekanan tinggi dan sebagian besar senyawa kimia dan umumnya merupakan konduktor listrik yang buruk. Sebagian besar keramik bersifat non-magnetik. Beberapa keramik mudah pecah, sementara yang lain sangat kuat.
Keramik dibagi menjadi dua kategori: tradisional (seperti yang ditemukan dalam tembikar) dan keramik yang lebih modern (keramik canggih). Keramik canggih direkayasa untuk memiliki sifat-sifat tertentu. Misalnya, banyak yang dibuat agar keras dan tahan lama. Keramik biasanya dibentuk pada suhu sedang dan kemudian dipanaskan atau "dibakar" pada suhu tinggi untuk menciptakan bahan yang keras dan tahan lama yang tahan panas, keausan, dan korosi. Bahan tersebut dianggap sebagai keramik setelah tidak lagi larut dalam air meskipun dipanaskan.
Di sini, penting untuk membedakan antara kelarutan dalam air dan porositas. Beberapa keramik masih berpori, yang berarti masih dapat menyerap air, tetapi tidak larut dalam air. Keramik dapat ditemukan dalam berbagai macam produk dan aplikasi termasuk: ubin, batu bata, keramik rekayasa yang digunakan dalam perangkat elektronik, dan komponen ruang angkasa. Gambar 1 adalah contoh keramik rumah tangga yang umum digunakan:
Apakah keramik sama dengan tembikar?
Tidak, keramik tidak sama dengan tembikar. Istilah tembikar dan keramik terkadang digunakan secara bergantian, tetapi meskipun merupakan istilah yang terkait, keduanya tidak sama. Keramik adalah istilah umum yang digunakan untuk berbagai macam bahan dan produk. Tembikar hanyalah salah satu bagian dari keramik.
Mungkin sulit untuk mendefinisikan keramik karena ini adalah istilah yang luas. Banyak bahan yang dapat diklasifikasikan sebagai keramik, termasuk, namun tidak terbatas pada semen dan batu bata. Namun, secara definisi, keramik mengacu pada bahan yang bersifat non-logam dan anorganik.
Tembikar, di sisi lain, hanyalah sebuah kategori wadah fungsional yang terbuat dari tanah liat. Wadah seperti cangkir kopi, vas, atau mangkuk sereal diklasifikasikan sebagai tembikar keramik. Tembikar juga dapat melayani tujuan artistik. Benda-benda ini dianggap sebagai bentuk keramik tertua. Itulah mengapa tembikar disebut sebagai keramik tradisional.
Terbuat dari apakah keramik?
Keramik terbuat dari tanah liat, elemen tanah, bubuk, dan air. Komponen-komponen ini digabungkan, dicetak ke dalam bentuk yang diinginkan, dan kemudian dibakar atau dipanaskan untuk menyelesaikan fabrikasi. Jenis dan proporsi spesifik bahan yang terlibat dapat bervariasi tergantung pada karakteristik produk keramik yang diinginkan. Sebagai contoh, beberapa keramik dapat dibuat dari tanah liat murni sementara yang lain dapat dicampur dengan bahan tambahan seperti feldspar atau silika untuk meningkatkan sifat-sifatnya. Keramik tingkat lanjut yang ditujukan untuk aplikasi khusus dapat dibuat dari bahan yang lebih eksotis seperti tungsten karbida, atau zirkonia.
Apa saja sifat-sifat keramik?
Sifat-sifat keramik, seperti halnya bahan apa pun, bergantung pada jenis atom yang terlibat, ikatan di antara mereka, dan susunannya. Struktur atom ini menentukan karakteristik material. Bahan keramik cenderung:
- Lebih keras dan lebih rapuh daripada logam
- Tahan aus
- Tahan api
- Isolator termal dan listrik yang baik
- Nonmagnetik
- Tahan oksidasi
- Stabil secara kimiawi
Mari kita pertimbangkan sifat mekanis dan kimiawi keramik secara lebih rinci di bawah ini:
Apa saja sifat mekanis keramik?
Sifat mekanik keramik meliputi:
- Kekuatan benturan yang buruk
- Kekuatan tekan yang tinggi
- Struktur yang sangat kaku dan kaku dengan sedikit atau tanpa hasil
- Adanya retakan mikro dapat menyebabkan konsentrasi tegangan lokal dan patah getas
- Kekerasan dan kekuatan dalam kompresi, dengan suhu pelunakan yang tinggi
- Ketahanan guncangan termal yang buruk
- Sifat rapuh
Apa saja sifat kimiawi keramik?
Dibandingkan dengan sebagian besar bahan teknik, sebagian besar keramik sangat stabil secara kimiawi. Keramik secara inheren tahan terhadap reaksi kimia dan korosi. Keramik juga umumnya lembam dan tidak bereaksi dengan asam atau basa. Namun, sifat kimiawi dapat bervariasi tergantung pada komposisi dan jenis keramik tertentu; beberapa keramik mungkin rentan terhadap korosi atau degradasi dalam kondisi tertentu sementara yang lain mungkin sangat tahan terhadap serangan kimia. Selain itu, keramik tertentu menunjukkan sifat kimia yang tidak biasa seperti kemampuan menghantarkan listrik atau bertindak sebagai katalis. Perilaku kimiawi umum keramik dapat diringkas sebagai:
Sebagian besar tahan terhadap serangan kimiawi oleh gas, cairan, dan bahkan lelehan suhu tinggi.
Umumnya lembam dan tidak reaktif dengan asam atau basa.
Apa saja jenis keramik yang berbeda?
Keramik biasanya terbagi dalam dua kategori:
- Keramik Tradisional: Keramik ini terbuat dari bahan alami seperti feldspar, kuarsa, atau tanah liat. Strukturnya tergantung pada komposisi tanah liat yang membuatnya lebih tidak sempurna dibandingkan dengan struktur mikro yang seragam pada keramik canggih. Keramik tradisional diproduksi dengan cetakan basah. Keramik ini terutama digunakan untuk barang keperluan sehari-hari dan bahan bangunan.
- Keramik Canggih: Keramik ini menggunakan bubuk sintetis seperti aluminium oksida, silikon karbida, dan silikon nitrida. Keramik ini dirancang dan direkayasa agar memiliki sifat khusus untuk aplikasi berkinerja tinggi. Keramik tingkat lanjut biasanya dibuat dari campuran bubuk dengan kemurnian tinggi yang diproses menggunakan teknik khusus untuk memberikan sifat unik pada produk akhir seperti kekuatan tinggi, ketangguhan, ketahanan aus, stabilitas suhu tinggi, dan kelembaman kimiawi. Masing-masing keramik ini dikenal karena kemampuannya untuk memenuhi tujuan tertentu, seperti permeabilitas, magnet, isolasi, dan konduktivitas. Banyak bahan dan jenis keramik yang berbeda yang termasuk dalam masing-masing kategori ini (tradisional dan canggih). Kami akan membahas sebagian di antaranya dalam bagian di bawah ini. Untuk tujuan artikel ini, kami akan mempertimbangkan tembikar sebagai keramik tradisional dan membandingkannya dengan keramik canggih.
Keramik tingkat lanjut
Beberapa jenis keramik canggih yang umum tercantum di bawah ini:
1. Silika
Silika (SiO2) adalah bahan yang dikenal luas karena ketahanan terhadap guncangan termal dan daya larutnya yang luar biasa. Ini adalah pilihan populer untuk aplikasi kedirgantaraan dan energi untuk produksi cangkang dan inti pengecoran investasi.
2. Tungsten karbida
Benda tungsten karbida terdiri dari partikel tungsten karbida yang diikat dengan pengikat logam. Bahan ini dikenal karena kemampuannya mempertahankan sifat-sifatnya pada suhu tinggi. Tungsten karbida sering dicampur dengan persentase kobalt atau nikel yang tinggi sebagai fase logam kedua untuk membentuk bahan yang dikenal sebagai "sermet." Tungsten karbida murni juga dapat diproduksi sebagai keramik teknis tingkat lanjut dengan menggunakan proses pengepresan isostatik panas bersuhu tinggi. Material yang sangat keras dan tahan aus ini digunakan dalam alat pemotong, nosel jet air abrasif, dan aplikasi lain yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan. Namun demikian, beratnya dapat membatasi penggunaannya dalam aplikasi tertentu.
Varietas porselen terkenal karena kekuatan, ketahanan terhadap serpihan, dan tembus cahaya. Bahannya terdiri dari abu tulang, kaolin, dan bahan feldspatik. Pertama kali diciptakan oleh Josiah Spode, seorang ahli keramik Inggris, pada tahun 1800-an. Karena daya tahannya yang unggul, porselen tulang dapat dicetak menjadi bentuk yang lebih tipis dari porselen. Porselen ini mengalami vitrifikasi selama produksi, tetapi transparansi yang dihasilkannya berasal dari perbedaan sifat mineral. Porselen tulang sering digunakan untuk peralatan makan dan benda-benda dekoratif karena penampilannya yang elegan dan daya tahannya.
3. Batu bata api
Batu bata tahan api terbuat dari bahan tahan api dan digunakan untuk melapisi tungku bersuhu tinggi, kotak api, perapian, dan tempat pembakaran. Batu bata api biasanya terbuat dari campuran tanah liat dan bahan lainnya dan dirancang untuk menahan panas yang ekstrem tanpa retak atau rusak. Batu bata ini juga memiliki konduktivitas termal yang rendah sehingga secara alami dapat menghemat energi. Sifat tahan api dari batu bata ini membuatnya ideal untuk aplikasi yang berfokus pada ketahanan dan daya tahan panas. Batu bata tahan api digunakan dalam berbagai aplikasi industri, termasuk pembuatan baja, pembuatan kaca, dan produksi keramik.
4. Tulang cina
Porselen tulang, juga disebut sebagai porselen halus, adalah jenis porselen yang terkenal dengan kekuatan, ketahanan terhadap serpihan, dan tembus cahaya. Bahannya terdiri dari abu tulang, kaolin, dan bahan feldspatik. Porselen ini pertama kali diciptakan oleh Josiah Spode, seorang ahli keramik Inggris, pada tahun 1800-an. Karena daya tahannya yang unggul, porselen tulang dapat dicetak menjadi bentuk yang lebih tipis dari porselen. Porselen ini mengalami vitrifikasi selama produksi, tetapi transparansi yang dihasilkannya berasal dari perbedaan sifat mineral. Porselen tulang sering digunakan untuk peralatan makan dan benda-benda dekoratif karena penampilannya yang elegan dan daya tahannya.
5. Silikon karbida
Silikon karbida (SiC) adalah bahan keramik canggih yang dikenal dengan ketahanan aus yang tinggi dan konduktivitas termal yang luar biasa. Bahan ini terdiri dari atom silikon dan karbon. Biasanya diproduksi dengan memanaskan campuran pasir (silikon dioksida) dan kokas minyak bumi (karbon) pada suhu tinggi. Karena ketahanan kimia yang luar biasa dan kekuatannya yang tinggi, SiC adalah pilihan ideal untuk aplikasi pemrosesan termal. Bahan ini secara khusus digunakan dalam aplikasi keramik tingkat lanjut yang membutuhkan bahan yang sangat tahan lama dengan konduktivitas termal yang luar biasa. Contoh spesifiknya termasuk alat pemotong, abrasif, dan perangkat semikonduktor.
6. Titanium karbida
Titanium karbida adalah jenis keramik canggih yang digunakan pada alat pemotong, pelapis tahan aus, dan aplikasi lain yang membutuhkan kekuatan dan kekerasan ekstrem. Keramik ini terdiri dari atom titanium dan karbon dan biasanya diproduksi dengan memanaskan campuran titanium dioksida dan karbon pada suhu tinggi. Titanium karbida dikenal memiliki sifat yang stabil bahkan pada suhu tinggi dan di lingkungan yang keras.
7. Keramik kaca
Keramik kaca adalah bahan komposit dengan kristal yang tertanam dalam matriks kaca. Keramik canggih ini dibuat dengan memanaskan kaca ke suhu tinggi dan kemudian mendinginkannya dengan cepat untuk membentuk bahan kristal. Kombinasi unik dari keadaan amorf dan kristal ini menghasilkan sifat yang dapat disesuaikan. Banyak varietas yang secara khusus dikenal karena kekuatan, ketangguhan, dan ketahanannya yang tinggi, serta ketahanannya terhadap guncangan termal.
Keramik ini pada awalnya dikembangkan untuk cermin dan dudukan teleskop astronomi. Namun, keramik kaca telah mendapatkan popularitas yang lebih luas, dan sekarang ditemukan dalam produk sehari-hari seperti kompor, peralatan masak, peralatan roti, dan reflektor berkinerja tinggi untuk proyektor digital.
Keramik tembikar
Keramik tembikar, atau disebut juga sebagai keramik tradisional, dapat dibagi menjadi tiga kategori:
1. Porselen
Porselen dibuat dari jenis tanah liat tertentu yang disebut kaolin, yang dikenal dengan ukuran partikelnya yang halus dan plastisitasnya yang tinggi. Porselen biasanya berwarna putih atau tembus pandang. Porselen dikenal karena kekerasan, kekuatan, dan daya tahannya. Porselen dibakar pada suhu tinggi, biasanya antara 1200 dan 1450 ° C, yang menyebabkan tanah liat menguap dan menjadi tidak berpori. Porselen sering digunakan untuk benda-benda dekoratif atau seni rupa dan barang-barang praktis seperti peralatan makan, isolator listrik, dan implan gigi.
2. Periuk
Bahan keramik periuk terbuat dari campuran tanah liat dan bahan lain seperti feldspar, kuarsa, dan abu tulang. Biasanya dibakar pada suhu tinggi (1200-1300 ° C), yang menyebabkan tanah liat menjadi vitrifikasi dan tidak berpori. Periuk dikenal karena kekuatan, daya tahan, dan ketahanannya terhadap keretakan dan goresan, dan sering digunakan untuk barang-barang praktis seperti peralatan makan, peralatan roti, dan tembikar.
3. Tembikar
Gerabah terbuat dari tanah liat dan dibakar pada suhu yang lebih rendah daripada jenis keramik lainnya - biasanya di bawah 1180 ° C. Hal ini menghasilkan bahan berpori yang kurang tahan lama dibandingkan periuk atau porselen, tetapi memiliki tampilan yang unik dan rustic. Gerabah sering digunakan untuk tembikar dekoratif, vas, dan patung-patung, serta untuk barang-barang praktis seperti pot bunga dan peralatan masak. Ini dapat dilapisi atau dibiarkan tanpa glasir dan sering dihiasi dengan slip berwarna, underglaze, atau desain yang dicat.
Apa saja aplikasi keramik tingkat lanjut yang berbeda?
Keramik tingkat lanjut memiliki berbagai macam aplikasi di berbagai industri. Beberapa contohnya meliputi:
- Kedirgantaraan: Keramik membentuk beberapa komponen bersuhu tinggi seperti bilah turbin, pelindung panas, dan kerucut hidung. Meskipun bahan-bahan ini sulit dibentuk menggunakan metode manufaktur konvensional, pencetakan 3D sekarang digunakan untuk membuat komponen kedirgantaraan dari keramik.
- Biomedis: Keramik muncul dalam implan medis karena biokompatibilitas, kekuatan, dan ketahanan ausnya.
- Elektronik: Perangkat elektronik menerima komponen keramik karena sifat insulasi listrik dan kemampuannya untuk menghilangkan panas.
- Energi: Bahan keramik penting untuk aplikasi energi seperti sel bahan bakar, panel surya, dan insulasi termal karena stabilitas termal dan ketahanan suhunya.
Bagaimana pencetakan 3D diterapkan untuk membuat Ssku cadang dirgantara yang terbuat dari keramik?
Pencetakan 3D menghadirkan cara potensial untuk membuat komponen yang rumit dan terperinci yang tidak dapat dicapai dengan menggunakan teknik pemesinan atau pencetakan tradisional. Ada beberapa proses pencetakan 3D yang tersedia untuk keramik, termasuk stereolitografi (SLA), sintering laser selektif (SLS), pengaliran material, pembuatan objek laminasi (LOM), dan pemodelan deposisi leburan (FDM). Setiap proses memerlukan bentuk bahan baku keramik yang berbeda. Contohnya, printer SLA menggunakan bubur atau pasta keramik sebagai bahan baku, yang merupakan campuran resin fotosensitif dan bubuk keramik. Komponen keramik dibuat oleh lapisan-lapisan yang berurutan dengan menggunakan laser untuk mempolimerisasi pasta, setelah itu bagian-bagiannya dikenai perlakuan panas untuk melepaskan ikatan dan densifikasi.
Teknologi terkait lainnya yang menggunakan pasta atau bubur keramik termasuk pencetakan cahaya langsung (DLP) dan teknologi manufaktur keramik berbasis litografi (LCM). Serbuk keramik juga dapat digunakan dalam printer pengaliran material, sementara filamen keramik padat dapat digunakan untuk LOM dan FDM. Dari semua proses ini, stereolitografi atau teknik fotopolimerisasi terkait adalah yang paling umum karena dapat mencapai hasil akhir permukaan yang bagus. Untuk informasi lebih lanjut, lihat panduan Bagaimana Cara Kerja Pencetakan 3D.
Apa saja keuntungan pencetakan 3D untuk membuat komponen dirgantara dari keramik?
Mencetak komponen kedirgantaraan 3D memiliki beberapa keunggulan yang berbeda dibandingkan dengan membuatnya melalui metode manufaktur konvensional:
- Fleksibilitas dan Inovasi Desain: Salah satu manfaat utama dari manufaktur aditif adalah kemampuan untuk membuat komponen yang kompleks, bentuk geometris, dan pola. Hal ini lebih penting untuk bahan keramik daripada yang lain karena keramik ini lebih sulit dibentuk.
- Penghematan Waktu dan Biaya: Produksi menggunakan manufaktur aditif seringkali lebih murah dan membutuhkan waktu yang lebih singkat daripada metode lainnya.
- Suku Cadang Pengganti dengan Properti yang Lebih Baik: Komponen keramik yang dicetak 3D sekarang digunakan untuk menggantikan komponen polimer atau logam. Dalam beberapa kasus, bahan dipilih bukan karena sifatnya, tetapi karena lebih mudah dibentuk menggunakan printer.
- Ketersediaan Bahan dan Dampak Lingkungan: Bahan keramik sudah tersedia, dapat diperoleh secara lokal, dan ramah lingkungan.
Apa saja contoh bahan cetak 3D yang terbuat dari keramik untuk dirgantara?
Beberapa bahan keramik cetak 3D lebih sering muncul dibandingkan bahan lainnya dalam komponen kedirgantaraan. Berikut adalah beberapa yang paling umum:
- Silika: Silika dikenal dengan ketahanan terhadap guncangan termal dan kemampuan pelindiannya yang luar biasa, sehingga menjadikannya pilihan populer untuk pengecoran investasi cangkang dan inti dirgantara.
- Alumina: Ini adalah bahan keramik dengan kekakuan dan kekuatan yang tinggi, ketahanan aus yang sangat baik, dan ketahanan kimia yang baik. Bahan ini digunakan dalam insulasi listrik suhu tinggi, komponen mesin, dan alat pemotong.
- Silikon Nitrida: Bahan keramik ini memiliki ketahanan goncangan termal yang sangat baik, kekuatan tinggi, dan ketangguhan yang baik. Bilah turbin, alat pemotong, dan komponen tahan aus dibuat dari silikon nitrida.
- Zirkonia: Ini adalah bahan keramik dengan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan aus yang tinggi. Bahan ini digunakan pada alat pemotong, pelapis penghalang termal, dan komponen mesin.
- Keramik kaca: Keramik ini dibentuk oleh kristalisasi kaca yang terkendali. Mereka memiliki sifat mekanik yang baik, stabilitas termal yang sangat baik, dan ekspansi termal yang rendah. Bahan ini digunakan dalam aplikasi seperti komponen optik dan sensor suhu tinggi.
Apakah keramik Cetak 3D diuji untuk daktilitas?
Tidak, komponen keramik cetak 3D biasanya tidak diuji keuletannya. Keramik pada umumnya tidak ulet dan oleh karena itu biasanya tidak dipilih ketika bagian cetakan 3D yang ulet diperlukan.
Apakah keramik cetak 3D diuji kerapuhannya?
Ya, keramik cetak 3D biasanya diuji kerapuhannya. Keramik dikenal rapuh, sehingga komponen yang dicetak perlu diuji sehingga para insinyur tahu bahwa komponen tersebut akan memenuhi persyaratan kekuatannya. Pengujian ini harus dilakukan pada bagian itu sendiri, karena desain bagian tersebut, serta parameter pencetakan dan material semuanya berperan dalam kerapuhan secara keseluruhan.
Apa manfaat keramik cetak 3D dibandingkan logam?
Keramik cetak 3D menawarkan kombinasi unik dari sifat-sifat yang membuatnya menarik untuk berbagai aplikasi kedirgantaraan, medis, dan industri. Keramik cetak 3D lebih disukai daripada logam dalam beberapa hal:
- Tahan Suhu Tinggi: Keramik dapat menahan suhu tinggi tanpa meleleh, bahkan pada titik-titik di mana logam akan kehilangan kekuatan dan bentuknya.
- Ringan: Keramik umumnya lebih ringan per satuan volume daripada logam, yang bermanfaat dalam industri seperti penerbangan di mana berat menjadi perhatian.
- Tahan Korosi: Tidak seperti banyak logam yang teroksidasi dengan cepat, keramik sangat tahan terhadap korosi.
Apa saja keunggulan keramik cetak 3D dibandingkan dengan plastik?
Keramik cetak 3D memiliki beberapa keunggulan berikut dibandingkan plastik:
- Ketahanan Suhu Lebih Tinggi: Keramik dapat menahan suhu yang jauh lebih tinggi daripada plastik tanpa mengalami degradasi.
- Kekuatan dan Daya Tahan yang Unggul: Keramik umumnya lebih kuat dan lebih tahan lama daripada plastik.
- Ketahanan Kimia yang Lebih Baik: Keramik lebih kecil kemungkinannya untuk bereaksi dengan bahan kimia daripada plastik.
- Umur yang Lebih Lama: Keramik lebih tahan lama dan memiliki harapan hidup yang lebih lama daripada plastik.
Disadur dari: www.xometry.com