Sifat-sifat Serat Karbon

Serat karbon, yang mencirikan kekuatan luar biasa yang dikombinasikan dengan fleksibilitas yang sangat tinggi, merupakan salah satu bahan yang paling tangguh dalam hal sifat mekanik. Jadi apa sebenarnya yang membuat serat karbon begitu istimewa? Jadi mari kita masuk ke karakteristiknya dan mengetahui mengapa bahan yang paling umum di dunia.

Apa Itu Serat Karbon?

Serat karbon seperti namanya, terbuat dari untaian mikro yang mengikat rantai atom karbon dalam bentuk kristal. Hal ini menghasilkan serat yang sangat kaku, namun ringan. Ini adalah material komposit yang akan digabungkan dengan serat karbon, yang akan memberikan sifat-sifat lain untuk digunakan dalam aplikasi.

Bagaimana Serat Karbon Dibuat?

Proses pembuatannya dimulai dengan prekursor, biasanya polimer-poliakrilonitril (PAN) yang paling banyak digunakan. Polimer berubah menjadi serat, dan memanaskan polimer dapat mengekstraksi elemen non-karbon, meninggalkan rantai karbon murni yang panjang dan tipis. Langkah-langkahnya meliputi stabilisasi, karbonisasi, perlakuan permukaan, dan ukuran. Semua tahapan ini penting untuk mencapai sifat-sifat yang berbeda dari serat karbon. Proses menyeluruh ini, yang dilakukan pada suhu yang sangat tinggi, berarti bahwa serat yang dihasilkan sebagian besar terdiri dari atom karbon yang terikat erat.

Sifat Fisik Serat Karbon

Kepadatan

Ini memiliki densitas yang sangat rendah, sehingga sangat ringan. Sifat ini sangat cocok untuk aplikasi yang mementingkan bobot, seperti pada industri kedirgantaraan dan otomotif. Dengan berat yang sangat ringan, yaitu 1,6 g/cm³, sehingga bobotnya jauh lebih ringan daripada baja, dan bahkan lebih ringan dibandingkan aluminium, menjadikannya sebagai bahan yang sangat dicari oleh banyak industri untuk menyeimbangkan rasio kekuatan-terhadap-berat.

Struktur Molekul

Susunan molekul serat karbon adalah unik. Pola heksagonal adalah bentuk atom karbon yang terhubung, membuatnya sekuat baja, namun dengan berat yang lebih ringan. Satu polimer yang membentuk struktur kisi heksagonal memungkinkan kekuatan tinggi di dalam serat namun tetap memberikan fleksibilitas. Struktur grafit memberikan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi, yang dapat bermanfaat untuk aplikasi tertentu.

Fleksibilitas

Ini adalah struktur modular, hanya saja fleksibel dan dengan kekuatan yang besar. Serat ini fleksibel sekaligus memiliki kekuatan, yang berarti dapat mengambil bentuk yang berbeda untuk berbagai penggunaan yang berbeda. Arah orientasi serat ketika dipasang dapat menentukan seberapa kaku atau fleksibel bahan serat karbon, sehingga memungkinkannya untuk digunakan dalam berbagai situasi yang berbeda. Jadi untuk bagian yang membutuhkan kekakuan tinggi, serat karbon searah dapat digunakan, dan serat karbon anyaman digunakan jika diperlukan fleksibilitas dan ketahanan benturan yang lebih besar.

Sifat Kimiawi Serat Karbon

Komposisi Kimia

Blok bangunan serat karbon adalah atom karbon. Struktur sederhana ini memberikan stabilitas, membuatnya tahan terhadap banyak bahan kimia yang pada akhirnya akan merusak bahan lainnya. Kualitas serat karbon membuatnya tidak terlalu reaktif terhadap kondisi lingkungan dibandingkan bahan lainnya. Hal lain yang dapat kami tambahkan di sini adalah tidak seperti logam, serat karbon tidak rentan terhadap karat atau oksidasi yang merupakan manfaat tambahan saat berada dalam cuaca ekstrem.

Resistensi Kimia

Serat karbon sangat tahan terhadap korosi dan kerusakan kimia. Hal ini membuatnya dapat digunakan di lingkungan yang ekstrim dari paparan bahan kimia. Di pabrik pengolahan bahan kimia, misalnya, serat karbon biasanya digunakan untuk menahan zat korosif yang akan menyerang logam. Dengan ketahanan tingkat tinggi terhadap asam, basa, dan pelarut, komponen serat karbon dipastikan tahan lama dan fungsional - bahkan di lingkungan kimia yang ekstrem.

Sifat Mekanis Serat Karbon

Kekuatan Tarik

Kekuatan tarik serat karbon luar biasa, yang berarti dapat menahan beban tarik yang tinggi, kekuatan tarik ini membuatnya menjadi produk yang umum digunakan dalam industri kedirgantaraan dan otomotif. Di sisi lain, serat karbon memiliki nilai kekuatan tarik antara 3,5 dan 6,0 GPa, yang berarti lebih baik daripada kebanyakan bahan (dan bahkan baja) dalam hal berat. Serat karbon, karena ringan dan kaku memiliki kekuatan tarik yang sangat tinggi sehingga sangat ideal untuk digunakan dalam aplikasi penahan beban yang sensitif terhadap berat.

Kekuatan Tekan

Di samping kekuatan tarik, serat karbon juga memiliki kekuatan tekan yang tinggi. Ini berarti serat karbon dapat menahan tekanan yang cukup besar, sehingga berguna dalam konstruksi atau aplikasi tugas berat. Serat karbon memiliki nilai kekuatan tekan yang bervariasi yang ditentukan oleh jenis/orientasi serat, tetapi dengan kekuatan benturan yang relatif rendah. Sifat ini membuat plastik menjadi bahan favorit untuk bagian struktural yang harus menahan beban tekan tanpa deformasi.

Modulus Elastisitas

Modulus elastisitas serat karbon tinggi, yang berarti serat karbon dapat dibengkokkan ketika menerapkan kekuatan di atas batas elastis. Sifat ini memungkinkan serat karbon mempertahankan bentuknya bahkan di bawah beban ekstrem. Tergantung pada jenis serat karbon, modulus elastisitas biasanya berkisar antara 200 hingga 600 GPa. Serat karbon jauh lebih kaku daripada logam, namun kekakuan ini memungkinkannya untuk digunakan dalam aplikasi presisi seperti struktur kedirgantaraan di mana milimeter defleksi dianggap sebagai cacat desain.

Kekuatan Lentur

Tetapi serat karbon tahan terhadap patah, bahkan dengan pembengkokan yang signifikan. Berkat kekuatan lenturnya yang tinggi, serat karbon dapat digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan fleksibilitas dengan tetap menjaga integritas struktural. Karena serat karbon adalah bahan buatan manusia, kekuatan serat akan bervariasi berdasarkan bagaimana serat diorientasikan dan dilapisi. Komposit termoplastik, seperti serat karbon anyaman, sering digunakan pada produk yang membutuhkan peningkatan fleksibilitas dan kemampuan lentur, seperti peralatan olahraga dan komponen otomotif.

Kekuatan Dampak

Meskipun kuat, serat karbon bisa rapuh saat terjadi benturan. Menggabungkannya dengan bahan lain menghasilkan komposit dengan ketahanan pecah yang tinggi, sehingga meningkatkan kekuatan benturan bahan. Ketika dikombinasikan dengan resin epoksi dan polimer lainnya, serat karbon dapat menunjukkan ketahanan benturan yang tinggi. Karena alasan ini, komposit serat karbon cocok untuk menangani aplikasi yang sangat penting bagi keselamatan, seperti struktur tabrakan otomotif dan peralatan olahraga pelindung.

Ketangguhan Fraktur

Hal ini berguna untuk lapisan tertentu dari serat karbon karena ketika satu helai akan patah, serat karbon mengandung ketangguhan patah, yang menunjukkan seberapa baik serat karbon menghentikan pertumbuhan retakan. Meskipun tidak sesulit beberapa logam, serat karbon sangat ringan sehingga terkadang hasilnya tidak sebanding dengan kekurangannya untuk beberapa aplikasi. Dalam industri seperti kedirgantaraan dan otomotif, material harus kuat dan tahan terhadap kelelahan dan tekanan, sehingga ketangguhan retak sangat penting. Kemajuan lain dalam teknologi komposit serat karbon, baik murni maupun hibrida, telah meningkatkan ketangguhan patah dan aplikasi fungsionalnya.

Sifat Termal dari Serat Karbon

Titik Leleh

Secara umum, serat karbon tidak memiliki titik leleh yang sebenarnya karena tidak meleleh dalam kondisi standar. Sebaliknya, serat karbon terurai pada suhu yang sangat tinggi, yang membuatnya menguntungkan untuk aplikasi panas. Dalam kondisi non-oksidasi, serat karbon dapat menahan suhu hingga 3000 ° C. Ketahanan panas ini berguna dalam industri seperti kedirgantaraan, di mana suhu selama masuk kembali atau penerbangan berkecepatan tinggi dapat mencapai titik tertinggi yang luar biasa.

Konduktivitas Panas

Serat karbon memiliki sifat konduktif termal yang rendah. Serat karbon mempertahankan kekuatannya pada suhu tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi di lingkungan bersuhu tinggi, seperti ruang angkasa. Kualitas ini membuatnya ideal untuk digunakan dalam insulasi termal, di mana ketahanan panas adalah suatu keharusan, tetapi integritas struktural harus dipertahankan. Ini juga digunakan untuk perkakas pada suhu tinggi, di mana stabilitas dimensi sangat penting.

Konduktivitas Termal

Konduktivitas termal serat karbon bersifat anisotropik. Bahan ini menghantarkan panas secara efektif di sepanjang serat, tetapi mengisolasi di seluruh serat, sehingga menghasilkan sifat unik yang dapat dieksploitasi dalam berbagai aplikasi. Karena itu anisotropik konduktivitas termal, serat karbon menemukan aplikasi di mana perpindahan panas yang terkendali adalah penting. Seperti heat sink atau penghalang termal pada elektronik dan kendaraan berperforma tinggi.

Sifat Listrik dari Serat Karbon

Konduktivitas Listrik

Serat karbon memiliki konduktivitas listrik. diinginkan dalam banyak aplikasi seperti pelindung elektromagnetik, itulah sebabnya kita harus berhati-hati dengan hal ini di tempat di mana kita membutuhkan isolasi listrik. Faktanya, asosiasi dengan bahan ringan membawa kita ke bahan lain karbonkarena akan menghantarkan listrik sebagai grafit di samping sifat-sifatnya yang lain, itulah sebabnya Anda akan menemukan serat karbon yang digunakan dalam aplikasi seperti perlindungan pesawat terbang terhadap sambaran petir. Sebaliknya, meskipun karbon dalam beberapa bentuk dapat menghantarkan listrik, dalam desain komposit yang khas, perilaku seperti itu hanya terlihat secara tidak sengaja, yang berarti harus berhati-hati dengan isolasi komponen serat karbon dalam aplikasi seperti perangkat medis atau komponen listrik untuk mencegah konduksi yang tidak diinginkan.

Penggunaan Serat Karbon di Berbagai Industri

Industri Kedirgantaraan

Bobot serat karbon yang ringan, dikombinasikan dengan kekuatannya yang tinggi, membuatnya populer di dunia penerbangan. Dan untuk membantu menjaganya tetap efisien dan aman, pesawat terbang biasanya perlu dibuat dari bahan yang berat namun ringan. Ini memainkan peran penting dalam banyak struktur pesawat, seperti bagian badan pesawat, sayap, dan komponen interior. Hal ini menjadikannya bahan yang sangat penting untuk pesawat komersial dan militer karena kemampuannya untuk menahan beban yang tinggi dan suhu yang berubah-ubah.

Industri Otomotif

Di sektor otomotif, bahan ini digunakan untuk meningkatkan performa kendaraan. Karakteristiknya yang ringan membantu dalam meringankan bobot, yang meningkatkan jarak tempuh dan pengendalian. Kendaraan hemat bahan bakar, serta mobil sport dan kendaraan listrik, sering kali menggunakan serat karbon untuk meningkatkan akselerasi, pengereman, dan kemampuan menikung. Lantainya terbuat dari serat karbon, begitu pula komponen struktural, panel bodi dan trim interior, semuanya untuk bobot yang ringan dan daya tarik estetika.

Peralatan Olahraga

Bahan bangunan dengan spektrum serat karbon yang lebih ringan banyak digunakan oleh banyak produsen peralatan olahraga. Kekuatan serat karbon dan bobotnya yang lebih ringan membantu raket tenis, stik golf, dan sepeda. Desain serat karbon ringan sehingga para atlet dapat tampil dengan lebih terampil. Pada sepeda, rangka serat karbon memastikan keseimbangan sempurna antara kekakuan dan kenyamanan; pada golf, poros serat karbon meningkatkan kecepatan dan kontrol ayunan.

Peralatan Medis

Serat karbon juga digunakan dalam perangkat medis, memastikan kenyamanan serta daya tahan. Karena ringan dan daya tahannya, serat karbon bahkan telah digunakan pada roda kursi roda dan prostesis yang digunakan dalam pembedahan. Radiolusenya membuatnya cocok untuk digunakan dalam peralatan pencitraan, karena tidak mengganggu sinar-X atau teknik pencitraan lainnya. Hal ini menguntungkan karena komponen serat karbon dapat digunakan dalam tempat tidur pencitraan medis, memungkinkan pencitraan yang jernih tanpa gangguan.

Konstruksi

Serat karbon digunakan dalam konstruksi untuk memperkuat struktur. Seringkali CFRP digunakan untuk memperkuat balok, jembatan, dan bahkan bangunan yang diikat dengan polimer. CFRP memungkinkan peningkatan pada struktur yang sudah ada sebelumnya sehingga dapat membawa beban yang lebih besar dengan sedikit peningkatan berat. Ketahanannya terhadap korosi dan degradasi lingkungan membuatnya sangat cocok untuk proyek infrastruktur di lingkungan yang menantang seperti daerah pesisir.

Kesimpulan

Secara definisi, serat karbon adalah bahan komposit karena kuat, ringan, tahan terhadap bahan kimia dan serbaguna. Sifatnya yang beragam membuatnya penting dalam beberapa industri, mulai dari kedirgantaraan, olahraga hingga konstruksi. Dalam dunia evolusi teknis, serat karbon masih terus didorong ke dalam peran dan penggunaan baru, yang tentunya menandai tempatnya sebagai salah satu bahan utama di dunia modern kita. Sifat mekanik, termal, dan kimiawi dari serat karbon adalah alasan mengapa serat karbon menjadi salah satu bahan yang paling populer untuk aplikasi berkinerja tinggi. Penyesuaiannya terhadap kebutuhan, mulai dari kekuatan hingga fleksibilitas dan stabilitas termal, akan memastikan serat karbon terus menjadi pemimpin dalam ilmu pengetahuan material selama bertahun-tahun yang akan datang.