KERAMIK

   Sejarah

Keramik merupakan suatu kerajinan yang sejak dulu sudah digemari oleh masyarakat. Keramik adalah kerajinan yang terbuat dari tanah liat. Dimana akar kata keramik, yaitu keramos, berasal dari istilah bahasa Yunani, tepatnya nama sebuah daerah di Athena. Kota Keramos dijadikan istilah karena di sekitar daerah tersebut terdapat tempat tinggal para perajin tanah liat. Keramik sebenarnya tidak hanya terbuat dari tanah liat. Beberapa bahan lain untuk membuat keramik adalah sebagai berikut.

1. Bahan-bahan pembentuk gelas atau bahan-bahan pengikat, seperti silika, oksida borat, oksida fosfor, dan oksida arsen.

2. Bahan-bahan pelebur, seperti felspart, nephellin, dan bahan-bahan yang mengandung lithium, natrium, kalium, kalsium, dan magnesium.

3. Bahan-bahan yang dapat menghasilkan sifat-sifat khusus, seperti warna, sensitivitas, tekstur, danmachinabi li ty.

4. Bahan-bahan penolong, seperti air, minyak bahan perekat organik, dan elektrolit.

5. Bahan-bahancondit ioners dalam proses pembakaran.

Pada perkembangannya, industri keramik tidak hanya menggunakan tanah liat sebagai bahan dasar. Perajin juga memanfaatkan bahan-bahan yang bersifat abrasif, refraktori, whitewares, produk lempung struktural, gelas, enamel porselen, semen, atau beton, yang dikategorikan dalam kelompok produk industri keramik tradisional. Sedangkan, peralatan pada komputer, konduktor, fotonik/elektrooptik, hingga mikroelektronika ruang angkasa termasuk kelompok keramik modern.

    Pengertian Keramik

Keramik adalah sejenis bahan yang telah lama di gunakan, yaitu sejak 4000 SM. Barang barang yang di buat dari keramik adalah pot bunga dan bata. Dalam industri otomotive modern, keramik telah di gunakan sejak berpuluh-puluh tahun yang lalu, yaitu untuk menghasilkan ignition park di dalam proses pembakaran otomotif. Keramik juga berfungsi sebagai isolator listrik. Dewasa ini bahan keramik menjadi bahan yang penting di dalam mesin. Karena sifatnya yang kuat dan dapat merintangi kehausan pada temperatur yang tinggi sehingga bahan keramik ini baik digunakan di dalam komponen otomotif otomotif seperti bagian exzos, pelapis silinder, katup dan turbo charge.

Benda keramik dibuat dari bahan dasar yang berasal dari campuran berbentuk bubur yang mengandung aluminium silikat dan bahan-bahan aditif. Setelah dibentuk dalam keadaan plastis, keramik dikeringkan dalam udara dan dibakar satu atau beberapa kali.

Keramik mengandung beberapa unsur yang berlainan ukuran. Ikatan di antara atom-atom bagi struktur ini adalah jenis kovalen yang melibatkan perkongsian elektron dan ionik, yaitu ikatan dasar di antara ion-ion yang berlawanan. Kedua-dua ikatan ini jauh lebih kuat dari pada ikatan logam. Dengan itu ada beberapa sifat keramik yang lebih baik dari pada logam, terutamanya kekerasannya dan sifat ketahanan panas dan listrik.

Struktur kristal keramik boleh di dapati dalam bentuk kristal tunggal atau struktur polikristal yang mempunyai banyak bijian. Ukuran butiran sangat mempengaruhi sifat-sifat keramik. Butiran yang berukuran kecil adalah lebih kuat dan liat, dan dinamai keramik halus. Antara bahan mentah keramik yang tertua ialah tanah liat yaitu keramik berbutiran halus yang berbentuk kepingan.

Perbedaan dan kelebihan diantara keramik dengan logam dan bahan polimer adalah seperti berikut:

Keramik: Bahan bukan organik, kuat, tidak bertindak balas dengan bahan kimia, titik cair tinggi.Logam: Bahan-bahan organik, kekerasan dan kekuatan berbeda-beda, tidak stabil terhadap bahan kimia

    Sifat-sifat Bahan Keramik

Sifat yang umum dan mudah dilihat secara fisik pada kebanyakan jenis keramik adalah britle atau rapuh, hal ini dapat kita lihat pada keramik jenis tradisional seperti barang pecah belah, gelas, kendi, gerabah dan sebagainya, coba jatuhkan piring yang terbuat dari keramik bandingkan dengan piring dari logam, pasti keramik mudah pecah, walaupun sifat ini tidak berlaku pada jenis keramik tertentu, terutama jenis keramik hasil sintering, dan campuran sintering antara keramik dengan logam. sifat lainya adalah tahan suhu tinggi, sebagai contoh keramik tradisional yang terdiri dari clay, flint dan feldfar tahan sampai dengan suhu 1200 C, keramik engineering seperti keramik oksida mampu tahan sampai dengan suhu 2000 C. kekuatan tekan tinggi, sifat ini merupakan salah satu faktor yang membuat penelitian tentang keramik terus berkembang.

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. 

 

  Sifat Mekanik

Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi. Sifat-sifat ini bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik.

Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi struktural.

Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi memungkinkan atom-atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam strukturnya putus. Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh tekanan. Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya yang terlalu besar diterapkan.

Faktur rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat. Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus penampakannya. Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan. 

  Sifat Termal

Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.

Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya.

Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk.

Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi. Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660^oC. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175^oC, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400^oC 

  Sifat Listrik

Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai kapasitor. Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0. Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.

Sering pula digunakan bahan yang disebut dielektrik. Bahan ini adalah isolator yang dapat dipolarisasi pada tingkat molekular. Material semacam ini digunakan untuk menyimpan muatan listrik. Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak ada arus yang lewat.

Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160 kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam, elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu, maka hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu.

Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu.

Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor.

Dalam bahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya.

Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyak aplikasi komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar. Salah satu teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar. Kemampuan penghantaran ion didasarkan kemampuan keramik tertentu untuk memungkinkan anion oksigen bergerak, sementara pada waktu yang sama tetap berupa isolator. Zirkonia,Zr O2, yang distabilkan dengan kalsia (CaO), adalah contoh padatan ionik.

 

  Sifat Optik

Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, dan biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas, mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelas terfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.

Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalah polarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi, sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas.

Seperti dalam atom elektron-elektron dalam bahan berada dalam tingkat-tingkat energi tertentu. Absorbsi energi menghasilkan perpindahan elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Ketika elektron kembali ke keadaan dasar disertai dengan pemancaran radiasi elektromagnetik.

Dalam padatan elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital dalam pita valensi dan orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi.

Range energi cahaya tampak 1,8 sampai 3,1 eV. Bahan dengan gap energi di daerah ini akan mengabsorbsi energi yang berhubungan. Bahan itu akan tampak transparan dan berwarna. Contohnya, gap energi CdS sekitar 2,4 eV dan mengabsorbsi komponen cahaya biru dan violet dari sinar tampak. Tampak bahan tersebut berwarna kuning-oranye.

Bahan dengan gap energi kurang dari 1,8 eV akan opaque, sebab semua cahaya tampak akan diabsorbsi. Material dengan gap energi lebih besar 3,1 eV tidak akan menyerap range sinar tampak dan akan tampak transparan dan tak berwarna. Cahaya yang diemisikan dari transisi elektron dalam padatan disebut luminesensi. Bila terjadi dalam selang waktu yang pendek disebut flouresensi, bila didalam selang waktu yang lebih panjang disebut fosforisensi.

Cahaya yang ditransmisikan dari satu medium ke medium lain, misalnya dari gelas ke air akan mengalami pembiasan. Pembelokan cahaya ini adalah akibat perubahan kecepatan rambat yang asal mulanya dari polarisasi elektronik. Karena polarisasi meningkat dengan naiknya ukuran atom. Gelas yang mengandung ion-ion berat (seperti kristal timbal) memiliki indeks bias yang lebih besar dari gelas yang mengandung atom-atom ringan (seperti gelas soda).

Hamburan cahaya internal dalam bahan yang sebenarnya transparan mungkin dapat mengakibatkan bahan menjadi translusen atau opaque. Hamburan semacam ini terjadi antara lain di batas butiran, batas fasa, dan pori-pori.

Banyak aplikasi memanfaatkan sifat optik bahan keramik ini. Transparansi gelas membuatnya bermanfaat untuk jendela, lensa, filter, alat masak, alat lab, dan objek- objek seni.

Pengubahan antara cahaya dan listrik adalah dasar penggunaan bahan semikonduktor seperti Gas dalam laser dan meluasnya penggunaan LED dalam alat-alat elektronik. Keramik fluoresensi dan fosforisensi digunakan dalam lampu- lampu listrik dan layar-layar tv. Akhirnya serat optik mentransmisikan percakapan telepon dan data komputer yang didasarkan atas refleksi internal total sinyal cahaya

  Sifat Kimia

Salah satu sifat khas dari keramik adalah kestabilan kimia. Sifat kimia dari permukaan keramik dapat dimanfaatkan secara positif. Karbon aktif, silika gel, zeolit, dsb, mempunyai luas permukaan besar dan dipakai sebagai bahan pengabsorb. Kalau oksida logam dipanaskan pada kira-kira 5000C, permukaannya menjadi bersifat asam atau bersifat basa. Aluminaγ , zeolit, lempung asam atau S2O2 – TiO2 demikian juga berbagai oksida biner dipakai sebagai katalis, yang memanfaatkan aksi katalitik dari titik bersifat asam dan basa pada permukaan. 

  Kehandalan

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

    Jenis-jenis keramik

•       Bahan tanah (earthenware) (beling-beling berpori)
•       Tembikar (pottery) : batu merah, batu bakar
•       Bahan batu (stoneware) : pelat dinding, bejana
•       Tanah liat api (fire clay) : barang saniter yang tebal
•       Batu tahan api : chamotte
•       Produk khusus : filter cartridge, batu filter
•       Barang sintering (beling-beling padat)
•       Perkakas batu : pipa, organ penyekat, pompa, filter hisap, pelat filter, menara pencuci, benda pengisi, alat penukar panas, bejana, bejana pencuci.
•       Porselen : filter cartridge, penggiling bola, pompa pancar, benda pengisolasi.

    Keamanan

Hanya alat khusus seperti filter dari bahan batu atau filter cartridge boleh digunakan dalam ruang hampa (vakum). Yang lain tidak tahan terhadap keadaan vakum atau tekanan lebih.

    Pembuatan Keramik Industri

Keramik industri dibuat dari bubuk yang telah diberi tekanan sedemikian rupa kemudian dipanaskan pada temperatur tinggi. Keramik tradisional seperti porcelain, ubin (keramik lantai) dan tembikar dibuat dari bubuk yang terdiri dari berbagai material seperti tanah liat (lempung), talc, silika dan faldspar. Akan tetapi, sebagian besar keramik industri dibentuk dari bubuk kimia khusus seperti silikon karbida, alumina dan barium titanate.

Material yang digunakan untuk membuat keramik ini biasanya digali dari perut bumi dan dihancurkan hingga menjadi bubuk. Produsen seringkali memurnikan bubuk ini dengan mencampurkannya dengan suatu larutan hingga terbantuk endapan pengotor. Kemudian endapan tadi disaring dan bubuk material keramik dipanaskan untuk menghilangkan impuritis dan air. Hasilnya, bubuk dengan tingkat kemurnian tinggi dan berukuran sekitar 1 mikrometer (0.0001 centimeter).

A. Pembentukan

Setelah pemurnian, sedikit wax (lilin) biasanya ditambahkan untuk merekatkan bubuk keramik dan menjadikannya mudah dibentuk. Plastik juga dapat ditambahkan untuk mendapatkan kelenturan dan kekerasan tertentu. Bubuk tersebut dapat menjadi bentuk yang berbeda-beda dengan beragam proses pembentukan (molding). Proses pembentukan ini diantaranya adalah slip casting, pressure casting, injection molding, dan extruction. Setelah dibentuk, keramik kemudian dipanaskan dengan proses yang dikenal dengan nama densifikasi (densification) agar material yang terbantuk lebih kuat dan padat.

1.    Slip Casting. Slip Casting adalah proses untuk membuat keramik yang berlubang. Proses ini menggunakan cetakan dengan dinding yang berlubang-lubang kecil dan memanfaatkan daya kapilaritas air.

2.    Pressure Casting. Pada proses ini, bubuk keramik dituangkan pada cetakan dan diberi tekanan. Tekanan tersebut membuat bubuk keramik menjadi lapisan solid keramik yang berbentuk seperti cetakan.

3.    Injection Molding. Proses ini digunakan untuk membuat objek yang kecil dan rumit. Metode ini menggunaan piston untuk menekan bubuk keramik melalui pipa panas masuk ke cetakan. Pada cetakan tersebut, bubuk keramik didinginkan dan mengeras sesuai dengan bentuk cetakan. Ketika objek tersebut telah mengeras, cetakan dibuka dan bagian keramik dipisahkan.

4.    Extrusion. Extrusion adalah proses kontinu yang manama bubuk keramik dipanaskan didalam sebuah tong yang panjang. Terdapat baling-baling yang memutar dan mendorong material panas tersebut kedalam cetakan. Karena prosesnya yang kontinu, setelah terbentuk dan didinginkan, keramik dipotong pada panjang tertentu. Proses ini digunakan untuk membuat pipa keramik, ubin dan bata modern.

B. Densifikasi

Proses densifikasi menggunakan panas yang tinggi untuk menjadikan sebuah keramik menjadi produk yang keras dan padat. Setelah dibentuk, keramik dipanaskan pada tungku (furnace) dengan temperatur antara 1000 sampai 1700 C.

Pada proses pemanasan, partikel-partikel bubuk menyatu dan memadat. Proses pemadatan ini menyebabkan objek keramik menyusut hingga 20 persen dari ukuran aslinya. Tujuan dari proses pemanasan ini adalah untuk memaksimalkan kekerasan keramik dengan mendapatkan struktur internal yang tersusun rapih dan sangat padat.

    Kegunaan Keramik Industri

Keramik dinilai dari propertinya. Kegunaan keramik beragam disesuaikan dengan kemampuan dan daya tahannya. Keramik dengan properti elektrik dan magnetik dapat digunakan sebagai insulator, semikoncuktor, konduktor dan magnet. Keramik dengan properti yang berbeda dapat digunakan pada aerospace, biomedis, konstruksi bangunan, dan industri nuklir.
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 insulator adalah aluminum oksida (AlO3). 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.

Dirangkum dari berbagai SUMBER

Posted in: Unsur Kimia