Kebanyakan logam memiliki ketahanan panas yang luar biasa. Namun, jika terpapar suhu tinggi dalam jangka waktu lama, logam tersebut akhirnya akan mengalami oksidasi dan kelelahan termal. Kerentanan ini merupakan penyebab umum kegagalan komponen logam di lingkungan bersuhu tinggi seperti industri kedirgantaraan dan otomotif.
Untungnya, lapisan penghalang termal (TBC) membantu mengatasi masalah ini. Material khusus ini melindungi komponen logam dengan mengurangi paparan panasnya, menjadikannya teknologi utama dalam mesin pesawat canggih.
Sumber: Hapus percikan
Di antara berbagai material TBC, keramik canggih merupakan salah satu pilihan yang paling disukai karena konduktivitas termalnya yang rendah dan kemampuannya menahan suhu tinggi lebih baik daripada logam. Pada bagian berikut, kami akan membahas penerapan material keramik dalam pelapis penghalang termal.
Apa itu Pelapis Penghalang Termal?
Lapisan penghalang termal adalah material yang membantu mengurangi paparan komponen terhadap panas ekstrem. Lapisan ini membentuk lapisan pelindung yang melindungi komponen mesin dari suhu tinggi.
Biasanya, pelapis termal terdiri dari bahan dengan ketahanan suhu tinggi, daya tahan, dan konduktivitas rendah. Fitur-fitur ini membuatnya sangat efektif dalam meningkatkan efisiensi termal perangkat dan memperpanjang umur komponen penting.
Pelapis penghalang termal keramik, khususnya, telah menemukan aplikasi luas di berbagai industri, dari turbin mesin jet di sektor kedirgantaraan hingga sistem pembuangan otomotif dan turbin gas industri.
Misalnya, aplikasi pelapis keramik untuk mobil meliputi produksi poles mobil keramik dan perlindungan cat mobil keramik, antara lain.
Namun, bagaimana cara kerja pelapis keramik? Apa yang menjadikannya pilihan pelapis penghalang termal yang lebih disukai di sebagian besar industri?
Mengapa Material Keramik Baik untuk Pelapis Penghalang Termal?
Beberapa faktor berkontribusi terhadap meningkatnya preferensi untuk bahan keramik dalam pelapis penghalang termal. Berikut adalah tiga alasan utama:
Titik Leleh Tinggi
Seberapa sering Anda menjumpai keramik cair? Mungkin tidak terlalu sering, karena bahan keramik memiliki titik leleh yang sangat tinggi.
Pelapis penghalang termal keramik yang paling umum, yang terdiri dari zirkonia (ZrO₂) dengan penstabil yttria (Y₂O₃), dapat menahan suhu hingga 1200°C–1250°C bahkan sebelum retak. Ini jauh melampaui kemampuan banyak logam dan polimer.
Sumber: Gratispik
Kemampuan material keramik untuk tetap utuh pada suhu yang dapat mencairkan sebagian besar logam membuatnya sangat cocok untuk melindungi komponen mesin bersuhu tinggi. Hal ini menjadikannya TBC yang sempurna untuk badan pesawat ulang-alik dan kipas turbin mesin jet.
Konduktivitas Termal Rendah
Meskipun beberapa logam memiliki ketahanan termal yang tinggi, logam-logam tersebut merupakan konduktor panas yang sangat baik, sehingga rentan terhadap korosi suhu tinggi.
Di sisi lain, keramik canggih merupakan konduktor panas yang buruk, persyaratan utama untuk kinerja yang efisien dalam lingkungan termo-mekanis yang agresif. Berkat konduktivitas panasnya yang rendah, keramik ini tidak mengalami tekanan ekspansi termal yang terjadi saat komponen dipanaskan dan didinginkan secara cepat.
Selain itu, porositasnya memungkinkan mereka menyesuaikan dengan koefisien ekspansi termal bahan substrat yang membantu mencegah pengelupasan.
Secara keseluruhan, konduktivitas keramik yang rendah berkontribusi terhadap kemampuannya menjaga suhu substrat tetap rendah bahkan saat terkena panas ekstrem.
Tahan terhadap Oksidasi dan Korosi
Keramik secara inheren tahan terhadap oksidasi dan korosi, membuatnya ideal untuk penggunaan jangka panjang di lingkungan yang keras.
Reaksi kimia yang terjadi akibat panas tinggi menyebabkan logam mengalami degradasi seiring waktu di lingkungan bersuhu tinggi. Inilah sebabnya mengapa beberapa lapisan cat kendaraan berkarat atau kehilangan kilaunya saat terkena panas dan efek lingkungan keras lainnya dalam jangka waktu lama.
Dalam kebanyakan kasus, oksidasi dan korosi melemahkan komponen logam, mengorbankan integritasnya dan meningkatkan risiko kegagalan. Namun, bahan pelapis termal keramik, dengan ketahanannya terhadap korosi, dapat memberikan perlindungan yang luar biasa terhadap efek ini.
Dengan menggabungkan sifat-sifat ini, bahan keramik mengungguli pilihan lain, seperti polimer atau pelapis logam, dalam lingkungan termal ekstrem.
Untuk melihat contoh bagaimana pelapis penghalang termal keramik bekerja di industri otomotif, lihat ulasan Cerakote untuk Mobil ini.
Bagaimana TBC Keramik Diterapkan?
Insinyur telah merancang tiga teknik utama untuk menerapkan lapisan penghalang keramik pada komponen mesin. Metode ini menggabungkan peralatan khusus untuk memastikan kinerja dan daya rekat yang optimal. Yaitu:
Pelapisan Semprot Plasma
Metode pelapisan semprot plasma memiliki peringkat popularitas tertinggi dari semua teknik TBC keramik. Dengan menggunakan pendekatan ini, pemasok/teknisi pelapis penghalang termal melelehkan bubuk keramik dengan obor plasma lalu menyemprotkan partikel cair ke permukaan substrat.
Sumber: Gratispik
Teknik ini membantu menciptakan lapisan keramik yang kuat dan bersifat isolasi pada berbagai macam material.
Teknik semprotan plasma menunjukkan ikatan yang luar biasa dan risiko distorsi substrat yang minimal. Meskipun laju pengendapannya tinggi, teknik ini juga menjamin fleksibilitas yang luar biasa dalam ketebalan lapisan.
Fleksibilitas metode ini membuatnya dapat diaplikasikan pada berbagai kasus penggunaan pelapisan keramik profesional, termasuk pelapisan cat mobil. Namun, proses ini memerlukan kontrol yang tepat untuk mencapai pelapisan yang seragam di seluruh permukaan substrat.
Deposisi Uap Fisik Berkas Elektron (EB-PVD)
EB-PVD melibatkan prosedur yang hampir sama dengan pelapisan semprot plasma. Perbedaannya adalah ia menggunakan sinar elektron, bukan obor plasma, untuk menguapkan bahan keramik, sehingga uap dapat mengembun pada substrat.
Keuntungan utama metode ini adalah menghasilkan struktur kolom, yang membuat TBC memiliki ketahanan lelah termal yang unggul sekaligus meningkatkan kinerja mekanisnya.
Namun, teknik ini sering kali terbatas pada aplikasi bernilai tinggi karena tingginya biaya peralatan dan biaya terkait lainnya. Meskipun demikian, teknik ini menjamin lapisan keramik dengan kualitas tertinggi.
Teknik Sol-Gel
Teknik sol-gel melibatkan penerapan prekursor cair ke substrat, yang kemudian mengalami pengeringan dan perlakuan panas untuk menciptakan lapisan keramik padat. Metode aplikasi TBC yang baru ini memberikan alternatif yang hemat biaya dibandingkan dengan dua metode lainnya.
Berkat biaya yang lebih rendah dan kemudahan penggunaannya, teknik ini menunjukkan potensi besar untuk diaplikasikan dalam industri otomotif, dengan berbagai kasus penggunaan dalam menciptakan lapisan keramik bermutu profesional untuk mobil dan lapisan keramik teratas pada mesin industri lainnya.
Selain itu, kemampuan teknik sol-gel untuk menghasilkan lapisan tipis dan seragam menjadikannya pilihan yang menjanjikan untuk pelapis keramik pada kaca depan.
Pemikiran Akhir
Material keramik mendefinisikan ulang penerapan pelapis penghalang termal. Material ini memiliki ketahanan termal, daya tahan, dan kemampuan menahan oksidasi yang luar biasa. Sifat-sifat ini menjadikan keramik sebagai komponen penting dalam industri yang membutuhkan kinerja andal di lingkungan ekstrem.
Kemajuan teknologi akan menghasilkan inovasi berkelanjutan dalam bahan keramik dan metode aplikasi. Hal ini akan berkontribusi pada peningkatan penggunaan keramik dalam pelapis cat otomotif.