Keramik terbuat dari campuran tanah liat, unsur-unsur tanah, bubuk, dan air, yang dipadatkan menjadi bentuk yang diinginkan.
Keramik telah digunakan selama ribuan tahun dalam berbagai aplikasi, mulai dari tembikar hingga solusi rekayasa canggih. Berkat sifat mekanik dan fisiknya yang unik, keramik digunakan dalam berbagai industri seperti konstruksi, kedokteran, otomotif, dan rekayasa kedirgantaraan.
Artikel kita hari ini berfokus pada keramik mulai dari bagaimana kita mendefinisikan keramik, apa saja sifat-sifatnya, dan kelebihannya. Mari kita bahas lebih dalam!
Definisi Keramik: Apa itu Keramik?
Keterangan Gambar: Apa itu Keramik?
Dari sudut pandang ilmiah, “keramik” adalah bahan anorganik non-logam. Keramik berbeda dengan bahan-bahan lainnya. selimut lempar dalam tekstil. Keramik dibuat dengan cara pemanasan, sintering, pemadatan, dan pemadatan.
Biasanya, keramik menawarkan kombinasi kekerasan, stabilitas termal, dan ketahanan kimia yang membuatnya berguna di banyak bidang teknologi.
Secara umum, kita membedakan menjadi dua jenis keramik, berdasarkan kegunaannya:
-
Keramik tradisional
-
Keramik tingkat lanjut
Keramik tradisional tersusun dari unsur-unsur alamiah atau duniawi seperti feldspar, kuarsa, tanah liat, dll. Keramik ini dapat diaplikasikan dalam berbagai barang rumah tangga sehari-hari, seperti kendi, vas, pot, pot tanaman, barang-barang konstruksi rumah, ubin, peralatan makan, dll., yang dibuat melalui proses pencetakan basah. Salah satu fitur pembeda dari mikrostruktur keramik ini adalah tidak terlalu seragam atau halus seperti pada keramik tingkat lanjut. Selain itu, mikrostrukturnya bervariasi tergantung pada komposisi tanah liat.
Keramik canggih adalah jenis keramik baru yang terbuat dari senyawa anorganik yang sangat murni yang disintesis secara artifisial dan di bawah kontrol ketat melalui pencetakan, sintering, dan perawatan lain yang diperlukan. Keramik ini dirancang untuk kinerja tinggi dengan sifat-sifat seperti tahan pakai, kuat, sangat kuat, serta tahan panas dan kimia.
Komposisi Bahan Keramik
Keramik dibuat dari kombinasi berbagai macam zat yang dapat mencakup campuran tanah liat, air, dan beberapa bubuk aditif untuk peningkatan tertentu, antara lain. Sifat mekanis, termal, dan kimia keramik berubah seiring dengan jenis dan rasio zat mentah yang dicampur bersama dalam komposisi tertentu. Komposisi campuran tertentu ini pada gilirannya menentukan sifat dan aplikasi khusus keramik akhir.
Keterangan Gambar: Mikrostruktur Keramik
Bahan-bahan Utama
-
Tanah liat: Ini memberikan plastisitas dan memudahkan pembentukan keramik sebelum pembakaran.
-
Silika (SiO₂): Komponen utama banyak keramik, sangat berkontribusi terhadap kekerasan dan ketahanan termal keramik.
-
Alumina (Al₂O₃): Aditif untuk kekuatan tinggi, ketahanan aus, dan stabilitas termal.
-
Zirkonia (ZrO₂): Terutama digunakan untuk keramik struktural, dikenal karena menambah ketangguhan.
-
Karbida dan Nitrida: Seperti silikon karbida (SiC) dan boron nitrida (BN), yang memberikan ketahanan aus dan stabilitas termal yang tinggi.
Jenis Bahan Baku
-
Alami: Tanah liat, feldspar, kuarsa, kaolin, dan mineral lain yang diekstraksi dari bumi.
-
Sintetis: Alumina, zirkonia, silikon karbida, dan material rekayasa yang dirancang untuk aplikasi berkinerja tinggi.
Jenis-jenis Keramik
Berbagai jenis keramik diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori, terutama berdasarkan komposisi kimia dan aplikasinya.
Keramik Oksida
“Keramik Oksida” merupakan keramik yang terbuat dari oksida logam seperti aluminium (Al), zirkonium (Zr), titanium (Ti), magnesium (Mg), dan lain-lain, dan dikenal karena stabilitas termalnya yang tinggi, ketahanan terhadap korosi, dan sifat isolasi listriknya.
-
Contoh: Alumina (Al₂O₃), Zirkonia (ZrO₂)
-
Aplikasi: Implan biomedis, refraktori, alat pemotong, dan isolator listrik.
Keramik Karbida
"Keramik Karbida" tersusun dari atom karbon yang terikat dengan logam. Keramik ini diproses melalui proses sintering. Dengan sifat-sifat seperti kekerasan ekstrem, ketahanan aus, dan stabilitas termal, keramik ini digunakan sebagai material berkinerja tinggi dalam rekayasa tingkat lanjut.
-
Contoh: Karbida Silikon (SiC), Karbida Boron (B₄C)
-
Aplikasi: Bahan abrasif, pelat baja, komponen suhu tinggi, dan komponen semikonduktor.
Keramik Nitrida
"Keramik Nitrida" mengandung atom nitrogen beserta ikatan logam dengan logam. Keramik ini terkenal karena ketahanannya terhadap suhu tinggi, kekuatan mekanis yang sangat baik, dan sifat listrik yang baik.
-
Contoh: Silikon Nitrida (Si₃N₄), Boron Nitrida (BN)
-
Aplikasi: Dirgantara, bantalan, komponen elektronik, dan aplikasi suhu tinggi.
Sifat Unik Keramik
Seperti yang disebutkan sebelumnya, sifat-sifat keramik bergantung pada komposisi spesifik dan struktur mikro atomnya. Secara umum, bahan keramik cenderung:
-
Kekerasan Tinggi
-
Tahan aus
-
Tahan korosi
-
Isolasi Termal dan Listrik yang Baik
-
Anti-Feromagnetisme (yaitu bersifat Nonmagnetik)
-
Tahan oksidasi
-
Inert & Stabil secara kimia
Sifat Mekanik Bahan Keramik
Keterangan Gambar: Sifat Fisik Keramik
-
Tahan Aus & Kekerasan Tinggi: Keramik memiliki kekerasan tinggi dan kualitas yang sangat tahan aus. Hal ini membuatnya sangat berguna untuk pembuatan alat pemotong listrik dan bahan abrasif. Misalnya, karbida tungsten (WC), keramik karbida, banyak digunakan dalam mata bor industri dan alat pemotong.
-
Keuletan dan Kerapuhan Rendah: Secara ilmiah, keuletan adalah kemampuan material untuk berubah bentuk secara permanen tanpa patah saat diregangkan. Tidak seperti kebanyakan logam, keramik tidak menunjukkan deformasi plastis hanya karena kekuatan tariknya yang rendah. Ini berarti keramik berubah bentuk saat tekanan diberikan, karena sifatnya yang getas. Keramik rentan pecah alih-alih berubah bentuk. Bahkan sedikit retakan mikro pada keramik dapat menyebabkan konsentrasi tekanan tiba-tiba yang menyebabkan fraktur getas. Namun, ada beberapa keramik yang ulet pada suhu sekitar seperti MgO, SrTiO3, dll.
-
Kekuatan Kompresi Tinggi: Secara umum, sifat-sifat keramik memungkinkannya menahan beban tekan yang ekstrem, yang berguna untuk aplikasi struktural. Sifat ini memungkinkan keramik digunakan di sektor konstruksi.
Sifat Termal Bahan Keramik
-
Konduktivitas Termal: Keramik secara umum memiliki konduktivitas termal yang rendah. Properti ini secara khusus digunakan dalam proses yang membutuhkan isolasi termal atau ketahanan terhadap suhu ekstrem. Misalnya, batu bata tahan api yang terbuat dari keramik tahan api digunakan dalam tanur dan tungku yang berfungsi sebagai isolator. Namun, beberapa keramik (misalnya, Silikon Karbida - SiC, Aluminium Nitrida - AlN) memiliki konduktivitas termal yang tinggi, sehingga berguna dalam pembuangan panas (elektronik, penukar panas).
-
Titik Leleh Tinggi: Seperti disebutkan sebelumnya, keramik memiliki titik leleh yang tinggi, memungkinkan kecenderungan operasional yang baik dalam pengaturan suhu tinggi.
-
Ketahanan Terhadap Guncangan Termal yang Buruk: Ketahanan terhadap Guncangan Termal adalah tentang kemampuan material apa pun untuk menangani perubahan suhu yang tiba-tiba. Sebagian besar keramik, terutama yang tradisional, memiliki sifat ketahanan terhadap guncangan termal yang buruk. Artinya, keramik rentan terhadap keretakan akibat perubahan suhu yang tiba-tiba.
-
Ekspansi Termal Rendah: Beberapa keramik menunjukkan pemuaian minimal terhadap perubahan suhu (misalnya Fused Silica), yang meningkatkan kestabilan dimensi. Sekali lagi, ada pengecualian terhadap sifatnya. Beberapa keramik menunjukkan pemuaian termal yang tinggi, seperti Zirconia (ZrO₂), yang memuai secara signifikan terhadap perubahan suhu.
Sifat Kimia Bahan Keramik
-
Ketahanan Tinggi terhadap Korosi: Sebagian besar keramik sangat stabil secara kimia, dan tidak bereaksi terhadap alam. Hal ini menambah sifat ketahanan kimianya yang kuat terhadap asam, alkali, dan lingkungan agresif lainnya. Keramik juga secara inheren tahan korosi.
-
Sifat Inert: Sifat inertnya terhadap faktor lingkungan seperti kelembaban, panas, dll., membuatnya ideal untuk aplikasi pemrosesan biomedis dan kimia. Hidroksiapatit biokeramik digunakan dalam cangkok tulang karena tidak bereaksi dengan cairan tubuh. Demikian pula, Zirkonia (ZrO₂), keramik tahan korosi, digunakan dalam pabrik pemrosesan kimia di seluruh dunia.
Aplikasi Material Keramik
Aplikasi Biomedis
Karena keramik memiliki sifat-sifat yang berguna seperti biokompatibilitas, kekuatan, dan ketahanan aus, keramik secara aktif digunakan dalam implan medis.
Beberapa aplikasinya adalah:
-
Prostetik dan Implan (karena biokompatibilitasnya, mereka digunakan dalam implan pengganti pinggul dan lutut)
-
Cangkok Tulang dan Pengisi (misalnya beberapa keramik seperti hidroksiapatit (HA) menunjukkan struktur seperti tulang alami)
-
Aplikasi Kedokteran Gigi (karena sifat estetika dan mekanisnya, sebagian besar implan gigi terbuat dari keramik seperti Zirconia)
-
Alat kesehatan (ditemukan pada alat pacu jantung, peralatan bedah, dan sistem pengiriman obat)
-
Kacamata Bioaktif (mereka juga merangsang pertumbuhan sel yang membantu regenerasi jaringan dan penyembuhan cedera/luka)
Aplikasi Dirgantara
Banyak komponen teknik kedirgantaraan seperti bilah turbin, pelindung panas, atau kerucut hidung, memerlukan sifat material canggih yang juga mampu melakukan pemotongan presisi. Keramik canggih sangat cocok karena sifatnya seperti konduktivitas termal, titik leleh tinggi, kekerasan tinggi, dll.
-
Bahan Struktural (karena kekuatannya yang tinggi, banyak keramik seperti silikon karbida (SiC) digunakan untuk komponen kedirgantaraan yang ringan dan berkekuatan tinggi)
-
Sistem Perlindungan Termal atau TPS (ubin keramik yang terbuat dari silika dan alumina digunakan dalam pesawat ruang angkasa untuk menahan suhu ekstrem selama masuk kembali ke atmosfer)
-
Keramik Ablatif untuk Pelindung Panas (jenis keramik ini melindungi pesawat ruang angkasa selama memasuki kembali atmosfer dengan cara mengikis secara bertahap untuk menyerap panas)
Elektronika dan Isolator
-
Kapasitor Keramik Multilayer (MLCC) dan Resistor (keramik seperti aluminium oksida, sangat penting dalam menyediakan isolasi dan menghilangkan energi sebagai panas dengan memanfaatkan MLCC dan resistor)
-
IC dan Semikonduktor (substrat keramik tipis dan datar, memiliki konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik yang rendah, konduktivitas termal yang tinggi, dan stabilitas kimia yang baik)
-
Semikonduktor dan PCB Keramik (keramik memiliki konduktivitas listrik yang rendah dan digunakan dalam semikonduktor dan PCB yang membutuhkan isolasi listrik yang tinggi)
-
Isolator Tegangan Tinggi (dalam fungsi tegangan tinggi, Porselen dan keramik berbasis Alumina sangat penting untuk saluran transmisi listrik)
Bahan Konstruksi
-
Batu Bata dan Genteng (Karena sifat-sifatnya seperti daya tahan, tahan api, dan isolasi termal, keramik berbasis tanah liat banyak digunakan dalam konstruksi batu bata dan genteng)
-
Peralatan Sanitasi (Sebagian besar toilet, wastafel, dan bak mandi yang ada di sana terbuat dari keramik vitrifikasi, karena keramik tersebut memiliki sifat inert seperti tahan terhadap kelembapan, noda, dan pertumbuhan bakteri)
-
Keramik Kaca (bahan keramik seperti Lithium Alumino-Silikat digunakan di meja dapur dan aplikasi arsitektur karena sifat estetika dan tahan panasnya)
-
Fasad dan Pelapis (keramik digunakan sebagai bahan fasad dan pelapis pada bangunan karena menawarkan sifat insulasi termal dan akustik yang diperlukan)
-
Aditif Semen dan Beton (untuk meningkatkan kekuatan, daya tahan, dan efisiensi campuran semen atau beton, aditif keramik seperti fly ash dan silica fume umumnya digunakan sebagai aditif)
Keunggulan Material Keramik
Keterangan Gambar: Keunggulan Keramik
Daya Tahan dan Umur Panjang
Seperti yang disebutkan sebelumnya, keramik memiliki masa pakai yang tahan lama karena kekerasannya yang tinggi dan sifatnya yang inert. Ini berarti tidak seperti logam, keramik tidak teroksidasi atau terkorosi di lingkungan yang keras. Selain itu, sebagian besar zat keramik tahan terhadap asam, alkali, dan bahan kimia agresif lainnya.
Properti Ringan
Selain memiliki daya tahan tinggi, keramik juga sangat ringan sehingga berguna dalam bidang teknik kedirgantaraan dan industri otomotif. Misalnya, SiC digunakan dalam cakram rem pesawat terbang karena rasio kekuatan dan beratnya yang tinggi.
Fleksibilitas Estetika
Dengan mencampur berbagai zat selama proses pembentukan, berbagai sifat estetika visual seperti warna, tekstur, dan hasil akhir, dapat diperoleh dari keramik. Misalnya, ubin porselen cukup terkenal karena strukturnya yang menarik secara visual. Beberapa keramik juga digunakan dalam optik dan tampilan (seperti kaca safir (Al2O3) yang digunakan untuk membuat kaca tempered untuk layar pintar) karena sifat transparansi dan optiknya.
Keterbatasan Material Keramik
Kerapuhan dan Kerapuhan
Keterangan Gambar: Struktur Mikro Keramik yang Rapuh
Meskipun secara umum, mereka memiliki kekuatan tekan yang tinggi, kekuatan lentur atau tariknya yang sangat rendah membuatnya getas dan mudah patah di bawah tekanan daripada berubah bentuk secara elastis seperti bahan lentur seperti logam.
Biaya Produksi
Pembentukan keramik mengalami proses sintering (yaitu memerlukan pemrosesan suhu tinggi, terkadang hingga sentrifugal 1500 derajat). Pemeliharaan suhu tinggi ini meningkatkan biaya produksi keramik secara keseluruhan. Selain itu, untuk keramik tingkat lanjut, biaya fabrikasi dan pemotongan presisi tinggi dengan CNC atau pencetakan 3-D juga menyebabkan biaya produksi yang tinggi. Manufaktur presisi melibatkan teknik mahal seperti pengepresan panas, deposisi uap kimia (CVD), dan sintering plasma percikan (SPS).
Namun, perlu dicatat bahwa hasil keseluruhannya sangat menguntungkan bagi kita manusia karena sifatnya yang unik.
Kesimpulan
Kita menjadi akrab dengan material keramik, sifat-sifatnya yang terkait, dan kelebihannya. Material keramik memiliki peran penting dalam kehidupan sehari-hari karena sifat-sifatnya yang unik, seperti daya tahan, ketahanan terhadap panas, dan stabilitas kimia.
Dengan kemajuan dalam ilmu material, keramik yang lebih maju dengan sifat konstruksi yang lebih baik akan tersedia bagi kita.