Month: April 2012

by

Sintering and Strength of Silicon Nitride-Silicon Carbide Composites

Pendahuluan

Silikon nitrida dan silikon karbida merupakan material yang memiliki sifat mekanik dan ketahanan terhadap suhu tinggi yang sangat baik. Material ini merupakan kandidat sebagai material komponen pada heat engine. Pengembangan sifat mekanik dari material silikon nitrida dan silikon karbida difokuskan pada persebaran partikel fasa kedua1-5. Wei dan Bekher4 melaporkan bahwa fracture toughness juga dapat ditingkatkan dengan persebaran partikel silikon karbida dalam matriks silikon nitrida.

Serbuk halus silikon nitrida dapat disinter secara mudah dengan penambahan aluminium oksida dan yttrium oksida8. Omori dan Takei9 menemukan bahwa kombinasi dari aluminium oksida dan yttrium oksida juga dapat digunakan untuk sintering serbuk silikon karbida dengan kondisi tekanan normal. Dengan demikian, A1203-Y203 oksida tampaknya menjadi aditif agar silikon karbida tersebar pada matriks silikon nitrida.

Tujuan utama dari percobaan pada jurnal ini adalah untuk mengetahui pengaruh sintering dan kekuatan pada komposit silikon nitrida-silikon karbida.

Percobaan

Bahan dasar yang digunakan adalah serbuk halus dan murni α-Si3N4 (HC Starck, LC 10) dan β-SiC (HC Starck, B 10). Ukuran partikel rata-rata dari masing-masing serbuk silikon nitrida dan silikon karbida adalah 0,5-1,0 µm. Serbuk yang mengandung sejumlah silikon nitrida dan silikon karbida dicampur dengan aluminium oksida (Alcoa, A 16) dan yttrium oksida (Ventron, 4 N) attritor mill dan diberi tekanan isostatik dingin sebesar 630 MPa.

Setelah proses kompaksi, kemudian hasilnya disinter dalam tungku elemen grafit dengan kondisi 0,1 MPa nitrogen. Uji bending dan fracture toughness kemudian dilakukan pada suhu ruang. Struktur mikro spesimen diamati dengan Scanning Mikroskop Elektron (SEM). Natrium hidroksida cair dan reagen Murakami digunakan sebagai bahan etsa. Natrium hidroksida cair mengetsa batas butir oksinitrida, sedangkan reagen Murakami mengetsa butir silikon karbida. Dari foto mikro, pori-pori dan butir yang muncul dihitung dan diukur.

Hasil dan Pembahasan

Tabel 1 mencantumkan hasil pengukuran kekuatan dan fracture toughness komposit. Semua sampel disinter dengan 10,5 wt% aluminium oksida dan 4,5 wt% yttrium oksida pada 1850 °C. Kekuatan diketahui meningkat dengan persebaran silikon karbida sampai pada fraksi 0,1. Sedangkan fracture toughness tidak menunjukkan adanya peningkatan dengan persebaran silikon karbida tersebut. Sampel dengan fraksi silikon karbida 0,2 atau lebih tinggi menunjukkan penurunan kekuatan dan fracture toughness, yang dapat disebabkan oleh peningkatan porositas sisa setelah sintering.

Ada banyak mekanisme yang dapat memperkuat matriks. Contohnya internal stress akibat ekspansi termal atau mismatch elastis yang dapat mempengaruhi kekuatan. Namun, pada pencampuran silikon nitrida dan silikon karbida mekanisme yang diinginkan adalah prestressing dari fase yang tersebar6, pembelokan dari propagasi retak oleh stress field7 dan menghilangnya energi retak mikro8-10. Partikel yang tersebar juga dapat bertindak sebagai penghalang bagi perambatan retak. Semua mekanisme tersebut dapat meningkatkan fracture toughness, Kic, dari material komposit dibandingkan dengan material matriks dalam keadaan murni11.

Dalam jurnal ini diketahui bahwa mekanisme ketangguhan tidak muncul. Dengan demikian peningkatan fracture strength dapat dijelaskan dengan penurunan ukuran flaw kritis karena tersebar partikel silikon karbida. Tabel 1 merangkum hasil perkiraan ukuran flaw kritis, c, yang dihitung dari fracture strength, σB, dan fracture toughness, Kic, dengan menggunakan persamaan Griffith c = (Kic / Y σB)1/2, dengan asumsi Y sebesar 1,13 ketika retak terbentuk. Ukuran flaw terkecil pada fraktur diperkirakan sekitar 60 µm dalam spesimen yang mengandung fraksi silikon karbida sebesar 0,1.

Gambar 5 menunjukkan struktur mikro dari sampel yang mengandung silikon karbida dengan fraksi 0 dan 0,2. Silikon karbida menimbulkan terbentuknya ukuran butir yang lebih kecil dan dengan homogenitas yang lebih baik dibandingkan dengan silikon nitrida yang disinter. Hal ini juga dibenarkan oleh hasil foto pada Gambar. 3. Dengan demikian persebaran silikon karbida mengakibatkan pergeseran pori dan distribusi ukuran butir yang lebih kecil setelah sintering dengan struktur mikro yang lebih homogen dibandingkan dengan silikon nitrida.

Kesimpulan

Campuran dari serbuk halus α-Si3N4 dan β-SIC dapat disinter pada tekanan normal dengan penambahan aluminium oksida dan yttrium oksida. Komposit dengan fraksi silikon karbida sebesar 0,05-0,1 memiliki kekuatan lebih tinggi dari silikon nitrida yang disinter. Penyebaran silikon karbida memperlambat pertumbuhan butir dan pori, tetapi tidak menguatkan material komposit. Dengan demikian penguatan dijelaskan oleh pengurangan ukuran critical flaw.


 Referensi

  1. Lange, F. F., Effect of microstructure on the strength of Si3N4-SiC composite system, J. Am. Ceram. Soc., 56 (1973) 445.
  2. Mah, T., Mendiratta, M. G. and Lipsitt, H. A., Fracture toughness and strength of Si3N4-TiC composites, Am. Ceram. Soc. Bull., 60 (1981) 1229.
  3. Faber, K. T. and Evans, A. G., Intergranular crack deflection toughening in silicon carbide, J. Am. Ceram. Soc., 66 (1983) C94.
  4. Wei, G. C. and Becher, P. F., Improvements in mechanical properties in SiC by addition of TiC particles, J. Am. Ceram. Soc., 67 (1984) 571.
  5. Greskovich, C. and Palm, J. A., Observations on fracture toughness of β-Si3N4-β-SiC composites, J. Am. Ceram. Soc., 63 (1980) 597.
  6. Evans, A. G., The role of inclusions in the fracture of ceramic materials, J. Mat. Sci., 9 (1974) 1145.
  7. Nadeau, J. S. and Dickson, J. I., Effect of internal stress due to a dispersed phase on the fracture toughness of glass, J. Am. Ceram. Soc., 63 (1980) 517.
  8. Davidge, R. W. and Green, T. J., The strength of two phase ceramic/glass materials, J. Mat. Sci., 3 (1968) 629.
  9. Kreher, W. and Pompe, W., Increased fracture toughness of ceramics by energy dispersive mechanisms, J. Mat. Sci., 16 (1981) 694.
  10. Evans, A. G. and Faber, K. T., Toughening of ceramics by circumferential microcracking, J. Am. Ceram. Soc., 64 (1981) 394.
  11. Rice, R. W., Mechanisms of toughening in ceramic matrix composites, Ceramic Engineering and Science Proc., 2 (1981) 661.
  12. Tanaka, Hidehiko, Peter Greil and Gunter Petzow, Sintering and Strength of Silicon Nitride-Silicon Carbide Composites, Int. J. High Technology Ceramics 1 (1985) 107 118.