Diktat Pemilihan Bahan dan proses III
175
Diktat Pemilihan Bahan dan Proses III FISIKA KRISTAL, KOMPOSITE, MATERIAL BIOLOGI Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindha, ST, MT Nip:197201161998031004 Teknik Mesin Universitas Udayana 2017
Transcript of Diktat Pemilihan Bahan dan proses III
Diktat
Pemilihan Bahan dan Proses III
FISIKA KRISTAL, KOMPOSITE, MATERIAL
BIOLOGI
Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindha, ST, MT
Nip:197201161998031004
Teknik Mesin
Universitas Udayana 2017
DAFTAR ISI
Bagian VI
Kristal Fisika: RepresentasiTensor untukSifatFisikBahan Kristal
(Crystal Physics: Tensor Representation for Physical Properties of
CrystallineMaterials) .............................................................................................................. 400
ContohSifat Tensor Menggunakan Matrix Fundamental (SifatFisik)
(Examples of Tensor Properties Using Matrix Fundamentals
(A Physical Property)) ................................................................................................... 401
Transformasi Tensor danOrientasiKristalpada Properties
(Tensor Transformation and CrystalOrientation Effects on Properties) ...................... 419
Anisotropielastisdalambentukcacat (bertekstur)danbahan Kristal
danpolikristalin yang ditumbuksecarabaik.
(Elastic Anisotropy in Deformed (Textured)and Directionally
Grown Crystallineand Polycrystalline Materials) ....................................................... 430
ContohStruktur Kristal Directional:AplikasiKomponenTurbin Gasdi Superalloy
(Examples of Directional Crystal Structures:Gas-Turbine
Component Applicationsin Superalloys) ...................................................................... 434
Bagian VII
BahandanStrukturKomposit
Composite Materials and Structures) ..................................................................................... 462
KlasifikasiStrukturdanBahanKomposit ..................................................................... 463
KompositEutektik (Eutectic Composites) .................................................................. 477
ContohKompositAlamdanStrukturKomposit.............................................................. 482
ContohStrukturKompositbuatanmanusia ................................................................... 511
Bagian VIII BahanBiologis (Biological Material) ..................................................................................... 527
StrukturdanFungsi Virus danBakteri
(Structure and Function of Viruses and Bacteria) ...................................................... 528
StrukturdanSifatBahan Keratin danBahanBiologis
BerbasisKeratin (Structure and Properties of keratin based and RelatedBiiological Material) .......... 543
PerbandinganSifat Material dan Material Biologis (Alami) ....................................... 571
400
Bagian VI
Kristal Fisika: Representasi
Tensor untuk Sifat Fisik Bahan Kristal
(Crystal Physics: Tensor Representation
for Physical Properties of Crystalline
Materials)
401
Contoh Sifat Tensor Menggunakan Matrix Fundamental (Sifat Fisik) (Examples of Tensor Properties Using Matrix
Fundamentals (A Physical Property))
Isi
Penghantar............................................................................. 401
Sifat Elastis dari Kristal ........................................................... 412
Refrensi................................................................................. 418
Abstrak
Sifat kristal tunggal pada khususnya seringkali berbeda dengan arah kristal yang
berbeda sebagai konsekuensi dari hambatan yang diberlakukan oleh pengemasan dan
pengaturan atom serta penempatan substitusi tidak murni atau cacat lainnya. Untuk
bahan polikristalin dengan orientasi butiran kristal yang lebih acak, sifat ini biasanya
rata-rata keluar, dan pengukuran mewakili nilai yang sama ke segala arah. Sifat multi
arah atau multi vektor semacam itu secara intrinsik terhubung, dan sifat-sifat yang
terhubung ini ditunjukkan oleh tensor atau susunan vektor yang diwakili secara
kristalografi (sebagai arah kristal). Tensor Ini atau susunan vektor memiliki
karakteristik peringkat kompleksitas tersendiri, yang memanifestasikan dirinya dalam
koefisien skalar karakteristik sifat. Notasi semacam itu mudah ditunjukkan oleh aljabar
matriks yang dalam kasus sifat tensor merupakan alat matematika yang hebat untuk
mempelajari atau memprediksi sifat kristal, terutama orientasi kristal.
Penghantar
Konsep sifat (sifat fisik) melibatkan ukuran respons struktur terhadap beberapa kondisi
atau tindakan yang dipaksakan (seperti suhu, tekanan, tegangan, dll.) Atau perubahan,
atau interaksi, gelombang atau partikel dengan struktur. Dalam kasus ideal struktur
kristal, kondisi atau tindakan dipaksakan pada kisi dan interaksi gelombang atau partikel
atom dalam kisi, elektron, foton, dan fonon yang berinteraksi dengan atom kisi: jumlah
atom, ukuran,
402
Gambar 1 Skema representasi variasi jalur bebas lintasan dengan struktur kisi dan /
atau arah. (a) simetri kubik sederhana. (b) Simetri dan variasi arah < hkl >. (c) Struktur
biner dengan medan listrik dan voltase (Ei) sejajar dan tidak paralel dengan J
pengaturan (atau simetri), ikatan, dan konsentrasi dalam struktur multi atom atau
multielemen. Sebagai konsekuensinya, pengukuran sifat fisik cenderung bervariasi
dalam arah atau struktur kristal yang berbeda dan dipengaruhi oleh spesimen dan ukuran
atom dan tingkat kristalinitas atau ukuran dan orientasi domain kristal, serta
ketidaksempurnaan.
Fitur-fitur ini, terutama efek simetri kisi atau orientasi pada sifat fisik seperti
konduktivitas atau resistivitas, ditunjukkan secara skematis (dan intuitif) pada Gambar
1. Dalam contoh ini (Gambar 1), efek susunan atom kisi dan atom spesies (atau ukuran)
dan penerapan medan listrik terapan, E, pada jalur bebas elektron, l, (atau I) terlihat.
Gambar 1 Skema representasi variasi jalur bebas lintasan dengan struktur kisi dan / atau arah. (a) simetri kubik sederhana. (b) Simetri dan variasi arah < hkl >. (c)
Struktur biner dengan medan listrik dan voltase (Ei) sejajar dan tidak paralel dengan J
403
Untuk orientasi yang menyajikan pengaturan yang lebih terbuka dimana jalur bebas
yang lebih panjang disukai, konduktivitas diberikan oleh:
Hal ini diamati pada Gambar 1a yang bila dilihat dalam kristal mungkin mewakili
resistivitas di arah <001>: = Sebaliknya, jalur bebas rata-rata dalam arah padat
yang dekat seperti ditunjukkan oleh Gambar 1b akan lebih pendek karena interaksi
elektron yang lebih sering dengan atom kisi, < hkl > < < 001 > dan resistivitas akan
meningkat untuk kondisi yang tersirat pada Gambar 1b. Sejalan dengan itu, Gambar 1c
menunjukkan bahwa bahkan untuk orientasi tertentu, atau struktur multikomponen dan
teratur, penerapan medan listrik, E, untuk memindahkan elektron (atau elektron, nc
dalam Persamaan 2), menciptakan kerapatan arus atau arus , J, memiliki nilai skalar arus
(ampere) / luas unit (cm2
bukan nilai skalar. Situasi ini ditunjukkan pada Gambar 1c dimana muatan listrik (arus)
mengalir lebih mudah ke arah yang berbeda dari medan listrik yang diterapkan, sesuai
dengan perbedaan resistivitas sebagai konsekuensi perbedaan dalam jalur bebas rata-
rata, < hkl >, dengan arah Kristal < hkl >. Perubahan pada spesies atom (dan
kemungkinan ukuran) juga mengubah jalur bebas rata-rata.
Seperti yang digambarkan pada Gambar 2, medan listrik dapat dipecahkan menjadi
komponen vektor E dalam koordinat Cartesian, di mana kita juga mengasumsikan
linearitas antara komponen medan listrik dan komponen kerapatan arus. Hal ini dapat
dinyatakan secara matematis oleh:
Persamaan 3 dapat digambarkan secara alternatif dalam bentuk matriks (aljabar):
404
Persamaan 4 juga dapat dinyatakan sebagai
Atau
Di Pers. 4, matriksnya
405
Gambar 2 Komponen vektor, Ei, Ji
= 90o) di mana hukum Ohm berlaku di dalam sel satuan: Ei = jJj
adalah matriks koefisien 3 x 3 atau kuadrat dan merupakan tensor peringkat kedua,
ij adalah koefisien tensor dan memiliki nilai skalar. Sejalan dengan itu,
nilai Ei dan Jj adalah koefisien atau nilai skalar dari vektor atau tensor peringkat satu
yang bersangkutan. Notasi indeks menunjukkan peringkat tensor, I atau j => rank 1
(sebuah vektor), ij => rank 2, ijk => rank 3, ijkl => rank 4, dll.
Tensor dapat digambarkan sebagai multi linear, fungsi skalar bernilai vektor, seperti
yang digambarkan dalam Pers. 4 dan 5. tensor adalah operator dan menyimpan
informasi dalam bentuk pemetaan linear vektor. Dalam pengertian ini, tensor memberi
umpan pada vektor untuk menghasilkan bilangan yang merupakan koefisien skalar yang
menggambarkan properti material. Harus ditunjukkan bahwa untuk tensor simetris,
koefisien tensor dari suatu properti berhubungan dengan sel unit struktur kristal yang
tersirat pada Gambar 2. Misalnya, koefisien diagonal untuk resistivitas dalam
Persamaan. 4 mewakili nilai-nilai utama dalam arah yang sesuai, 11= =
= z, dimana x, y, z (atau 1, 2, 3) menyiratkan arah kristal [100], [010], dan [001].
Gambar 2 Komponen vektor, Ei, Ji diterapkan pada sel unit kristal
= 90o) di mana hukum Ohm berlaku di dalam sel satuan: Ei = jJj
406
Gambar 2 oleh karena itu mewakili dasar kristal untuk properti, dan di mana koefisien
properti diperlukan dalam orientasi spesifik, [hkl], mungkin untuk pertumbuhan kristal
dalam orientasi [hkl], basis ini harus berorientasi pada benar dan matriks tensor yang
ditransformasikan dengan tepat. . Transformasi semacam itu dilakukan dengan matriks
transformasi, yang akan dijelaskan dan diilustrasikan nanti di bab ini.
Mungkin juga ditunjukkan bahwa sementara kristal kubik isotropik memiliki sifat setara
di semua arah bila tensor ekuivalen adalah peringkat kedua, tensor peringkat lebih
tinggi tidak menunjukkan perilaku ini. Hal ini terutama berlaku untuk sifat elastis,
kekakuan, dan koefisien kepatuhan, yang akan dijelaskan kemudian dalam bab ini, di
mana akan ditunjukkan bahwa jumlah koefisien ini untuk kristal tunggal kubik berbeda
berbeda dengan bahan polikristalin yang memiliki orientasi butir acak.
karya klasik J.F. Nye (1959) menjelaskan sifat fisik kristal menggunakan tensor dan
dapat berfungsi sebagai gambaran menyeluruh sifat fisik bahan kristal. Dalam hal ini
dapat diketahui bahwa sifat anisotropika bahan kristal tidak dapat diukur atau diwakili
sebagai tensor. Ini termasuk kekuatan tarik, tegangan mengalir, pertumbuhan kristal dan
butiran, energi bebas antarmuka, dll. Sifat seperti kerapatan, suhu, dan lain-lain diwakili
oleh tensor peringkat nol yang memiliki nilai skalar yang khas.
Penggunaan formalisme tensor untuk menyelidiki, menghitung, atau bahkan
meramalkan sifat material adalah alat yang kuat dan mudah digunakan dalam ilmu
material dan teknik. Dalam presentasi ini, kami hanya akan membahas beberapa konsep
untuk memberi pembaca beberapa apresiasi terhadap pendekatan ini.
Secara umum, matriks adalah deret bilangan bulat (atau koefisien yang memiliki nilai
skalar):
dimana T adalah matriks (atau tensor) dengan m baris dan n kolom, memiliki perintah
m x n. Matriks m x 1 disebut matriks kolom seperti diilustrasikan di atas dalam Pers. 4,
sedangkan matriks 1 xn disebut matriks baris yang terwakili dalam Pers. 4 sebagai
407
11 12 13 11 12 13]. Dalam pengertian ini perlu dicatat bahwa tanda kurung atau
parens adalah notasi yang identik dan akan digunakan secara bergantian dalam bab ini.
Mungkin dicurigai bahwa untuk struktur kristal biasa, struktur kristal tunggal kita tidak
akan memiliki sembilan komponen independen resistivitas yang ditunjukkan dalam
Persamaan. 4. Memang, karena simetri dan variasi parameter kisi dan kosinus arah,
hubungan antara tensor peringkat dua dan sistem kristal (Gambar 2 dalam Bab Prinsip
kristalografi) menjadi
ij = T ij 11 22 33 = T11, T22,
T33, dan lain-lain. Kita mengamati simetri cubic bahwa semua koefisien diagonal sama,
T11 = T22 = T33 = T, mewakili struktur kristal isotropik yang sempurna. Akibatnya,
tensor resistivitas di Persamaan. 4 untuk kristal kubik bisa ditulis
408
dan resistivitasnya sama ke segala arah. Di sisi lain, ini mengasumsikan struktur
komponen tunggal. Untuk sistem biner berurutan versus beraturan sebagaimana
diilustrasikan pada Gambar 1 dari Bab Struktur Logam dan Paduan, resistivitas dan
konduktivitas akan berubah. Selain itu, untuk struktur AB yang dipesan berbeda dengan
A3B, tensor dapat ditunjukkan oleh T1 = T2 = T3 untuk struktur kristal tetragonal.
Tentu saja kondisi untuk koefisien tensor (matriks) dari suatu properti dalam kristal
seperti yang dinyatakan di atas umumnya berlaku untuk properti yang digambarkan oleh
tensor peringkat kedua: tahanan dan konduktivitas listrik dan termal, permitivitas,
permeabilitas, dan difusi yang dan semua peringkat kedua tensor simetris yang diwakili
oleh Persamaan. 4 dan 5. Sebagai tambahan, sifat yang terbalik, seperti resistivitas dan
konduktivitas, memerlukan operasi inversi spesifik untuk matriks:
dimana [1] disebut sebagai matriks kesatuan:
Kronecker Delta. Untuk tensor peringkat kedua seperti resistivitas dan konduktivitas ,
Persamaan. 8 ditulis sebagai
atau sejak
ij adalah tensor konduktivitas, Persamaan 10 dapat dinyatakan oleh
409
Persamaan 12, bila dikalikan dan dievaluasi, menjadi:
Hasil ini tentu saja dalam sembilan persamaan dan sembilan hal yang tidak diketahui,
ij ij. Perhatikan bahwa perkalian matriks
adalah penggandaan kolom baris dari koefisien matriks (tensor), yang setara dengan
koefisien matriks kesatuan (atau tensor) yang sesuai, 0 atau 1. Perhatikan juga bahwa
-cm), sedangkan
-cm, sering disebut mhos (timbal ohm-
cm). Seperti diilustrasikan di atas, Pers. 13 hanya berlaku untuk kristal triklinik,
-mana.
Difusi seperti yang disajikan sebelumnya di Pers. 4 (bab Point Defects) diwakili oleh
tensor peringkat kedua sebagai matriks diffusivitas simetris:
dimana Dij sesuai dengan suhu spesifik untuk difusi spesimen dengan konsentrasi, C.
Dalam kristal tunggal, spesimen difusi mungkin tidak berdifusi paralel.
Tabel 1 Komponen ekspansi / kontraksi termal untuk beberapa struktur Kristal
410
ke gradien konsentrasi, ,sebagaimana tersirat dalam representasi Persamaan 13,
bentuk tensor hukum Fick.
Demikian pula, dan untuk bahan isotropik, sifat dielektrik dapat dinyatakan dengan
tensor peringkat kedua:
adalah tensor permitivitas. Namun, untuk bahan non isotropik,
dimana Kij ij adalah tensor peringkat kedua simetris yang memiliki bentuk
Persamaan. 4.
Mungkin juga
peringkat kedua yang menghubungkan skalar dan tensor peringkat kedua lainnya.
Dalam hal ini, koefisien ekspansi termal berhubungan dengan kontraksi atau ekspansi
ij ij adalah tensor simetris seperti yang digambarkan pada Pers. 4. Tabel 1
ij i (i = 1, 2, 3) yang
konsisten dengan tensor kristal yang dicatat sebelumnya. Sifat lain dari bahan kristal
juga diwakili oleh tensor peringkat ketiga dan keempat: T ijk, T ihkl. Tensor peringkat-
ketiga menghubungkan vektor ke tensor peringkat kedua seperti yang diilustrasikan,
misalnya, oleh efek piezoelektrik dimana tegangan (atau tekanan
kristal asimetris untuk menciptakan momen dipol listrik, P, yang sebanding dengan
tegangan:
untuk tegangan tekan:
411
Kebalikan dari efek piezoelektrik terjadi ketika penerapan medan listrik, E,
menghasilkan perpindahan atau ketegangan kristal:
dimana Ei adalah vektor seperti pada Pers. 5. Persamaan 20 pasangan perilaku elektrik
dan elastis kristal piezoelektrik.
Dalam kasus umum, tensor peringkat ketiga akan memiliki 27 komponen atau koefisien,
jk jk dalam Persamaan. 19 dan 20 di atas adalah simetris dalam
ijk juga akan simetris dalam jk, yang mengurangi koefisien menjadi 18
dan ditunjukkan oleh matriks 6 x 3. Akibatnya Eqs. 19 dan 20 dapat ditulis dalam notasi
subscript berikut:
dimana m = 1, 2, 3 dan n = 1, 2. ... 6, dan
dan matriks modulus piezoelektrik akan berbentuk
dimana dmn tidak berubah sebagai tensor, sedangkan dijk iya. Transformasi Tensor akan
dibahas nanti.
412
Sifat Elastis dari Kristal (Elastic Properties of Crystals)
Dalam kasus tensor peringkat-empat, dua tensor peringkat kedua saling terkait. Contoh
yang paling penting adalah tegangan
(22)
atau
(23)
dimana Persamaan 22 mewakili bentuk tensor hukum Hooke,
= E , (24)
dan E adalah modulus Young (atau modulus elastis). Dalam bentuk tensor dari
Persamaan 22, Cijkl mewakili a 9 X 9 matriks dengan 81 koefisien yang disebut
koefisien kekakuan elastis atau konstanta elastis. Sejalan dengan itu, S ijkl mewakili
tensor terbalik yang juga terdiri dari 81 penyesuaian koefisien elastis.
Gambar 3 mengilustrasikan penerapan tegangan normal (atau regangan) baik
pada tegangan (ekstensi) atau kompresi dan tegangan geser terkait yang dipecahkan di
permukaan sel satuan kristal kubik. Deformasi yang dihasilkan akan tergantung pada
arah aktual aplikasi tegangan dan kemudahan slip ke arah yang spesifik: <110> untuk
Gambar 3 Representasi tegangan (dan regangan) koefisien tensor untuk kristal kubik (sel satuan)
ij = Cijkl kl
ij = Sijkl kl,
413
fcc dan <111> untuk bcc seperti tercantum dalam bab " Pengantar Singkat Mekanika
Kuantum." Tegangan yang sesuai
(25)
yang setara dengan bentuk tensor dari ij. Dari bentuk umum Hukum Hooke
di Pers. 24, kita bisa menulis
(26)
dan
(27)
(28)
Matriks Cijkl ij),
ij, simetris tentang 9 x 9
matriks diagonal:
dan
Koefisien elastis ini dapat ditulis dalam notasi matriks kontrak, Cmn, mirip dengan
modulus piezoelektrik pada Persamaan. 21, dimana dalam hal ini m dan n masing-
masing indeks sesuai dengan pasangan indeks ij atau kl, sesuai dengan yang berikut:
(29)
Karena itu, menurut definisi kita bisa menulis
11 = 22 = - /E,
= - 11/ 33 = - 22/ 33.
Cijkl = Cj ikl
Cijkl = cij lk.
Notifikasi tensor : ij or kl 11 22 33 23 31 12 32 31 21
Matriks notasi : m or n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
414
dan karena simetri dalam kristal kubik, Pers. 22 dapat ditulis sebagai
(30)
dimana di Pers. 25, komponen tegangan geser adalah
(Gambar 3).
geser. Cnm di 6 x 6 matriks dalam Pers. 30 dapat dikurangi menjadi 21 konstanta elastis
bebas karena simetri kristal, dan seperti yang tercermin dalam Persamaan. 5 (bab
"Cacat Planar: Antarmuka Kristal"), karena sumbu koordinat pada Gambar 3 bertepatan
dengan sumbu kristal <100> yang invarian dalam simetri sampai 90º rotasi tentang
mereka, lalu
dan semua kons ij j tidak dapat
mempengaruhi iiij = 0,dll. Jadi, untuk kristal kubik 6 X 6 matriks
konstan elastis dalam Persamaan 30 dapat ditulis sebagai
(31)
Dari Pers. 30, hubungan antara t
ditulis sebagai
Tegangan pokok dan ketegangan
(31)
Tekanan geser dan regangan
415
Jadi, kita melihat bahwa untuk simetri kubik, ada tiga konstanta elastis bebas: C11., C12,
C44.
Untuk kristal kubik isotropik tensor kepatuhan, Smn, akan muncul dalam bentuk
Pers. 31, dimana
(33)
dan G adalah modulus geser yang juga diungkapkan oleh
(34)
dan modulus Young atau modulus elastis yang sesuai
(35)
Rasio Poisson juga diungkapkan oleh
(36)
Ternyata, agregat polikristalin pun bisa diungkapkan dengan Persamaan. 33, sementara
itu tidak berlaku untuk kristal kubik secara eksplisit kecuali jika isotropiknya sempurna.
Untuk kristal kubik anisotropika kita mendefinisikan rasio anisotropi
(37)
(C11 C12) /2 = C44 = 1/ S44 = G
G = 1/2 ( S11 S12 )
E = 1/S11 = C11.
S12= S11.
A = 2C44/C11 C12),
416
Ta
bel 2
Ko
nsta
nta
anisotro
pik
unt
uk
kristal
kub
ik
pad
asuh
u
rua
nga
na
D
at
a
dari
Hi
rth
da
nLo
th
e
(1
417
Data dari Hertzberg(1976)
dimana A = 1 untuk perilaku isotropik yang sempurna. Penyimpangan dari perilaku
isotropik dapat dinyatakan dengan A> 1 dan A <1. Untuk padatan isotropik, hanya ada
dua konstanta elastis bebas: C11, C12.
Hal ini dapat diamati pada Tabel 2 bahwa beberapa bahan kristal seperti
aluminium, berlian, molibdenum, dan vanadium cukup isotropik (A ~ 1), sedangkan
tungsten adalah satu-satunya bahan isotropik (A= 1). Sodium dan potassium sangat
anisotropik. Hal ini juga dicatat dalam Tabel 2 bahwa Persamaan. 33, 35, dan 36 hanya
berlaku untuk tungsten karena ini adalah kristal isotropik yang benar-benar murni. Nilai
untuk rasio modulus geser, G, dan Poisson yang tercantum dalam Tabel 2 dihitung dari
rata-rata Voigt (Voigt 1928): shear
G = (3Cij ij Ciij j) (38)
Dan
(39)
masing-masing. Di Pers. 38, strain lokal sama dengan strain rata-rata dalam agregat
polikristalin dimana semua butir diasumsikan mengalami regangan yang sama. Nilai ini
dapat disusun dengan nilai (rata-rata) terukur untuk modulus elastis dan geser dan rasio
Poisson, untuk logam kubik polikristalin yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Seperti yang disebutkan di atas nilai tensor (Tabel 2) hanya berlaku untuk W,
walaupun modulus elastis, E = C11, bahkan untuk tungsten berbeda pada Tabel 3, dan
sebagai konsekuensinya, notasi tensor seperti yang dikembangkan pada Persamaan. 31
dan 32 tidak berlaku untuk anisotropik (dan karena itu sebagian besar) kristal kubik dan
Tabel 3 Konstanta elastis (diukur di ruangan suhu) untuk polikristalin, logam kubik
418
bahan struktur lainnya. Mereka hanya menyediakan kerangka konseptual untuk properti
material atau koefisien properti.
Referensi
Hertzberg RW (1976) Deformation and fracture mechanics of engineering materials.
Wiley, New York, hal 8
Hirth JP, Lothe J (1968) Theory of dislocation. McGraw-Hill, New York
Nye JF (1959) Physical properties of crystals : their representation by tensor and
matrices. Oxford University Press, Oxford, UK Voigt W (1928) Lehrbuch der Kristalphysik. Teubner, Leipzing
419
Transformasi Tensor dan Orientasi
Kristal pada Properties
(Tensor Transformation and Crystal
Orientation Effects on Properties)
Isi
Pendahuluan ............................................................................................................... 419
Sudut Euler dan Contoh Transformasi ...................................................................... 422
Referensi .................................................................................................................... 429
Sebuah matriks baru dapat melakukan transformasi dari satu set sumbu Cartesian ke yang lain dengan rotasi sistematis melalui sudut
Akibatnya, ini memungkinkan koefisien tensor yang mewakili properti kristal yang
diukur dalam orientasi spesifik untuk dimatikan secara matematis ke dalam orientasi
lain, sehingga menghilangkan kebutuhan untuk mengimbangi koefisien properti.
Pendahuluan
Dalam kasus tensor peringkat kedua yang mewakili sifat, seperti resistivitas yang
digambarkan dalam Persamaan. 3 dan 4 dari bab "Contoh Sifat Tensor Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)" dalam konteks sistem sumbu koordinat Cartesian yang
ditunjukkan pada Gambar. 2 (bab "Contoh Properti Tensor Menggunakan Dasar
Matriks (Properti Fisik)"), properti vektor seperti Ei di Persamaan. 5 dari bab "Contoh
Properti Tensor Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)" dap at dievaluasi
sepanjang arah apapun relatif terhadap sumbu, x, y, z = x1, x2, x3, menggunakan formalisme transformasi baik untuk vektor atau koordinat sebuah titik. Selain itu, hal ini
dapat dilakukan dalam konteks arah kristalografi [hkl] 0 relatif terhadap petunjuk [100],
[010], dan [001] untuk simetri kubik yang merupakan karakteristik komponen utama, Ei
= E1, E2, E3, untuk contohnya.
Abstrak
420
Ini ilustrasi pada Gambar 1, di mana Ei = E [hkl] = Ep. Dapat dilihat bahwa hubungan
antara vektor E [hkl] dan sifat terarah asli E [hkl] = E [100], E [010], dan E [001] atau vektor pada arah Xp (x1, x2 , x3) dan di selesaikan ke arah Xi (di mana i = 1, 2, 3)
memberi
(1)
Dimana cos x1x1 adalah kosinus sudut antara xi (i = 1, 2, 3), sumbu asli, dan sumbu
(atau arah baru), x1 atau [h1k1l1] . Superskrip digunakan untuk menentukan sumbu
baru dari poros "lama" atau orisinal: x1 (lama), x1 (baru). Dengan menggunakan notasi ini, dan kosinus arah antara satu set sumbu
lengkap, xi, tabel tensor transformasi dapat dibangun yang menunjukkan transformasi
sumbu lama yang lengkap, xi ke sumbu baru, x1 , dengan menggunakan kosinus arah
yang diberikan oleh lip :
(2)
(3)
Gambar 1 Vektor (arah) [h1k1l1] atau x1 relatif terhadap sumbu utama kubik atau
ortogonal (atau petunjuk arah); [100], [010], [001]
421
dimana Persamaan 1 dapat ditulis sebagai
(4)
(5)
Sejalan dengan itu, dalam hal arah kristal [hkl], Pers. 4 dapat ditulis sebagai
(6)
Dari operasi ini juga dimungkinkan untuk menulis
(7)
atau
(8)
yang mewakili koordinat titik yang ditunjukkan oleh sumbu vektor x1 atau xi
(Persamaan 8). Sejalan dengan itu, untuk komponen medan listrik dari sumbu baru (atau
prima) relatif terhadap sumbu-sumbu lama seperti ditunjukkan pada Gambar 2,
(9)
Demikian pula, kerapatan arus dapat ditulis relatif terhadap sumbu baru sebagai
(10)
Menggantikan Persamaan 10 sampai Persamaan . 9
(11)
dan
(12)
dari bab "Contoh Properti Tensor Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)" ke
. Ini dapat dinyatakan secara umum untuk tensor peringkat
kedua, Tpq, yang akan diubah menjadi T ij :
(13)
Persamaan 3 juga dapat diekspresikan dengan menggunakan matriks transpose dalam
bentuk:
(14)
422
dimana
Sudut Euler dan Contoh Transformasi (Euler Angles and Transformation
Examples)
Transformasi sumbu, atau arah kristal ortogonal yang diilustrasikan pada Gambar 2,
juga dapat digambarkan dalam rangkaian urutan rotasi sudut yang disebut sudut Euler
(atau Euler) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2. Di sini, sumbu baru diwakili
oleh X, Y, Z berbeda dengan sumbu asli (lama) x, y, z untuk dua sistem koordinat. N
pada Gambar 3 disebut sebagai garis nodus dan tegak lurus terhadap bidang koordinat
adalah sudut antara
berputar mengelilingi Z.
Gambar 2 dan 3, karena mereka mewakili transformasi dari satu set sumbu ke
sumbu lainnya, terutama untuk kristal kubik isotropik, atau kristal ortogonal,
menggambarkan cara formal untuk memperoleh komponen tensor dalam orientasi baru
dengan menggunakan yang semula diukur dengan orientasi konvensional.
Selain itu, koefisien tensor juga dapat digunakan untuk menghitung besaran sifat fisik
yang berbeda dalam arah kristal yang berbeda, [hkl] . Ini juga berarti bahwa koefisien
sifat tensor yang diukur untuk kristal ortogonal sepanjang arah utama, x1, x2, x3 atau
[100], [010], [001], dapat ditentukan untuk orientasi ortogonal lainnya tanpa harus
mengulangi jumlah vektor sepanjang sumbu baru utama (atau arah).
Sebagai contoh transformasi tensor, pertimbangkan penentuan tensor
konduktivitas termal baru-baru ini untuk Sr4Bi4Ti7O24, oleh Zubuchen et al. (2012).
Gambar 2 Transformasi dari koordinat utama [100], [010], [001] sampai [h1k1l1] ,
[h2k2l2] , [h3k3l3] , atau x1, x2, x3 x 1, x 2, x 3
423
Sr4Bi4Ti7O24 adalah fase perovskite berlapis dan anggota suku fase Aurivillius. Oksida
berlapis bismut ini terdiri dari lapisan Bi2O22+
yang bergantian dengan unit perovskite
7ABO3. Ini adalah sel unit tetragonal yang sangat tidak biasa yang memiliki a = b =
3,88 A°, c = 64,7A°. Tensor konduktivitas termal yang sesuai ditentukan
(15)
dimana dalam medium isotropik,
(16)
Komponen hi mewakili konduksi panas sepanjang sumbu utama (atau arah) pada
Gambar. 5 dari bab "Meringkas Struktur Atom dan Ion: Tabel Periodik Unsur,"
sementara j mewak K / m).
Jika sumbu asli diputar di sekitar sumbu z atau sumbu x3
berlawanan arah jarum jam seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 4 akan menjadi arah [110] sedangkan sumbu x2 yang diputar dengan erat (x2 )
akan menjadi arah [110]. Tabel tensor transformasi (Persamaan 2) dapat dinyatakan
dengan
(17)
Gambar 3 Transformasi sumbu utama (ortogonal) x, y, z, ke X, Y, Z dengan sudut
424
Dari persamaan 3
atau dari Pers. 13 atau 14: (18)
Karena itu
Gambar 4 Transformasi koordinat utama: [100], [010], [001] ke [110], [110], [001]
berlawanan arah jarum jam sekitar [001] atau x3 (sumbu z
dalam koordinat Cartesian)
425
Melanjutkan, diamati hal itu
Karena itu
Melanjutkan, dapat diamati bahwa karena koefisien off-diagonal Kij (Persamaan 16)
adalah nol, Kij hanya akan memiliki koefisien diagonal, jadi K13, K23, K33, K31, K32
akan menjadi nol:
Dan
dan tensor yang berubah menjadi
(19)
Ada beberapa isu mengenai pelaksanaan transformasi tensor yang bermanfaat. Pertama,
harus diakui bahwa tabel tensor transformasi (dalam Persamaan 18) dapat diperiksa
dengan mencatatnya
(20)
cos2 2 2
= 1.
Oleh karena itu, untuk X 1 ( /2)2
+ ( /2)2
= 1, Selain itu, mengingat arah
kristal, [hikili] dan [hikili] , arah kosinusnya
426
Selain itu, orthogonalitas kristal yang ditransformasikan (atau sistem koordinat) juga
dapat diperiksa dengan mempertimbangkan:
(21)
mewakili bahwa arah aksial, x1 , x2 , dan x3 ) (Gambar 2).
Gambar 5 Transformasi koordinat utama: [100], [010], [001] sampai [110], [112],
[111]
427
Sebagai contoh, seseorang mungkin mempertimbangkan transformasi yang
digambarkan pada Gambar 5. Di sini, tensor transformasi dan tensor transformasi yang
sesuai dapat dinyatakan sebagai
Perlu dicatat, tentu saja, bahwa aplikasi tensor (dan matriks) tersedia melalui
Mathcad dan perangkat lunak komputer p ribadi terkait matematika lainnya. Meskipun
demikian, presentasi ini telah memberikan konsep dasar yang menggambarkan
kegunaan alat terkait tensor karena berlaku pada struktur kristal dan terutama sifat fisik
yang diterapkan pada struktur kristal.
Meskipun, seperti yang ditekankan berulang kali, banyak bahan dapat
diperlakukan sebagai isotropik, namun seringkali tidak begitu mikroskopis. Namun,
dalam bahan polikristalin, biji-bijian individu menunjukkan anisotropi dan simetri
kristal (Kocks et al., 2000), namun secara agregat, dan berorientasi acak, bahan tersebut
dapat dianggap mikroskopik isotropik, dan konstanta elastis sama di semua arah. Dalam
banyak kasus, modulus elastis (E) berbeda sepanj
E3, dan kondisi ini disebut orthotropik.
Dalam bahan kubik, modulus elastis dan geser (E dan G) dapat ditentukan ke
arah manapun (atau orientasi kristal), dengan menggunakan konstanta elastis dalam
persamaan berikut:
(22)
Dan
(23)
Dimana li1, lj2, lk3 adalah arah kosinus untuk arah [ijk] [hkl] dan fungsinya
(24)
Ini diilustrasikan pada Gambar 1 untuk sebuah arah [h1k1l1] = [hkl] dalam sel satuan
kisi kristal kubik, atau dalam notasi kristal yang berubah, kita dapat menggunakan yang
berikut ini:
428
Misalnya, untuk arah [100]
dan dengan demikian, Akibatnya,
seseorang dapat menghitung E100, E110, dan E111 untuk logam kubik dimana
ketaatan, S11, S12, dan S44, diketahui ( Tabel 2 dari bab "Contoh Properti Tensor
Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)") dan menggunakan Pers. 22. Nilai yang
dihitung untuk beberapa logam kubik biasa menggunakan Pers. 22 tercantum pada
Tabel 1.
Sangat menarik untuk memeriksa kecenderungan modulus elastis pada Tabel 1
yang, dibandingkan dengan konstanta elastis dalam Tabel 2 (bab "Contoh Sifat
Tensor Menggunakan Matriks Fundamental (Properti Fisik)"), terkait dalam beberapa
hal terhadap rasio anisotropi, A ( Persamaan 37 dari bab "Contoh Sifat Tensor
Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)"), serta varians dalam konstanta elastis
tertentu. Hal ini terutama penting untuk Mo berbeda dengan Fe, serta perbandingan
antara fcc Al dan Cu. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya (dan bersamaan dengan
Tabel 2 dari bab "Contoh Sifat Tensor Menggunakan Dasar Matriks (Properti
Fisik)"), W adalah satu-satunya logam isotropik yang benar-benar (A 1). Dalam konteks
Tabel 1 Menghitung elastis modulus untuk beberapa logam kubik umum
429
Tabel 1 dan Pers. 22, dapat diapresiasi dimana tekstur, terutama tekstur kuat seperti
pada solidifikasi terarah, dan terutama dalam menumbuhkan kristal tunggal logam dan
paduan yang sangat kompleks (seperti pisau turbin superalloy, dll.), Modulus elastisitas
yang berlaku mungkin penting. Selain itu dan sebagai implisit bahkan dalam data yang
terbatas dan agak spesifik pada Tabel 1, asumsi mengenai tren modulus mungkin sama
sekali tidak berdasar, dan diagnostik kalkulatif yang difasilitasi oleh Pers. 22 mungkin
merupakan proses penting dan strategi perancangan kinerja. Ini juga bisa menjadi ciri
penting serat (reinforcement)
komposit dimana modulus dan orientasi serat memiliki konsekuensi penting yang akan
dibahas kemudian sehubungan dengan komposit serat uniaksial (terarah) atau komposit
orthotropik laminasi.
Referensi
Kocks UF, Tome CH, Werk H-R (2000) Texture and anisotropy preferred orientations
in polycrystals and their effects on materials properties. Cambridge University
Press, Cambridge, UK
Zurbuchen MA, Cahill DG, Schubent J, Jia Y, Schlom DG (2012) Determination of the
thermal conductivity tensor of the n . 7 Aurivillius phase Sr4Bi4Ti O24. Appl Phys
Lett 101: 021904-1 to 4
430
Anisotropi elastis dalam bentuk cacat (bertekstur)
dan bahan kristal dan polikristalin
yang ditumbuk secara baik.
(Elastic Anisotropy in Deformed (Textured)
and Directionally Grown Crystalline
and Polycrystalline Materials)
Isi
Pendahuluan ............................................................................................................... 430Efek Tekstur .............................................................................................................. 430
Referensi .................................................................................................................... 433
Dalam bab singkat ini, kemampuan untuk mengkarakterisasi bahan polikristalin
bertekstur menggunakan teknik rata-rata untuk modulus elastis dijelaskan secara
singkat.
Pendahuluan
Sementara orientasi kristal tunggal dapat mendikte sifat, bahan polikristalin yang
memiliki butiran kristal komponen yang identik identik atau hampir identik dapat
memiliki efek yang sama. Sejalan dengan itu, orientasi proporsional yang mewakili
tekstur juga dapat mempengaruhi sifat agak sebanding dengan proporsi orientasi
komponen. Dalam kasus modulus elastis atau modulus Young, fraksi butir orientasi
terbesar diperkirakan akan mendominasi, bahkan dalam konteks tekstur modulus rata-
rata yang khas. Hal ini terutama terjadi pada logam dan paduan dimana tekstur terjadi
dalam pembentukan operasi seperti rolling atau ekstrusi.
Efek Tekstur (Texture Effects)
Berbeda dengan bahan isotropika, sifat anisotropika pada suatu titik dalam material
bervariasi dengan arah atau orientasi sumbu referensi. Jika sifat sepanjang arah sama
dengan arah simetris sehubungan dengan bidang, maka bidang tersebut disebut sebagai
bidang simetri material.
Bahan orthotropik memiliki setidaknya tiga sumbu tegak lurus yang disebut sumbu
utama atau sumbu material utama. Untuk bahan orthotropik dengan bidang simetri
Abstrak
431
sejajar sejajar sumbu koordinat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 5 dari
bab "Contoh Sifat Tensor Menggunakan Dasar Matriks (Properti Fisik)," Hukum Hooke
dapat dinyatakan oleh tensor kepatuhan berikut:
(1)
dimana sumbu utama 1, 2,3 bertepatan dengan sumbu Cartesian x, y, z dan tegangan
geser, Gij, berada dalam bidang yang sejajar dengan 12, 13, 23 dan vij (rasio Poisson)
mencirikan strain normal dalam arah simetri yang bertepatan. dengan tekanan yang
diterapkan dalam arah ini. Dalam kristal kubik, modulus Young dalam beberapa arah
yang berubah - ubah (atau arah kristalografi) yang diilustrasikan pada Gambar. 1 di bab
"Transformasi Tensor dan Orientasi Orientasi Kristal pada Properti", dan diungkapkan
oleh Pers. 22, bisa ditulis sebagai
(2)
Dimana f (lij, lj2, lk2) adalah fungsi kosinus arah yang diberikan oleh Eq. 24 (bab
"Transformasi Tensor dan Efek Orientasi Kristal pada Properti"). Persamaan 2 dapat
diterapkan pada arah kristal atau batang kristal tunggal atau serat dengan cara yang
sama Persamaan. 24 bab "Transformasi Tensor dan Orientasi Orientasi Kristal pada
Properti" diterapkan.
Persamaan 2 juga dapat diterapkan pada aturan polikristalin, dimana karena
tekstur atau pertumbuhan terarah, beberapa derajat anisotropi tercipta yang, dalam
konteks modulus elastis (Kocks et al., 2000), dapat digambarkan dengan beberapa
modulus directional rata-rata pada bentuk
(3)
432
-rata dari fungsi kosinus arah
(4)
Dalam agregat polikristalin acak, sumbu kubus akan berada ke
sumbu referensi, x3, seperti yang diilustrasikan dalam skematik Gambar 1a. Disebut
Gambar. 1 di bab "Transformasi Tensor dan Orientasi Orientasi Kristal pada Properti",
rah <001> dan <111>,
1/5 telah dihitung untuk agregat acak. Untuk kasus
penggambaran kawat, ekstrusi, atau penggulungan deformasi yang ditunjukkan secara
skematis pada Gambar 1b dan c, beberapa fraksi butiran yang mengalami deformasi dan
memanjang dapat memiliki tekstur <hkl> dan modulus elastis (Young) yang sesuai, E
<hkl>. Modulus rata-rata kemudian dapat didekati dari
Gambar 1 Perkembangan tekstur (a-d) dan variasi modulus elastis dengan orientasi
Fe dan Cu (e). (a) Bagian polikris
berkenaan dengan sumbu deformasi (x3). (b) dan (c) menunjukkan pemanjangan
butiran dan tekstur dengan deformasi sepanjang x3. (d) Tekstur acak. (e) Variasi
modulus elastis dengan orientasi pada bidang lembaran canai dingin Fe dan Cu.
Bunsell (1977)
433
(5)
dimana Vf <hnknln> adalah fraksi volume butiran terarah yang memiliki orientasi (atau
tekstur) <hnknln> dan dengan modulus elastis yang sesuai E <hnknln>.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1d, beberapa deformasi terarah menghasilkan
modulus acak, dan modulus terukur pada arah rolling serta arah melintang (x1 dan x2
pada ketebalan lembaran) pada dasarnya sama. Ini diilustrasikan untuk besi dan
tembaga pada Gambar 1e. Sangat menarik untuk dicatat bahwa dalam kasus drum baja
Karibia lembaran baja karbon ( Gambar 3a, bab "Titik Cacat"), nilai terukur dari
konstanta elastis, E11 = E1 = E22 = E2, E33 = E3, Pada lembaran baja yang tidak tergulung
sesuai dengan area pinggiran yang besar, catatan adalah E1 = 211 GPa, E2 = 209 GPa,
E3 = 210 GPa (Ferreyra dkk., 2001). Nilai-nilai ini sesuai dengan yang ada pada besi
pada Gambar 1e. Dalam hal ini, dapat dicatat dari Persamaan. 6 dalam bab "Titik
Cacat" bahwa frekuensi fundamental dan harmonis bergantung pada modulus elastis, E,
dan akibatnya, fakta bahwa E pada dasarnya konstan memberikan referensi tonik untuk
setiap nada. Selain itu, dapat diamati dari Persamaan. 6 dari bab "Titik Cacat" yang
menggunakan tonik tertentu atau frekuensi harmonis, modulus elastis (Young) dapat
diukur dari kecepatan suara longitudinal.
Tentu saja mengetahui modulus elastis arah untuk bahan apapun (E <hkl>) dapat
memungkinkan estimasi modulus yang berlaku pada bahan bertekstur dengan
menggunakan Persamaan. 5.Fraksi volume tekstur spesifik (atau tekstur) dapat
ditentukan dari mikroskop menyimbolkan orientasi seperti analisis difraksi sinar
ultraviolet (EBSD) dalam SEM atau pemetaan simbol orientasi dengan difraksi sinar-x,
terutama dengan menggunakan perangkat lunak pengukuran gambar pole yang sudah
tersedia (Kotak alat MATLAB untuk analisis tekstur). Ini akan memungkinkan
perkiraan berbagai fraksi tekstur yang sesuai dengan fraksi volume Vf <hkl> dalam Pers.
5.
Referensi
Ferreyra E, Murr LE, Russell DP, Bingert JF (2001) Elastic interactions and the
metallurgical and acoustic effects of carbon in the Caribbean steel drum. Mater
Charact 47:325 363Harris B, Bunsell AR (1977) Structure and properties of engineering materials.
Longman Group, London
Kocks UG, Tome CM, Wenk H-R (2000) Texture and anisotropy: preferred orientations
in polycrystals and their effects on materials properties. Cambridge University
Press, Cambridge, UK
434
Abstrak
Contoh Struktur Kristal Directional:
Aplikasi Komponen Turbin Gas
di Superalloy
(Examples of Directional Crystal Structures:
Gas-Turbine Component Applications
in Superalloys)
Isi
Pendahuluan ............................................................................................................... 434
Strategi Pengembangan Nikel-Dasar Superalloy untuk Turbin Gas .................. 435
-Tahap Dasar Deformasi Creep............................................................. 448
Konsep Lanjutan untuk Solidifikasi Directional................................................. 454
Referensi ................................................................................................................... 460
Salah satu aplikasi orientasi kristal tunggal yang paling menonjol untuk mengendalikan
modulus elastis dan sifat mekanik yang terkait dipegang dalam produksi dan
penggunaan bilah turbin yang ditumbuhkan dari komposisi superalloy. Bab ini
memberikan contoh fenomena ini baik dari perspektif historis maupun kontemporer.
Contoh-contoh ini melambangkan pengembangan dan pengendalian mikrostruktur untuk mencapai sifat dan kinerja spesifik berdasarkan jadwal pemrosesan dan rutinitas
selektif.
Pendahuluan
Pengembangan kinerja tinggi, superalloy yang mencakup periode lebih dari setengah
abad melambangkan salah satu contoh lebih menarik dari sains dan teknik material,
yang mencakup kombinasi struktur / mikro dan properti yang erat yang dikendalikan
oleh rute pemrosesan untuk mencapai kriteria kinerja tertentu. Mesin turbin gas pesawat
udara dan terutama pengembangan bahan komponen yang diperlukan dimulai t epat
sebelum Perang Dunia II dengan curah hujan mengeras dan paduan nikel-dasar yang
dapat diolah dengan panas yang mengandung aluminium, terutama paduan seri nimonik
seperti Nimonic 80 dan kemudian Nimonic 90. Strategi perancangan bahan awal, yang
telah dipertahankan hingga saat ini, termasuk kekhawatiran untuk ketahanan mulur dan
mulur-pecah, kelelahan dan kelelahan termal, ketangguhan, ketahanan sengatan termal,
ketahanan pertumbuhan retak, dan ketahanan oksidasi terhadap aliran gas korosif,
hightemperature, dan kecepatan tinggi. Bilah turbin awal yang mengandung batas butir
equiaxed dibatasi oleh difusi batas butir yang cepat dan mulur yang dipercepat pada
suhu yang lebih tinggi, dan pemadatan terarah dan proses pertumbuhan dikembangkan
untuk menghasilkan struktur butiran kolumnar yang mengurangi diffusional mulur,
435
terutama bila terjadi kesalahan pada butir misorientasi. Pesawat Pratt-Whitney
mengembangkan pertumbuhan terarah untuk pisau turbin kristal tunggal pada tahun
1960an, sehingga menghilangkan batas butir, walaupun kedua produk butiran
polikristalin dan kolumnar terus digunakan untuk komponen mesin turbin yang kurang
menuntut. Permintaan terbesar, yang terus berlanjut sebagai perhatian pengembangan
material, adalah toleransi toleransi turbin turbin tinggi, terutama pemeliharaan kekuatan
mulur yang cukup untuk menghindari pemanjangan airfoil. Pisau kontemporer yang
digunakan pada bagian turbin suhu tinggi adalah struktur airfoil yang kompleks dan
berongga untuk mengurangi berat dan memudahkan pendinginan. Struktur ini
mengandung variasi ketebalan dan variasi sumbu airfoil yang menciptakan distribusi
tegangan kompleks (multiaxial). Sebagai tambahan, dan seperti ditunjukkan pada Tabel
1, superalloy nikel-dasar, seperti nikel, menunjukkan elastisitas anisotropik elastis.
Namun, [001] telah menjadi pilihan bahkan sampai saat ini karena memberikan
kombinasi terbaik dari sifat hot-section turbin, termasuk fakta bahwa modulus elastisitas
yang lebih rendah meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan termal. Sejalan dengan
itu, gradien suhu pada struktur pisau kompleks membuat tegangan termal di berbagai
arah.
Strategi Pengembangan Nikel-Dasar Superalloy untuk Turbin Gas (Nickel-Base
Superalloy Development Strategies for Gas Turbines)
Seperti disebutkan di atas, paduan Nikel awal dan paduan Inconel nikel menjadi
landasan awal untuk metalurgi mesin jet gas turbin. Ini diperluas ke berbagai
pengembangan paduan yang terus berlanjut terutama dengan perluasan mesin turbin gas
canggih untuk pembangkit listrik dan kebutuhan bahan maju untuk pembangkit tenaga
nuklir, kimia, dan pabrik pengolahan lainnya. Tantangan khusus melibatkan
pengembangan terus meningkatnya persyaratan suhu untuk bilah turbin kecil hanya
beberapa sentimeter di pesawat jet berkinerja tinggi yang kontras dengan sistem
pembangkit tenaga turbin gas berbasis darat yang memiliki panjang pisau lebih dari
urutan besarnya lebih lama (50 -80 cm). Hal ini menjadi sangat menuntut dalam proses
pengecoran investasi yang digunakan untuk membuat struktur pendinginan airfoil yang
rumit dan kontrol struktur butir simultan, terutama pertumbuhan kristal tunggal yang
berorientasi. Tahap pendinginan turbin dan komponen yang kurang menuntut lainnya
terus memanfaatkan struktur biji-bijian dan kolumnar. Gambar 1a mengilustrasikan
pandangan skematis turbin gas dasar, sedangkan Gambar 1b menunjukkan tiga struktur
mikro blade yang umum. Pisau kompresor memanfaatkan hasil tinggi dan kekuatan
tarik, kerapatan rendah, benturan tinggi, dan paduan kekuatan kelelahan , dimana suhu
berk C. Inconel 718 telah menjadi andalan dalam aplikasi blade dan
baling- C. Paduan Inconel 625, 718 dan Rene 88, 95 digunakan dalam
disk turbin, poros, pengikat, dan aplikasi perangkat keras mesin lainnya. Rotor turbin,
bilah panggung panas mengalami suhu gas pada 1.200 ° C pada rotor tahap pertama dan
suhu yang lebih rendah di bagian knalpot.
436
(lanju
tan)
Tab
el
1
Kom
posi
si
beb
erap
a su
per
allo
y
das
ar
Ni
kom
ersi
al
(%
ber
at):
ru
ang
butira
n
kolo
m
atau
kri
stal
tu
nggal
k
ecual
i jika
dip
erhat
ikan
.
437
Ta
be
l 1
(la
nju
tan
)
Cat
atan
1:
Mar
-M200
(Hf)
m
emilik
i kom
posi
si
yan
g
sam
a den
gan
0,1
Hf
a P
roduk p
engec
ora
n k
onven
sional
ata
u t
emp
a
b P
ow
der
dip
rose
s
c K
olu
mnar
ber
butir,
solidif
ikas
i ar
ah
438
Ujung pisau kecepatan rata-rata? 400 m / s dan kecepatan gas awal bisa melebihi
600 m / s. Tabel 1 mencantumkan berbagai macam komposisi superalloy Ni-dasar yang
akan menjadi referensi untuk sifat mulur-terkait spesifik yang akan dijelaskan
sehubungan dengan pengembangan paduan yang berkelanjutan yang tersirat pada
Gambar 2.
Dua fitur pengerasan presipitasi telah menandai pengembangan superalloy Ni-
dasar. Ini melibatkan pengendapan
at dikendalikan
dengan paduan Inconel yang diperlakukan dengan panas. Modus pengendapan ini
secara morfologis berbeda dan memiliki sifat khusus dan fitur kontrol kinerja yang
terkait dengan morfologi ini. Dalam setiap kasus, ada varians dalam ukuran morfologi
dan presipitat yang dikendalikan oleh perlakuan panas, yang dalam beberapa kasus
melibatkan jadwal yang rumit. (bct) presipitat,
Gambar 1 (a) Skema turbin gas sederhana. Suhu kompresor dan turbin dinotasikan
masing-masing Tc dan T t. (b-d) Mikrostruktur komparatif untuk tiga jenis pisau
turbin (cast). (b) Polikristalin; (c) kolumnar (terarah) berbutir; (d) kristal tunggal
(Diadaptasi dari Oblak dan Kear 1972)
439
Morfologi berkisar dari ukuran kecil, bola homogen sampai cakram atau trombosit
ellipsoidal (> 100 x
pat terbentuk sebagai bola ukuran nano yang
berevolusi menjadi campuran bimodal partikel kecil kubik kecil dan besar ke partikel
Pada pengembangan blade turbin suhu tinggi, fokusnya adalah pada superalloy Ni-
dasar, pengembangan kristal tunggal dengan kontrol mulur -cuboidal.
Pada titik ini, mungkin perlu untuk meninjau dasar-dasar mulur. Ini tersirat pada
Gambar 3a yang menggambarkan tiga tahap mulur karakteristik: mulur primer,
sekunder, dan tersier.Ada daerah regangan elastis s -
diagram (Gambar 9c dalam bab "Cacat Garis: Dislokasi Bahan Kristal"). Pada aturan
mulur primer (tahap I), meningkat seiring waktu ke daya 1/3, sementara laju regangan
( ) menurun karena struktur dislokasi berubah menjadi seimbang dengan tekanan yang
diterapkan, membentuk struktur sel dislokasi dengan sel dislokasi yang meningkat.
ketebalan dan kerapatan dinding seiring dengan berkurangnya ukuran sel.Fenomena ini
ditunjukkan secara umum untuk mulur primer pada tembaga polikristalin pada Gambar
4. Pada akhir mulur primer, sel-sel dislokasi terus berkembang, terutama pada logam
dengan energi susut tinggi,
Gambar 2 contoh pengembangan superalloy Ni-dasar turbin. Wilayah bertulang
ganda menunjukkan aturan yang diusulkan diproyeksikan memasuki abad kedua
puluh satu yang mendekati 1.200 ° C suhu operasi untuk operasi turbin gas
berkinerja tinggi.
440
walaupun deformasi mulur membeda, terutama pada akhir mulur primer dan memasuki
aturan sekunder atau stabilitas dimana struktur sel dislokasi terbentuk bahkan untuk
logam dan paduan logam susut rendah. Fitur pembeda pada deformasi mulur adalah
struktur sel dislokasi yang sangat teratur yang berbeda dengan yang lainnya
Gambar 3 Dasar-dasar mulur (a) dan contoh ruptur mulur (1.000 h) untuk kurva
tekanan versus suhu, misalnya komposisi superalloy Ni-dasar (Tabel 1) (b).
Representasi empiris ditunjukkan pada (a) untuk tiga tahap mulur: tahap primer (I), sekunder (II), dan tersier (III) atau tahap akhir. (b) diadaptasi dari Sims dan Hagel
(1972)
441
Modus deformasi diilustrasikan pada Gambar 4 membandingkan dengan Gambar. 29a
dan 30 dari bab "Cacat Garis: Dislokasi Bahan Kristal." Untuk tembaga, kesetimbangan
dinamis (atau keadaan stabil) yang terbentuk antara tegangan (atau beban mulur) dan
mikrostruktur meminimalkan tingkat mulur pada tahap II (atau aturan mulur sekunder)
seperti yang diungkapkan oleh relasi mulur linear yang ditunjukkan pada Gambar 3a.
Pada akhir tahap II aturan mulur linier, dislokasi meluncur dan interaksi dibantu oleh
penciptaan kekosongan dan difusi yang mendorong pendeteksian dislokasi, serta
beberapa batas butir meluncur terutama untuk ukuran butir kecil dan suhu dan tekanan
yang lebih tinggi, yang semuanya membentuk atom dan tumbuh retak yang
menyebabkan kegagalan. Tahap ini menyumbang sebagian besar deformasi yang secara
efektif eksponensial dalam hal tingkat mulur. Difusi pada keadaan mulur akhir (III)
menjadi semakin penting dengan kenaikan suhu, terutama pada T> 0,3 Tm(Tm = suhu
lelehan). Pada T 0,5 Tm, creep menjadi dominan dalam banyak pertimbangan terkait
dengan tekanan dan tegangan yang lebih tinggi seperti yang terlihat pada Gambar 3a.
Gambar 3b menunjukkan beberapa kurva tekanan versus suhu untuk berbagai inti-nikel
superalloy (Tabel 1 untuk umur mulur- pecah setelah 1.000 jam (Gambar 3a).
Peta Mekanisme Deformasi: Aplikasi Mulur (Deformation Mechanism Maps:
Creep Applications)
Gambar 5a dan b mengilustrasikan sebuah konsep baru untuk mensintesis dan
memvisualisasikan sejumlah besar informasi deformasi kompleks (baik teoritis dan
eksperimental) untuk material dalam peta deformasi yang awalnya dipahami dan
Gambar 4. Struktur sel dislokasi yang terkait dengan mulur di dekat ujung mulur
primer (tahap (I))
442
dikembangkan secara ekstensif oleh M.F. Ashby (1972, 1976). Peta ini, seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 5a, b terutama berlaku untuk mulur. Peta mekanisme
deformasi dibangun dengan menggunakan persamaan laju (atau persamaan tingkat
regangan geser) yang berkaitan dengan tegangan geser, suhu, dan laju regangan geser
Tingkat regangan untuk masing-masing mekanisme deformasi disajikan dengan sumbu
tegangan geser
yang diilustrasikan pada Gambar 5a, b. Peta dibagi menjadi bidang yang menunjukkan
daerah tegangan dan suhu di mana masing-masing mekanisme deformasi mendominasi.
Kontur laju regangan konstan ditumpangkan pada bidang ini.
Ada empat mekanisme deformasi utama dan tingkat regangan geser yang sesuai
yang ditunjukkan dalam peta pada Gambar 5a, b.
Dislokasi meluncur (T < 0.3 Tm ) Dislocation Glide (T < 0.3 Tm )
(1)
Gambar 5 (a dan b) adalah contoh peta mekanisme deformasi untuk superalloysuper-dasar Mar-M200 Ni-dasar yang memiliki ukuran butiran 100um dan 1
cm.Aturan operasi turbin gas yang khas ditunjukkan oleh persegi panjang berbayang
(Diadaptasi dari Ashby (1973)). (c) Transverse 760? C umur mulur-pecah untuk biji
kolumnar (CG) dan <100> dan <110> kristal tunggal Mar-M200 (Hf) melawan
tegangan mulur (Diadaptasi dari Shah dan Cetel (2000)
443
0 adalah konstanta (biasanya antara 106 dan 10
8 s
-1
aktivasi yang diperlukan untuk memindahkan dislokasi dan memiliki bentuk
(2)
energi pembentukan pasangan kekakuan
tegangan geser, G adalah modulus geser, b adalah vektor Burgers, dan L adalah jarak
antara dislokasi jumlah besar (atau titik penyematan) atau jarak rintangan lainnya.
sebagai partikel presipitat atau partikel terdispersi tidak koheren, seringkali dengan nilai
102b.
Selain dislokasi meluncur ketergantungan pada hambatan seperti yang
dijelaskan, kisi itu sendiri dapat memberikan beberapa hambatan, terutama pada suhu
rendah, yang biasa disebut sebagai hambatan Peierls dimana laju regangan diberikan
oleh
(3)
Dimana p Biasanya 106
108
S-1
( p 0).
Dislokasi Mulur (T 0.5Tm) (Dislocation Creep (T _ 0.5Tm ) Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya dalam menggambarkan mulur (Gambar 13a),
pada suhu di atas setengah titik lebur, dislokasi dapat naik (karena mobilitas
kekosongan) dan juga meluncur, dan deformasi dapat terjadi pada tegangan rendah daripada yang diperlukan untuk meluncur. Tingkat keadaan mulur yang sesuai untuk
tekanan sedang dan suhu tinggi dijelaskan oleh
(4)
dimana A dan n adalah konstanta material, n memiliki nilai, antara 3 dan 7 (Ashby
1976). Deff didefinisikan sebagai difusivitas yang efektif:
(5)
dimana Dv adalah difusivitas kisi (volume), Vv adalah fraksi volume dari situs atom
yang terkait dengan Dv, dan Dc adalah difusivitas inti dislokasi yang memiliki fraksi
volume Vc = Ac c
adalah kerapatan dislokasi. Umumnya, Dc = Dgb, diffusivity batas butir, jika Ac 5b2.
b2 2
persamaan 5 menjadi
(6)
Sejalan dengan itu, Pers. 4 dapat ditulis sebagai
444
(7)
Diffusional Mulur (Diffusional Creep)
Pada suhu yang sangat tinggi dan untuk tekanan yang besar, aliran diffusional atom baik
dengan difusi volume atau difusi batas butir menyebabkan mulur kental bahan
polikristalin yang meliputi batas butir yang meluncur. Kontribusi aditif terhadap tingkat
regangan ini dapat dikaitkan dengan (Ashby 1976)
(8)
dimana A
diffusioncontrolled volume dalam Pers. 8 dikenal sebagai mulur Nabarro-Herring,
sedangkan batas batas yang dikontrol oleh istilah batas dikenal sebagai Coble mulur.
Ashby (1976) telah mendefinisikan tingkat regangan bersih dari bahan
(9)
Akibatnya, dengan mengacu pada Gambar 5a, b peta dibagi menjadi bidang-bidang
sedemikian rupa sehingga, di dalam suatu bidang, satu kontribusi terhadap Pers. 9 lebih
besar dari yang lain. Oleh karena itu, batas-batas bidang
dan T / Tm dimana mekanisme deformasi yang dominan terjadi. Membandingkan
Gambar 5a, b untuk superalloy Ni-pusat Mar-M200 mengilustrasikan bahwa untuk
ukuran butiran 100 um, mekanisme yang dominan adalah Coble mulur dengan tingkat
regangan pada kondisi operasi khas (teduh) pada kisaran 10-8
sampai 10-10
s-1
,
sedangkan untuk ukuran butir yang jauh lebih besar (Gambar 5b), Coble mulur masih
mendominasi, namun tingkat regangan pada kondisi operasi jauh lebih sedikit. Peta
mekanisme deformasi telah diperluas ke sejumlah besar logam, paduan, dan bahan
lainnya, dan pembaca mengacu pada kompilasi Frost dan Ashby yang lebih ekstensif
(1982).
Sedangkan Gambar 5a, b mengilustrasikan utilitas dari ukuran butiran besar Ni-
pusat superalloy (Mar-M200) untuk aplikasi turbin suhu rendah, Gambar 5c
menunjukkan keuntungan butiran kolumnar dan kristal tunggal Mar-M200 (Hf) yang
berbeda. Mengacu pada Gambar 1c, dapat diamati pada Gambar 5c bahwa ada
penyebaran yang luas (setidaknya urutan besarnya) untuk penggerak mulur-pecah dalam
orientasi butiran kolar transversal untuk M200 (Mf) kontras untuk orientasi vertikal
longitudinal (aksial) tunggal pada kisaran kira-kira 675-760 ° C (> 0,5 Tm).
Hal ini terutama disebabkan oleh orientasi batas butir yang tidak terkontrol karena
biasanya diketahui bahwa misorientasi lebih besar dari sekitar 10 mengakibatkan
445
hilangnya kekuatan mulur yang cepat karena secara kasar urutan peningkatan
magnitudo difusivitas batas butir (Dgb dalam Persamaan 8) berbeda dengan
transgranularitas (Shewman 1963).
Gambar 5c juga menunjukkan karakteristik anisotropi mulur dari orientasi
kristal tunggal, yang seperti yang tersirat pada Tabel 2 (Bab "Contoh Sifat Tensor
Menggunakan Matriks Fundamental (Properti Fisik)"), juga dikaitkan dengan anisotropi
modulus elastis, terutama untuk Ni. Ini juga diamati untuk dasarnya semua superalloy
Ni-inti seperti yang terwakili dalam modulus elastis yang diukur secara eksperimental
untuk superalloy super-inti Ni yang ditunjukkan pada Gambar 6, di mana paduan TMS-
75 pada Gambar 6a menunjukkan suhu solvus sekitar 1.250 ° C sebaliknya untuk
1,075 ° C untuk paduan yang ditunjukkan pada Gambar 6b - c, di mana suhu solvus
yang membentuk struktur arung jeram yang disebut dalam
kondisi mulur. Kondisi mulur komparatif atau kurva mulur untuk superalloy Ni-dasar,
Gambar 6 Modulus Young versus suhu untuk orientasi kristal tunggal superalloy
berbasis-n. (a) paduan TMS-75 (Institut Nasional Ilmu Material, Kota Sains
Tsukuba, Jepang, 2004). (b-d) menunjukkan data untuk campuran Ni-dasar
eksperimental dibandingkan paduan CMSX-4 komersial (Tabel 1). Komposisi paduan adalah sebagai berikut: Rl-Ni 9.6Al-0.9Mo; R2-Ni-6.6Al-1.9Mo; R3-Ni-6Al
15.1Mo; R4-Ni-2.8Al-22.2Mo (keseimbangan Ni dalam persen berat) (Diadaptasi
dari Fahrmann et al. (1999))
446
termasuk yang ditunjukkan pada Gambar 6, diilustrasikan pada Gambar 7 yang
menekankan anisotropi orientasi kristal tunggal pada perilaku mulur dan peran kritis
diperhatikan bahwa
Gambar 7 Efek orientasi dan ukuran fase- mulur untuk superalloy Ni-
dasar kristal tunggal. (a) dan (b) Variasi respon mulur untuk paduan PWA1480
(setara Mar-M200) masing-masing pada 260 ° C dan 982 ° C. (c-e) membandingkan
CMSX-2 (Tabel 1) aturan mulur campuran untuk berbagai ukuran fase--fasa pada aturan mulur pada tegangan
760 ° C dan 750 MPa untuk kristal tunggal CMSX-4. (c-f) diadaptasi dari Caron dkk.
(1988)
447
Mulur-pecah hidup pada 982 C pada Gambar 7b untuk orientasi dan peningkatan Mar-
M200 (PWA 1480) berbeda dengan paduan tunggal Mar-M200 (Hf) berorientasi
tunggal pada Gambar 5c (pada kurang dari suhu itu) paling sedikit dua kali lipat.
Gambar 7c, d, dan f menggambarkan kompleksitas yang terlibat dalam mengoptimalkan
dan memperbaiki superalloy Ni-dasar suhu tinggi, kristal tunggal, terutama untuk
aplikasi pisau turbin besar di turbin gas industri. Kami menekankan masalah ini dengan
meneliti dengan teliti perilaku mulur komparatif untuk berbagai komposisi superalloy
Ni-dasar pada Gambar 8a - c (Tabel 1) serta pembalikan dalam efek mengendapkan
Gambar 8 Kurva Mulur untuk pisau turbin superalloy kristal Ni-inti tunggal. (a)
C dan 840 MPa tegangan untuk berbagai superalloy. (b) 1,050 ° C dan 150 MPa tegangan untuk dua paduan. (c) 1.150 C dan 100 MPa tegangan comparison. (d dan
e) menunjukkan perilaku mulur yang agak tidak normal dengan berbagai ukuran
mengendapkan - -fasa berubah dengan suhu di
tiga superalloi kristal tunggal (Tabel 1) (Diadaptasi dari Caron dan Lavinge (2011))
448
yang ditunjukkan untuk dua komposisi paduan pada Gambar 8d, e bersama dengan
dengan suhu (memiliki suhu solvus dari 1,310 C).
dan - Tahap Mulur Diformasi Dasar ( and -Phase Creep Deformation
Fundamentals)
Jadi jika kita mengambil telaah progresif dari fenomena besar dan kompleks yang
dirangkum dalam Gambar. 7 dan 8 (tapi hanya sebentar dalam konteks lebih dari
setengah abad paduan dasar Ni dan pengembangan komponen), menjadi jelas bahwa
<001> orientasi kristal tunggal yang mengandung berbagai ukuran dan fraksi volume
terus mempengaruhi
pengembangan komponen turbin, terutama dalam konteks perilaku mulur suhu
menengah dan suhu tinggi
Gambar 9a menunjukkan gambar mikroskop elektron transmisi yang khas yang
sesuai dengan bagian yang diperbesar untuk struktur butiran kolumnar pada Gambar 1c
serta struktur kristal tunggal yang ditunjukkan pada Gambar 1d. Kuboid itu 3Al)
mengendap berkisar dari 0,1 um (100 nm) untuk dimensi terkecil sampai 0,5 um (500
-matriks antarpartikel bervariasi dari 25 sampai 75 nm. Fitu
- ) ukuran salu
telah menjadi fitur desain superalloy utama Ni-dasar.Penambahan unsur-unsur yang
-masing,
meningkatkan parameter kisi-kisinya (dengan demikian mengubah ketidaksesuaian
(Bab 16 dalam bab "Cacat Planar: Antarmuka Kristal") dan yang sesuai hubungan
tegangan), atau selektif mengubah energi bebas penumpukan-kesalahan dan reaksi
dislokasi yang sesu
juga merupakan mulur suhu tinggi yang penting.
-fase dan kinetika pertumbuhan sangat sensitif terhadap laju
pendinginan melalui suhu solvus. Tingkat pendinginan yang cepat
mengendapkan 200-500 nm mirip dengan Gambar 18a dari bab "Merangkum Struktur
Atom dan Ion: Tabel Periodik Unsur," sementara tingkat yang lebih lambat
mempromo ukuran presipitat dengan rentang yang lebih
kecil yang memiliki ukuran <50 nm dan rentang yang lebih besar memiliki ukuran> 500
nm. Endapan berbentuk bola karena ketidaksesuaian antara 0 dan 0,2%, sementara
antara 0,2% dan 0,3%, partikel berevolusi dari kubus hingga bulat hingga 0,3% (Oblak
dan Kear 1972; Caron dan Lavigne 2011; Hornbogen dan Ruth 1967). Hal ini dapat
dimanipulasi dengan penambahan unsur dan komposisi (Tabel 1) dan sangat penting
mengingat Gambar 8a dimana paduan MC-NG (Tabel 1) memiliki ketidakcocokan
hanya 0,05% berbeda dengan MC534 dengan ketidakcocokan 1,4% sebagai
Konsekuensi dari tingkat Mo yang lebih tinggi di MC538 yang partisi preferentially ke
matriks-,, secara signifikan meningkatkan parameter kisi (Caron dan Lavigne 2011).
449
Selain itu, dan seperti yang diilustrasikan dalam contoh ini, ketidakcocokan itu negatif.
khususnya, pada mulur temperatur tinggi.
Gambar 10a menggambarkan optimalisasi umur mulur pecah untuk paduan
TMS-75 yang ditunjukkan pada Gambar 15a bab "Merangkum Atom dan Ion
Gambar 9 -fase fenomena presipitasi pada superalloy berbasis-n. (a) gambar TEM
mengendapkan -matriks
- aturan dan fenomena dislokasi: Orowan partikel geser. (c dan d)
mengilustrasikan beberapa fenomena yang berhubungan dengan endapan ini secara
skematis, termasuk fitur meluncur dislokasi yang unik untuk perilaku mulur karena
ang bersamaan bertepatan dengan matriks {001} bidang :
450
Struktur: Tabel Periodik Unsur-unsur "untuk fraksi volume mengendapkan -fase pada
dua tingkat tegangan mulur dan suhu yang sesuai. Sebaliknya, Gambar 10b
menunjukkan bahwa ketergantungan suhu untuk tegangan luluh untuk ketegngan mulur
yang berbeda, dan terutama pada strain yang lebih tinggi, meningkat dengan suhu
sampai kira-kira. 760 ° C da (Ni3Al).
Hal ini terjadi karena saat dislokasi memasuki tahap
pengunci sessile (Oblak dan Kear 1972). Akhirnya, harus diakui bahwa seperti modulus
elastis, tegangan mengalir juga sangat anisotropik dalam kristal tunggal. Hal ini terjadi
Gambar 10 Kontrol mengendapkan tahap- pada perilaku mulur dari bilah turbin
kristal superalloy berbasis Ni. (a) Variasi perpaduan Mulur dari campuran TMS-75
(Tabel 1) melawan pecahan volume tahap- untuk kondisi yang ditunjukkan (Diadaptasi dari Murakumo et al. (2004)). (b) Menghasilkan tegangan melawan
kurva suhu untuk (Ni3 Al) pada tegangan mulur yang ditunjukkan
(Diadaptasi dari Kear dan Oblak (1974))
451
karena dislokasi meluncur di bawah pengaruh tegangan geser terselesaikan yang bekerja
pada bidang slip, dan komponen tegangan ini harus ditentukan dari tegangan normal
yang bekerja sepanjang sumbu kristal, sejajar dengan orientasi kristal. Untuk kristal
tunggal fcc, misalnya, ada 12 sistem terlepas tipe {111} <110> dan dengan demikian 12
sistem terlepas dari tipe {111} <112> (lihat Gambar 24 di bab "Cacat Garis:
Dislokasi pada
Akibatnya, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 11a, tegangan geser yang bekerja pada bidang terlepas akan diberikan oleh
= cos (10)
Gambar 11 Hubungan antara tegangan aksial dan bidang terlepas dan arah terlepas
dalam kristal tunggal. (a) tegangan tegangan mengalir geometri. N
adalah normal ke bidang terlepas. L adalah arah aksial (kristal) [hkl], dan s adalah
arah terlepas <hkl>. (b) Contoh susunan sistem terlepas fcc {111} <112> padaspesimen kristal (Diadaptasi dari Kakehi (2004))
452
= = cos = (11)
dimana M adalah faktor Schmid. Ini menekankan fakta bahwa logam mengalir secara
plastis ketika tegangan geser yang diselesaikan bekerja pada bidang terlepas dan
sepanjang arah terlepas mencapai nilai kritis Cc (hukum Schmid). Untuk mulur suhu
rendah, {111} <112> sistem slip beroperasi di matriks matrix, sementara pada suhu
tinggi sistem {111} <110> mendominasi.
Gambar 11b menggambarkan susunan sistem terlepas {111} <112> untuk dua orientasi
kristal tertentu. Dalam orientasi [001], ada 4 {111} <112> sistem terlepas dengan faktor
Schmid M = 0,47. Sejalan dengan itu, ada 8 {111} <110> sistem dengan M = 0,41.
Untuk [011], hanya ada dua {111} <112> sistem terlepas yang berorientasi pada sistem
aksial [011]. Dalam kasus dari 111 kristal yang berorientasi pada Gambar 7d, f faktor
(Schmid) {111} <110> adalah 0,275 berbeda dengan 0,41 untuk [001], yang sebagian
bertanggung jawab atas pembalikan nyata dalam perilaku mulur-
besar ( 0,45 um) dalam kristal tunggal yang lebih kecil
(0,23 um) dalam 111 kristal tunggal.
Namun, fitur yang paling si pada superdeoy
kristal tunggal berbasis-Ni tunggal berada pada perilaku dislokasi pada matriks matrix
sedang dan suhu tinggi. Untuk memeriksa fenomena ini,
kita kembali ke Gambar 9. Mungkin dicatat bahwa sementara Gambar 9a dimiringkan
- fitur gambar regangan koherensi, Gambar. Gambar.
6b dalam bab "Cacat Volume: Ketidaksempurnaan 3D dalam Kristal" dimiringkan
dengan tepat untuk mengungkapkannya sebagai pola pinggiran yang dibahas secara
rinci oleh Oblak dan Kear (1972) dan yang lainnya (Gevers et al., 1964). Gambar 6a
dari bab "Cacat Volume: Ketidaksempurnaan 3D dalam Kristal," sebaliknya, juga
menunjukkan struktur dislokasi yang
saluran juga. Seperti yang tersirat pada Gambar 10b, tegangan luluh yang terkait dengan
meningkat sampai kisaran suhu mulur antara ( 700- C). Dislokasi di saluran)
, dan luncuran dislokasi dikendalikan oleh Orowan
membungkuk di saluran menurut (Pollock dan Tin 2006)
(12)
Schmid (Persamaan 11). Pollock dan Tin (2006) telah menunjukkan bahwa nilai khas
dari sifat b = 60 nm, dan
M =
tekanan kritis ini akan meningkat menjadi 980 MPa pada 850 ° C untuk slip {111}
453
Pratt-Whitney pada tahun 1960an dan awal 1970an dengan sangat elegan
mengidentifikasi reaksi dislokasi yang terkait dengan fitur meluncur yang berhubungan
mengharapkannya
(13)
reaksi jenis. Namun, fitur homogen {111} <110> ini juga diamati untuk melibatkan
pasangan dislokasi <112> yang digabungkan oleh batas antiphase (APB) yang
terbentuk (Oblak dan Kear 1972; Kear and Oblak 1974)
(14)
dimana dua dislokasi terakhir membentuk sepasang parsial superlattice yang
digabungkan secara longgar oleh kesalahan asesoris intrinsik atau ekstrinsik. Jadi
sementara <112> dislokasi parsial yang melibatkan slip {111} <112> tidak dapat
dengan tanpa menimbulkan kesalahan energi tinggi,
superdislasi <112> dap , sehingga meningkatkan
tingkat mulur. Seperti disebutkan di atas, ini terjadi dengan mengurangi lebar saluran,
juga dapat di bechang oleh penambahan Ti dan
Ta pada komposisi paduan. Pengembangan jaringan dislokasi misfit dan struktur terkait
- saluran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a (bab "Kerusakan
Volume: Ketidak sempurnaan 3D dalam Kristal") juga dapat berkontribusi pada
pengembangan tahap mulur awal dan ini dikombinasikan dengan kerja terlepas {111}
<112> berpotongan mengeras saluran selama mulur keadaan - stabil.
Seiring perkembangan mulur ke dalam C) di mana
difusi dan meluncur dislokasi kekosongan dan proses pendakian berlangsung,
mulai mengarah ke arah yang mengarah -
mikrostruktur normal sampai tegangan tarik <001> dan mengasumsikan tampilan yang
ditunjukkan pada Gambar 12b dibandingkan dengan fasa normal -cuboidal yang
ditunjukkan pada Gambar 12a. Struktur apung yang ditunjukkan pada Gambar 12b, dan
diilustrasikan secara skematis dalam evolusi mulur pada Gambar 18b bab "Merangkum
Struktur Atom dan Ion: Tabel Periodik Unsur," menciptakan struktur mikro t erbalik
yang mengacu pada
rakit . Pada suhu yang lebih tinggi lagi, struktur apung
ini menjadi bagian , dan mulur pecah terjadi tak lama kemudian.
Akibatnya, mulur tersier didomi - -
pendinginan atau dislokasi difusi yang diilustrasikan pada Gambar 13.
454
Konsep Lanjutan untuk Solidifikasi Directional (Advanced Concepts for Directional
Solidification)
Seperti yang di gambarkan pada pada Gambar 1b-d, bilah turbin gas yang menggunakan
pemadatan arah telah diproduksi sejak tahun 1950an, lebih dari setengah abad.
Sementara pisau kristal tunggal relatif mudah diproduksi untuk airfoil kecil, bilah kanji
kolom lebih murah dan memerlukan kontrol termo-kinetik yang kurang ketat dan lebih
disukai untuk desain pisau besar seperti yang diilustrasikan pada Gambar 14 untuk
General Electric GTD- 111 (Tabel 1) Superalloy berbasis-Ni digunakan pada tahap
pertama turbin gas berdaya tinggi (Donachie dan Donachie 2002). Dalam airfoil yang
terarah ini, orientasi yang disukai adalah fcc [100] karena ini adalah sumbu zona energi
terendah. Variasi perbedaan seperti [110] (atau (110)) selain [100] (atau <100>). Hal ini
dapat diamati pada Gambar 14 bahwa butiran kolumnar bervariasi lebarnya dari kira-
kira 0,5 sampai 2 cm, dengan mengetahui bahwa tidak semua butir di bagian dasar
terlihat. Sebagai tambahan, dan seperti ditunjukkan pada Gambar 9a, airfoil ini
,
Gambar.12 SEM gambar mikrostruktur (a) dan pembentuk mikrostruktur
permukaan (b). Mikr berpotensi pengendapan
mengelilingi permukan . (b) diadaptasi dari Polluck
dan Tin (2006)
455
endapan cuboidal dikelilingi oleh matriks austenitik fc
perlakuan panas yang kompleks untuk sec untuk
memaksimalkan kekuatan pecah longitudinal sambil mempertahankan kekuatan dan
kelonggaran melintang yang baik.
Dalam kasus konvensional, solidifikasi arah yang memanfaatkan solidifikasi
tegak lurus terhadap antarmuka padat-cair bidang atau front solidifikasi, transisi dari
fase lelehan atau cairan ke fasa padat, fasa padat harus memiliki energi bebas yang lebih
rendah daripada fasa cair pada suhu dibawah titik lebur. Sejalan dengan itu, energi
bebas fase cair harus lebih rendah dari titik lebur,
Gambar 13 Kartun yang menunjukkan pendeteksian dislokasi dengan penyerapan
kekosongan pada inti dislokasi secara berurutan A B C. Perhatikan perkembangan pesawat setengah jadi (dislokasi) yang tegak lurus terhadap arah
terlepas atau meluncur. Gerakan atom ke tempat kosong ditunjukkan oleh panah
456
Gambar 14 General Electric berdaya turbin gas tinggi yang terdiri dari superalloy
berbasis koordinat GTD 111 yang dipantulkan secara empiris yang menunjukkan
struktur butiran kolom besar
Gambar 15 Komposisi 3-D menunjukkan tampilan mikroskop optik dari suatu
bagian dari superalloy berbasis-Ni aditif yang 142)
yang menunjukkan struktur butiran kolumnar yang berorientasi pada arahan yang
ditunjukkan oleh panah. H dan V menunjukkan bidang referensi horisontal dan vertical
457
yang didefinisikan sebagai suhu di mana energi bebas untuk tahap padat dan cair sama
dan berdampingan dalam keseimbangan. Selama pemadatan, cairan tepat di depan
antarmuka cairan padat sebenarnya berada pada suhu di bawah suhu keseimbangan cair
dan sejajar dengan super berat. Supercooling konstitusional ini muncul dari perubahan
komposisi dan bukan perubahan suhu.
Baru-baru ini, sebuah konsep baru dalam pemadatan terarah telah dikembangkan
dengan menggunakan pelepasan elektron atau sinar laser dari lapisan bubuk, satu
lapisan pada satu waktu. Ini membangun monolit lapis demi lapis yang melibatkan
peleburan dan pendinginan lapis demi lapis: front solidifikasi terputus yang memiliki
dimensi yang sepadan dengan ketebalan lapisan (Murr dkk 2012a, b, c). Manufaktur
aditif atau konsep pencetakan / fabrikasi 3-D ini akan dijelaskan lebih rinci nanti,
namun tampaknya tepat untuk setidaknya menyoroti prospek membangun kompleks,
airfoil monolitik yang menggunakan konsep-konsep ini.
Gambar 15 mengilustrasikan bagian kecil yang
142 (komponen 1) yang dibuat dengan pelepasan berkas elektron dengan menggunakan
serbuk alloy sebelumnya. Paduan ini, juga sebuah superalloy berbasis-Ni General
Electric Corporation yang berkembang yang serupa dengan paduan GTD 111 yang
diilustrasikan pada Gambar 14, juga telah digunakan dalam produksi pisau turbin
komersial sejak tahun 1991. Gambar 15 menunjukkan butiran kolumnar yang serupa
dengan pada Gambar. 14, namun pada skala faktor 100 lebih kecil, sedangkan Gambar
16 mengilustrasikan orientasi yang disukai pada bidang referensi horizontal dan vertikal
menjadi [100] ([200]) dan [100] dan [110] ([220] ), masing-masing. Butir-butiran
butiran yang memotong acuan horisontal pada Gambar 15 diilustrasikan pada Gambar
17 yang menggambarkan batas butir dan misikuasa batas butir, -
mikrostruktur.
458
Presipitasi HfC juga - matriks Ini timbul karena karbon
termasuk dalam komposisi yang ditunjukkan pada Tabel 1. Gambar 18 menunjukkan
- mikrostruktur untuk perbandingan dengan Gambar 9a. Hal ini
dapat diamati dalam perbandin lebih teratur dan
memiliki fraksi volume yang lebih besar di dekat optimum seperti yang diilustrasikan
pada Gambar 10a. Fitur ini merupakan prospek yang menarik untuk membuat
konfigurasi rongga kompleks atau konfigurasi pendinginan airfoil rumit lainnya yang
memiliki struktur mikro optimal yang berkontribusi terhadap perilaku kekuatan mulur
yang optimal tanpa mengatur perlakuan panas konvensional (Donachie dan Donachie
2002; Ross dan O'hara 1992).
Gambar 16 spektra XRD yang sesuai dengan (a) horisontal (H) dan (b) bidang acuan vertikal (V) yang ditunjukkan pada Gambar 15
459
Gambar 17 Memperbesar tampilan bagian horisontal (H) SEM pada Gambar 14
-tahap endapan cuboidal (diacak secara selektif). Presipitasi HfC
ditunjukkan oleh panah pada batas butir dan matriks. Misorientasi Butir yang dicatat
oleh sudut antara arah endapan kubik sampai 52
Gambar 18 -cuboidal pada bagian vertikal (V) yang sesuai
dengan Gambar 14. penggoresan secara se -matriks yang mengelilingi endapan, kebalikan dari Gambar 17. Panah menunjukkan daerah yang
-tahap mengendapkan
460
Gambar 18 sesuai dengan gambar TEM yang ditunjukkan pada Gambar 6 di bab "Cacat
Volume: Ketidaksempurnaan 3D dalam Kristal".
Perkembangan airfoil turbin, terutama untuk aplikasi turbin sangat besar dimana
panjangnya bisa jauh lebih besar daripada yang ditunjukkan pada Gambar 23 bab
"Meringkas Struktur Atom dan Ion: Tabel Periodik Unsur-unsur"
dan pada suhu operasi yang semakin meningkat, adalah tantangan sains dan teknik
material yang terus berlanjut. Seiring suhu operasi mendekati titik leleh sistem
superalloy yang ada, inovasi dalam pendinginan airfoil yang menggunakan konsep
fabrikasi baru seperti manufaktur bahan ajar yang menggunakan strategi perancangan
bantuan komputer dapat memberikan perpanjangan penting untuk komposisi paduan
yang ada dan yang baru.
Referensi
Ashby MF (1972) A first report on deformation mechanism maps. Acta Metall 20:887
897
Ashby MF (1973) The microstructure and design alloys.In: Proceedings of 3rd
international
conference on strength of metals and alloys, vol 2. Cambridge University Press,
Cambridge, UK, p 8
Ashby MF (1976) Chapter 11: Deformation mechanism maps applied to the creep of
elements and simple inorganic compounds. In: Murr LE, Stein C (eds) Frontiers in
materials science. Marcel Dekker, New York, pp 391 419
Caron P, Lavigne O (2011) Recent studies at Onera on superalloys for single crystal
turbine blades. J Ahaspace Lab, Novi (3) AL03-02: 1 14
Caron P, Ohta Y, Nakagawa YG, Khan T (1988) Creep deformation anisotropy in
single crystal superalloys. In: Reichman S, Duhl DM, Maurer G, Antolovich S,
Lund C (eds) Superalloys 1988. TMS, Warrendale, pp 215 224
Donachie MJ, Donachie SJ (2002) Superalloys: a technical guide, 2nd edn. ASM
International, Materials Park
Fahrmann M, Hermann W, Fahrmann E, Boegli A, Pollock TM (1999) Determination
of matrix -base model allots and their
relevance to rafting. Mater Sci Eng A260:212 221
Frost HJ, Ashby MF (1982) Deformation mechanism maps: the plasticity and creep of
metals and ceramics. Pengamon Press, New York
Gevers R, Delavignette P, Blank H, Amelinckx S (1964) Electron microscope
transmission images of coherent domain boundaries I. Dynamical theory. Phys Stat
Sol (b) 4:383 410
ierungen.
Z Mellakunde 58:842 855
Kakehi K (2004) Influence of primary and secondary crystallographic orientations on
strengths of nickel-based superalloy single crystals. Mater Trans 45(6):1824 1828
461
tation hardened nickel-
base alloys. J de Phys 35(12): 7 35 45
Morakumo T, Kobayashi T, Koizumi Y, Hanada H (2004) Creep behavior of Ni-base
single-crystal superalloys with various gamma0 volume fraction. Acta Mater
52(12): 3737 3744
Murr LE, Martinez E, Gaytan SM, Ramirez DA (2012a) Contributions of light
microscopy to contemporary materials characterization: the new directional
solidification. Metallug Microstruct Anal 1:45 58
Murr LE, Gaytan SM, Ramirez DA, Martinez E, Hernandez J, Amato KN, Shindo PW,
Medina FR, Wicker RB (2012b) Metal fabrication by additive manufacturing using
laser and electron beam melting technologies. J Mater Sci Technol 28(1):1 14
Murr LE, Martinez E, Amato KN, Gaytan SM, Hernandez J, Ramirez DA, Shindo PW,
Medina F, Wicker RB (2012c) Fabrication of metal and alloy components by
additive manufacturing: examples of 3D materials science. J Mater Res Technol
1(1):42 54
Oblak JM, Kear BH (1972) Analysis of microstructures in nickel-base alloys:
implications for strength and alloy design. In: Thomas G, Fulrath RM, Fisher RM
(eds) Electron microscopy and structure of materials. University of California
Press, Berkeley, pp 566 616
Pollock TM, Tin S (2006) Nickel-based superalloys for advanced turbine engines:
chemistry, microstructure, and properties. J Propulsim Power 22(2):361 374
airfoil alloy. In: Antolovich SD, Stusrud RW, Mackay RA, Anton DC, Khan T,
Kissinger RD, Klarstrom DL (eds) Superalloys 1992. The Minerals, Metals and
Materials Society (TMS), Warrendale, pp 257 265
Shah DM, Cetel A (2000) Evaluation of PWA 1483 for large single crystal IGI blade
applications. In: Pollock TN, Kissinger RP, Bowman RR et al (eds) Superalloys
2000. TMS, Warrendale
Shewman PG (1963) Difussion solids. McGraw-Hill, New York, p 173
Sims CT, Hagel C (eds) (1972) The superalloys. Wiley, New York, p. vii
462
Bagian VII
Bahan dan Struktur Komposit
(Part VII
Composite Materials and Structures)
463
Klasifikasi Struktur dan Bahan Komposit
Isi
Pengantar .................................................................................................................................... 463
Narasi ......................................................................................................................................... 463
Acuan .................................................................................................................................. 476
Abstrak
Bahan komposit dalam kasus yang paling sederhana terdiri dari beberapa tahap (tahap kedua)
yang termasuk dalam matriks. Sifat-sifat matriks diubah tergantung pada fraksi volume tahap ini,
serta geometri dan orientasinya relatif terhadap tegangan yang diterapkan.
Pengantar
Lihat sekeliling Dunia adalah komposit. Semua sistem kehidupan adalah komposit. Yang
menonjol di antara mereka pada manusia adalah tulang yang struktur keroposnya mengurangi
kerapatan (atau berat) dan matriks mana yang harus kaku dan kuat dan mampu menahan dampak
di antara fungsi lainnya. Bahan komposit dirancang untuk mencapai beberapa fungsi yang bila
diintegrasikan ke dalam sistem yang membentuk struktur yang diperluas memperluas fitur ini
pada skala yang lebih besar. Dalam kasus yang paling sederhana, komposit diwakili oleh rezim
atau tahap (dan antarmuka) dari berbagai morfologi, retakan volume, struktur, dan sifat yang
menyusun elemen volume. Berbeda dengan tahap tunggal yang ditunjukkan oleh elemen volume
atau elemen referensi yang sama, elemen komposit dibedakan oleh intertahap interphase, yang
meningkat secara signifikan untuk nanokomposit (nanocomposites).
Narasi
Secara umum, material komposit adalah isotropik (atau kuasi-isotropik) atau anisotropik baik
dengan keadaan atau desain. Komposit yang paling sederhana adalah beton atau aspal, keduanya
memiliki berbagai bentuk dan ukuran partikel dalam binder atau matriks dengan retakan rendah.
Misalnya, retakan volume matriks semen atau matriks yang melenggang, masing-masing, sekitar
10%. Dalam komposit partikel-matriks lainnya, seperti 2 vol.% ThO2 dalam Ni ditunjukkan
pada Gambar. 7 dalam bab "Penguatan oleh Ketidaksempurnaan Kristal", matriks adalah retakan
464
volume tinggi. Komposit ditunjukkan oleh Gambar. 7 dari bab "Penguatan oleh
Ketidaksempurnaan Kristal" bersifat isotropik, dan tahap ThO2 yang terdispersikan memberikan
penguatan yang implisit dalam Gambar. 5f (bab "Penguatan oleh Ketidaksempurnaan Kristal").
Dalam kasus umum ini, yang dapat mencakup sistem tahap 2 partikel keras (atau kuat) menjadi
matriks Al seperti ditunjukkan pada Gambar. 34 (bab "Cacat Planar: Antarmuka Kristal"),
penguatan komposit 2 tahap dapat dinyatakan sangat kurang oleh
(1)
tahap
1) dan kekuatan luluh (atau tegangan alir) untuk tahap masing-masing. Persamaan 1
mengasumsikan bahwa satu tahap (dispersoid atau tahap terdispersi dalam matriks) jauh lebih
sulit atau lebih kuat daripada tahap matriks lainnya. Ini memang kasus untuk Gambar. 34 bab
"Cacat Planar: Antarmuka Kristal" dan Gambar. 7 dari bab "Penguatan oleh Ketidaksempurnaan
Kristal", di mana ukuran tahap dan retakan volume termasuk juga berbeda secara signifikan.
Fitur-fitur ini diilustrasikan pada Gambar 1a, b. Gambar 1c, d mewakili dua contoh serat
terputus-putus dalam susunan anisotropik searah dan searah dan pengaturan acak isotropik (atau
kuasi-isotropik) secara acak. Gambar 1c adalah karakteristik dari komposit kawat
superkonduktor yang ditunjukkan sebelumnya pada Gambar. 44 dari bab "Warna dan Warna
Elektromagnetik dalam Material." Sebaliknya, Gambar 1e, f menunjukkan serat kontinu dan
searah sejajar dan / atau tegak lurus terhadap sumbu tegangan yang diterapkan atau pada sudut
tertentu yang relatif terhadap sumbu ini. Gambar 1g-i mewakili varians dari komposit serat
kontinu yang ditunjukkan pada Gambar 1e, f yang mewakili bidang-bidang pengganti serat
berorientasi atau tenunan serat (Gambar 1g, h) dan acak. Dalam kasus serat kuat di semen,
misalnya serat asbes seperti ditunjukkan pada Gambar 2 (bab "Contoh Ilmu dan Teknik Material
di Masa Kuno")
465
Tekanan pemecah jauh lebih tinggi daripada matriks semen sehingga serat memegang matriks
bersamaan saat retak karena serat dapat menjembatani retakan. Bahkan fraksi volume serat kecil
dapat berfungsi untuk menghilangkan kegagalan katastropik dari matriks yang lemah dan rapuh
dengan menahan retakan dan propagasi retak sambil memberikan kekuatan lanjutan atau residu
dengan memegang matriks retak bersama (Kelly 1976).
Gambar 1 Contoh klasifikasi material komposit. (a) dan (b) tunjukkan distribusi partikel
homogen dalam suatu matriks. (c) dan (d) tunjukkan serat terputus-putus (anisotropik) dan
acak (kuasi-isotropik) terputus-
-lapis. (h) serat berbagai arah.
(i) kontinu, acak
466
Hal ini dapat diamati pada Gambar 1c bahwa untuk serat sangat kecil yang memiliki panjang
serat / rasio diameter serat (l/d)f <10, keselarasannya dengan arah utama hanya akan memiliki
sedikit konsekuensi karena hanya memperkuat matriks yang mirip dengan Persamaan . 1 untuk
komposit partikulat terdispersi (Gambar 1a, b). Namun, rasio aspek serat kritis, (lc/d) f, kadang-
kadang didefinisikan sebagai
(2)
tarik akhir
Gambar 2 Pengaturan komposit serat laminasi (a-c), dan arsitektur tenunan kain 2-D (d) dan
(e). m dalam (b) menunjukkan laminasi banyak arah kontinu, (Gambar 1h bab "Pasukan
Kimia: Molekul"). (d) menunjukkan tenunan polos, sedangkan (e) menunjukkan tenunan satin
5-harness, yang menggambarkan keragaman arsitektur tenunan kain (Diadaptasi dari Chawla
(1987))
467
(3)
Untuk panjang serat l <lc:
(4)
diameter serat.
Secara acak, komposit serat terputus-putus (Gambar 1d), di mana l / d> 102, Pers. 1 dapat
didekati dengan
(5)
Atau
(6)
yang sesuai, Em dan Ef adalah modulus Young; dan K adalah faktor efisiensi:
K = 3/8 untuk komposit 2 - D acak
K = 1/5 untuk komposit 3 - D acak
untuk komposit serat terputus-putus.
Dalam merawat penguatan serat kontinyu matriks seperti yang diilustrasikan
pada Gambar 1e, f, kita dapat mempertimbangkan komposit 3-D orthotropik atau melintang
secara transversal ketika salah satu bidang utamanya adalah bidang isotropi seperti yang
diilustrasikan pada Gambar. 3a atau yang lebih sederhana, tipis, searah lapisan tipis di bawah
keadaan tegangan pesawat yang tersirat pada Gambar 3b. Untuk kasus orthotropik umum (dan
melintang isotropik) pada Gambar 3a, hubungan tegangan-regangan dapat dinyatakan oleh
(7)
468
dan vij mewakili rasio Poisson dimana pada umumnya
(8)
Gambar 3 (a) menunjukkan komposit orthotropik (serat kontinu dalam matriks) dengan
isotropi melintang, sedangkan (b) menunjukkan lapisan tipis searah yang sesuai dengan
sumbu koordinat utama yang sama, 1, 2, dan 3. (c) dan (d) menunjukkan komponen tegangan
pada lapisan tipis searah yang mengacu pada bukaan (x, y) dan material (1, 2) sumbu seperti
pada Gambar 1f
469
Akibatnya di Pers. 7:
(9)
Untuk kasus ortotropik, transversal isotropik pada Gambar 3a, bidang 2-3 adalah bidang isotropi,
dan
(10)
Dari Pers. 10, Pers. 7 dapat dinyatakan sebagai
(11)
Sebagai tambahan,
(12)
yang mengurangi jumlah konstanta elastis bebas dalam Persamaan. 11 sampai lima. Jika
komposit searah tipis di tiga arah pada Gambar 3b untuk lapisan tipis tegangan bidang,
persamaan orthotropik dua dimensi menggantikan Persamaan. 11 dalam bentuk dan Pers. 13
hanya menggunakan empat konstanta bahan independen: E1, E2, v12, dan G12.
470
(13)
Untuk lapisan tipis dua arah yang ditunjukkan pada Gambar 1g, Pers. 13 menjadi
(14)
disederhanakan untuk lapisan tipis berbagai arah kontinu yang ditunjukkan pada Gambar. 1h dan
2b mewakili gabungan layang-layang silikat, kuasi-isotropik:
(15)
yang hanya memiliki dua konstanta elastis bebas.
Kita dapat mengamati pada Gambar 3c, d, sesuai dengan Gambar 1f, bahwa sumbu utama
lamina (1, 2) tidak sesuai dengan sumbu pemuatan atau sumbu referensi (x, y), dan sumbu utama
(1, 2) dapat dinyatakan dalam istilah yang disebut sumbu pemuatan (x, y) sebagai berikut:
(16)
Dan
(17)
dimana matriks transformasi [T] diberikan oleh
(18)
471
(19)
Untuk sifa
dengan arah serat (Gambar 3c), seseorang dapat memperoleh dari Persamaan. 19:
(20)
yang dapat disederhanakan untuk kasus komposit kekakuan tinggi dimana
E1 >> E2 dan v21 << 1;
dan Pers. 20 menjadi
(21)
menunjukkan bahwa modulus Young di 45º dengan arah serat (atau sumbu) adalah properti yang
didominasi matriks karena bergantung pada E2 dan G12, yang mencerminkan sifat matriks.
Kita sekarang dapat mengamati pada Gambar 3b bahwa sifat-sifat yang terkait dengan
lamina komposit, atau dalam hal ini komposit orthotropik pada Gambar 3a pada arah
(22)
longitudinal (atau serat), dapat dinyatakan denganyang merupakan hukum klasik dari formula
campuran atau model seragam Voigt (1889) seragam (isostrain) dalam komposit membujur:
(23)
Atau
(24)
dimana Ei mewakili komponen modulus Young dan Vi mewakili fraksi volume komponen.
Sejalan dengan itu, seseorang dapat menunjukkan bahwa untuk kekakuan lintang (E2) pada
Gambar 3a, b:
(25)
suatu kondisi isostress yang mana bisa ditulis
472
(26)
juga disebut sebagai model Reuss (1889) dari tegangan seragam dan dinyatakan secara umum
oleh
(27)
Dapat diamati bahwa aturan formula campuran dalam Pers. 22 atau model Voigt di Pers.
24 untuk sistem 2-komponen atau 2 tahap yang memiliki Ef >> Em merupakan batas atas
kekakuan komposit relatif terhadap model Reuss di Pers. 27, yang untuk sistem 2 komponen
yang diwakili oleh Pers. 26 membentuk batas yang lebih rendah untuk kekakuan komposit yang
dapat ditunjukkan secara umum pada Gambar 4 untuk fraksi volume (Vf) dari serat kaku (Ef >>
Em). Kita bisa lihat dari Pers. 21 bahwa kekakuan komposit pada 45º (Gambar 3c, d) lebih dekat
ke batas bawah seperti yang ditunjukkan oleh kurva bertitik pada Gambar 4 dan bergerak ke arah
batas bawah º (Gambar 3c).
Gambar 5a membandingkan kecenderungan umum untuk variasi kekakuan komposit 2
tahap untuk serat kontinyu (longitudinal) yang berbeda dengan kumis tak terputus dan terarah
yang memiliki l / d> 102 dan llc, serta part ikel dimana penguatan diperkecil pada volume
pecahan <10%. Sebagai tambahan, Gambar 5b menunjukkan bahwa secara umum, diameter serat
kontinyu tidak mengandung konsekuensinya dalam konteks fraksi volume serat, yang
mengkonfirmasikan penerapan formula campuran pada Persamaan. 22. Hal ini dapat diterapkan
secara umum dalam rata-rata yang disebut Voigt (1889):
(28)
Gambar 4 Batas atas (E1: regangan seragam) dan batas bawah (E2: tegangan seragam)
kekakuan komposit versus fraksi volume serat. Ef >> Em
473
dimana P mewakili sebuah properti (seperti kekuatan, koefisien ekspansi termal, dll.) komponen
komposit (c) dan komponen yang memiliki fraksi volume Vi. Demikian pula, model Reuss
(1929) menyiratkan itu
Tabel 1 Sifat beberapa komposit MMC dan PMC khas dalam arah longitudinal dan melintang
Adaptasi dari Schaffer et al. (1999)
Gambar 5 (a) Perbandingan kekakuan komposit (modulus) terhadap fraksi volume (Vf) untuk
bentuk tahap penguat yang berbeda. (b) Modulus kekakuan komposit (EL) atau modulus
elastisitas longitudinal sebagai fungsi fraksi volume serat (Vf) untuk berbagai serat kaca
diameter pada epoksi. Diadaptasi dari Meyers dan Chawla (1984)
474
(29)
untuk sifat komposit melintang, Pc dan Pi.
Selain klasifikasi umum komposit yang dicirikan oleh serat atau tahap terdispersi dalam
matriks, matriks itu sendiri menjadi bagian dari karakterisasi. Matriks yang menonjol termasuk
logam atau paduan logam (komposit matriks logam: MMC), polimer termasuk epoxies
thermosetting (komposit matriks polimer (PM C)), dan keramik bertulang (komposit matriks
keramik). Dalam kedua MMC dan PMC, tahap penguatan (serat) meningkatkan kekakuan,
Gambar 6 (a) Komposit serat Al / B (penampang melintang). Serat B memiliki diameter 100
mm dan fraksi volume (Vf) sebesar 0,44 (44%). (b) dan (c) tunjukkan serat karbon dilapisi
untuk kompatibilitas dan reaksi difusi yang berkurang. (b) menunjukkan penampang
melintang SEM dari serat C dilapisi ZrO2 (lapisan oksida adalah serat luka cincin putih)
dalam matriks ZrC. (c) menunjukkan tampilan SEM dari serat karbon berlapis berlapis ZrO2 /
HfO (Courtesy of Ultramet)
475
kekuatan, dan creep matriks sementara peningkatan utama CMC adalah ketangguhan dan
kemampuan untuk mempertahankan kekuatan intrinsik bahkan ketika retakan terbentuk.
Tabel 1 mengilustrasikan beberapa matriks logam dan komposit matriks polimer,
sedangkan Gambar 6a menunjukkan tampilan bidang melintang yang khas untuk serat
aluminium / boron.
Adaptasi dari Courtney (1990)
Tabel 2 Properti serat (fiber)
476
Komposit yang sesuai kira-kira dengan contoh yang diberikan pada Tabel 1. Tabel 2
menunjukkan beberapa sifat untuk serat, logam, anorganik, dan organik. Kekuatan tarik untuk
serat dicatat oleh T.S., yang sesuai dengan tegangan tarik akhir. Serat dan seringkali sistem
komposit lainnya juga ditandai dengan kekakuan yang spesifik, kekakuan E dibagi dengan
tan spesifik disebut
rasio kekuatan terhadap berat, dan untuk banyak aplikasi, strategi untuk meningkatkan rasio ini
secara signifikan dapat menunjukkan peningkatan kinerja yang menonjol.
Kita harus mengomentari fakta bahwa dalam beberapa kasus penguatan matriks
menggunakan serat terus-menerus atau panjang, serat mungkin tidak sesuai dengan matriks yang
membentuk ikatan lemah (atau energi bebas interferensi rendah atau energi perekat) atau
kondusif untuk fenomena diffusive pada serat / antarmuka matriks yang menciptakan tahap
reaktif atau tahap kimia antarmuka baru. Hal ini dapat menyebabkan penarikan serat, sehingga
penguatannya terganggu secara serius, terutama dari waktu ke waktu dan pada suhu tinggi yang
mempromosikan difusi dan reaksi interfacial. Gambar 6b, c menggambarkan lapisan serat
komersial untuk meningkatkan kompatibilitas serat / matriks dan penghilangan reaksi.
Acuan
Chawla KK (1987) Composite materials science and engineering. Springer, New York
Courtney TH (1990) Mechanical behavior of materials. McGraw-Hill, New York
Kelly A (1976) Chapter 9: Composites with brittle matrices. In: Murr LE, Stein C (eds) Frontiers
in materials science. Marcel Dekker, New York, pp 335 364
Meyers MA, Chawla KK (1984) Mechanical metallurgy: principles and applications. Prentice-
Hall, Englewood Cliffs
Reuss A (1929) Z Berechnund der fliebgrenze von misch-kristallen fut grund derplastizitats-
bedingung for ein kristalle. Angew Math Mech 9:49 55
Schaffer JP, Saxena A, Antolovich SD, Sanders TH Jr, Warner SB (1999) The science and
design of engineering materials. McGraw-Hill, New York
Voigt W (1889) Weid. Ann, 38; Lehrbuch der Kristall Physik. Leipzig, Teubner (1910)
477
Komposit Eutektik (Eutectic Composites)
Isi
Pengantar .................................................................................................................................... 477
Narasi ......................................................................................................................................... 477
Acuan ............................................................................................................................. 481
Abstrak
Contoh serat eutektik yang terbentuk dalam matriks logam dengan pemadatan terarah disajikan.
Pengantar
Sudah hampir setengah abad sejak komposit eutektik baru telah diciptakan oleh pemadatan
terarah sistem paduan biner. Dalam bab singkat ini beberapa contoh komposit 2 tahap ini
diperiksa.
Narasi
Komposit Eutektik pada dasarnya adalah inti dari superalloy nikel-base yang dijelaskan pada
bagian 6, bab " Klasifikasi Bahan dan Struktur Komposit." Gambar 9 di bab "Klasifikasi
Material dan Struktur Komposit" menggambarkan penciptaan n3 eutektik f3 (Al , Ta) yang
dikelilingi oleh matriks solusi padat Ni-Cr fcc. Dalam pengembangan sistem komposit seperti
itu, tujuannya telah melibatkan terciptanya bahan multifungsi. Sebagai contoh, superalloy Ni-
base memiliki komposisi yang meningkatkan ketahanan korosi (oksidasi) yang menonjol,
kekuatan menjalar yang tinggi atau kekuatan creep-rupture, resistansi suhu tinggi, ketangguhan
patah yang baik, dll. Sifat atau fungsi kinerja ini dibagi antara komposisi tahap atau sifat atau
fungsi yang berbeda yang ditunjukkan oleh tahap. Tahap Eutektik biasanya sangat keras dan
akibatnya rapuh atau telah mengurangi ketangguhan patah tulang. Akibatnya, ada keuntungan
kompatibilitas karena memiliki tahap keras dan kuat yang bersarang di lingkungan yang lentur
mengakomodasi akumulasi regangan dengan membangun substruktur dislokasi yang akhirnya
dipindahkan. ke tahap terus memperkuat komposit. Dalam sistem ini, fase kedua lebih
478
merupakan agen penguatan menurut Persamaan. 1 dan 28 daripada memberikan peningkatan
kekakuan yang signifikan.
Gambar 1 Diagram fasa Eutektik (biner) dan solidifikasi searah terkait menciptakan paduan
komposit 2 fasa. E menunjukkan eutektik pada suhu TE. L adalah cairan (Dari Murr et al
2012)
479
Gambar 2 Komposisi metalografi optik 3-D untuk batang eutektik MnSb sejajar pada matriks
Sb dimana l / d> 10 (Dari Murr et al 2012)
Gambar 3 Komposisi gambar 3-D (bidang horizontal SEM dan metalografi optik di bidang
vertikal) untuk batang eutektik Ni3Al dalam matriks Mo. l / d> 102
480
Gambar 4 Diagram tegangan-regangan untuk struktur eutektik Al-Al3Ni yang dipantulkan dan
dipantulkan secara manual. 10.000 psi ¼ 10 ksi ¼ 0,069 GPa (Diadaptasi dari Hertzberg 1976)
Seperti yang tersirat pada Gambar 24a, serat, terutama serat panjang, memberikan
penguatan yang signifikan dari matriks ulet nominal. Untuk mencapai fitur ini dalam paduan
eutektik melibatkan pemadatan terarah yang mengubah paduan cair menjadi dua fase yang
berbeda: fasa eutektik batang atau filamen yang terdispersi dalam matriks p adat atau matriks
larutan padat yang melibatkan komposisi biner yang berbeda dengan komposisi fasa eutektik.
seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1.
In the fabrication of eutectic-reinforced matrix composites, the unidirectional
solidification of an alloy ingot of eutectic composition is achieved under a steep axial thermal
gradient by gradual withdrawal of an ingot from a furnace. This establishes a planar solid liquid
interface separating the liquid (melt) and solid phases shown by the large directional arrow in the
liquid (L) in Fig. 1 (upper left).
reaction at the eutectic temperature (TE in Fig. 1) grow parallel to the direction of solidification
(large arrow in Fig. 1). Hertzberg (1976) has illustrated that the type of morphology developed in
a eutectic microstructure depends on the relative volume fraction of each phase. Eutectic rods or
filaments embedded in a matrix phase will form when
481
alloy volume. These features are illustrated in Fig. 1. Fig
of lamellar phase structures in particular is controlled by the velocity of the solid liquid
interface:
(1)
dimana C adalah konstanta dan R adalah tingkat solidifikasi. Akibatnya, mengendalikan R untuk
setiap komposisi fasa spesifik (diagram) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 akan
memungkinkan fraksi volume relatif dan morfologi mikrostruktur dikontrol secara implisit pada
Gambar 7.
Gambar 2 dan 3 mengilustrasikan pembuatan filamen atau batang eutektik dalam matriks
pendukung (atau yang diperkuat). Gambar 2 menunjukkan batang eutektik MnSb dalam matriks
hcp-Sb, sedangkan Gambar 3 menunjukkan komposisi 3-D yang menggambarkan filamen
- -bcc). Gambar 4 mengilustrasikan penguatan Al-Ni
yang terarah secara terarah yang menciptakan serat Al3Ni dalam matriks Al yang berbeda
dengan komposisi Al-Ni cast. Penguatan ini konsisten dengan yang dicapai untuk serat B di Al
yang ditunjukkan pada Tabel 1, di mana kekuatan tarik Al kira-kira 0,4 GPa berbeda dengan
matriks Al-B yang diperkuat dimana kekuatannya ~ 1,4 GPa.
Acuan
Hertzberg RW (1976) Structure-property relationships in eutectic composites. In: Murr LE, Stein
C (eds) Frontiers in materials science. Marcel Dekker, New York, pp 421 454
Murr LE, Martinez E, Gaytan SM, Ramirez DA (2012) Contributions of light microscopy to
contemporary materials characterization: the new directional solidification. Metallogr
Microstruct Anal 1:45 58
482
Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit
Isi
Pengantar ................................................................................................................................... 482
Tulang dan Gigi Manusia .............................................................................................. 482
Kerang Moluska dan Budidaya, Mutiara Air Tawar ..................................................... 490
Kayu dan Bahan Tanaman Lainnya .............................................................................. 492
Contoh Aplikasi Material Kayu dan Tanaman .............................................................. 504
Acuan .................................................................................................................................... 508
Abstrak
Komposit alami atau biologis ditinjau dengan sejumlah contoh yang tepat: tulang dan gigi
manusia, kayu, mutiara, ibu dari mutiara, dan struktur kulit yang terkait.
Pengantar
Ada banyak contoh dan variasi sistem komposit di alam atau dunia biologi. Jika seseorang
berdiri di depan cermin, pegunungan yang membentuk bala bantuan kristal hydroxyapatite dapat
divisualisasikan, dan pengaruhnya terhadap kekuatan gigi lebih dihargai pada menggigit
sepotong permen keras. Apresiasi yang sama timbul pada pemeriksaan sepotong kayu dimana
sifat-sifatnya mudah dikaitkan dengan orientasi butirannya.
Setelah mengeksplorasi beberapa dasar komposit yang terkait dengan bahan biologis atau
sistem bahan dalam bab ini, aplikasi yang lebih spesifik akan dibahas di bab "Struktur dan
Fungsi Virus dan Bakteri" yang berikut.
Tulang dan Gigi Manusia
Mc Kee dkk. (2005) telah menggambarkan tulang dan gigi sebagai struktur komposit heterogen,
hierarkis, dengan fungsi yang berbeda. Komponen tulang termasuk fase hidroksiapatit kristal
(nanokristalin), fasa amorf komposisi serupa, fase organik kristalin, kolagen, dan molekul
protein yang membentuk fase organik amorf dalam bentuk gel dan sol, dan cairan lainnya.
Tulang manusia terbesar atau terpanjang, tulang paha betina, terdiri dari tulang korteks (keras
atau berpori) yang luar biasa, yang berpori, atau berpori seperti busa Young mulai dari ~ 18
sampai 20 GPa yang mengelilingi rongga sempit yang terdiri dari topangan trabecular
(cancellous) atau tulang yang lebih lembut memiliki modulus Young mulai dari ~ 0,5 sampai 2
GPa. Gambar 1 mengilustrasikan ciri struktural dan makrostruktural ini.
483
Pada tingkat jaringan, tulang terdiri dari sel yang menyusun jaringan tulang dan sel
jaringan vaskular, berbagai matriks organik, dan matriks anorganik yang terutama terdiri dari
hidroksiapatit: Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 yang memiliki struktur kristal heksagonal, a = b = 9,5 A °, c
= 6,9A °, serta fase amorf kimiawi serupa. Matriks organik tulang yang diproduksi oleh sel
dalam matriks ekstraselular membentuk molekul kolagen atau makromolekul (tropokolagen)
yang terdiri dari tiga rantai molekul polipeptida terkait asam amino yang terurai menjadi
terulang, makromolekul koloni triple heliks ~ 300 nm panjang dan diameter 1,5 nm. Ini bisa
membentuk pengulangan array fibril yang bisa mengakomodasi berbagai bentuk persyaratan dan
memberikan fleksibilitas jaringan. Array berulang dari makromolekul kolagen dan fibril yang
diilustrasikan pada Gambar 2a, b disusun dalam konfigurasi terhuyung yang menciptakan fibril
yang memiliki periodisitas yang dapat diamati yang dikenal sebagai struktur D-band dimana D =
67 nm. Struktur ini termasuk wilayah yang mirip gap. Fibril ditunjukkan pada Gambar 2, yang
terdiri dari molekul tropokolagen yang tumpang tindih yang saling terkait secara kovalen satu
sama lain menggunakan rantai samping lisin, hanya terjadi pada kolagen. Diameter fibril yang
ditunjukkan pada Gambar 2b dapat bervariasi dari 30 nm di kornea sampai ~ 500 nm pada
tendon, di mana bundel kolagen fibril (Gambar 2b) membentuk serat lebih besar yang dibantu
oleh ikatan silang makromolekul seperti proteoglikan. Molekul kolagen atau fibril (Gambar 2b)
adalah bahan konstruksi protein terlimpah di tubuh manusia. Sebenarnya ada 27 jenis kolagen
yang berbeda yang dapat membentuk struktur kompleks bercabang pada protein matriks
ekstraselular dan non-kolagen.
Pada jaringan kulit dan sejenisnya, fibril kolagen sejajar dengan struktur seperti lembaran
seperti seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3. Ligamen dan tendon, seperti yang disebutkan,
memiliki serat kolagen atau struktur matriks serat. Namun, di dalam tulang, pembentukan
nanocrystals hidroksiapatit dikendalikan oleh sel osteoblas yang, jika dilumatkan pada kristal
hidroksiapatit, menjadi osteosit. Jenis sel ketiga yang disebut sel osteoklas menghilangkan tulang
mineral dan matriks tulang dan mengatur pembentukan dan penyerapan (atau pergantian) tulang.
Kristal hidroksiapatit terbentuk sebagai nanocrystals 30-150 nm, lebar 15-30 nm, dan tebal 2-10
nm, dengan dimensi panjang yang diorientasikan pada sumbu sumbu [001] arah (McKee et al
2005; Glimcher 2006). Kristal ini, atau lebih tepatnya pembentukannya, dikendalikan oleh
matriks kolagen dan struktur gen protein yang terkait. Struktur gen ini menandakan nukleasi dan
484
pertumbuhan serta lampiran, ukuran, dan kepadatan spesifik kristal hidroksiapatit yang mengarah
paralel dengan makromolekul kolagen seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2c.
Gambar 1 Struktur tulang manusia. (a) Paha bagian atas yang menunjukkan daerah korteks
luar (C) dan daerah tulang trabekular (T) yang dalam, atau rezim intramedullary (burik). (b)
Bagian tulang kortikal atau pandangan longitudinal (a) menunjukkan struktur tulang keropos
(b) diberikan oleh Prof. Alan Boyde
485
Gambar 2 Skema pandangan molekul hirarkis dan struktur fibril. (a) Helical triple
polypeptide chains membentuk molekul tropocollagen (a). Molekul tropokolagen beruntai
panjang ini dihubungkan secara kovalen menggunakan rantai samping lisin untuk membentuk
bundel atau fibril kolagen (b). Fibril yang terhuyung membentuk celah, disebut D-band atau
D-periods. Kristal hidroksiapatit (HA) dapat terbentuk pada celah ini dan permukaan
perancah tropocollagen (c)
486
Endapan kristal pada perancah fibril kolagen menghasilkan konfigurasi yang
memungkinkan fibril kolagen menahan beban tekan, sambil mempertahankan fleksibilitas.
Mengubah kerapatan dan ukuran kristal hidroksiapatit selaras melalui pensinyalan fungsional
oleh struktur sel dapat mengubah kekuatan komposit. Hal ini terutama penting dalam struktur
gigi (atau gigi dentin dan email) dimana kristal hidroksiapatit berukuran 10 kali lebih besar dari
tulang di semua dimensi, memberikan struktur komposit yang lebih padat dan lebih kuat,
berorientasi struktur (Kirkham et al 1998) sebagai diilustrasikan pada Gambar 4. Hal ini terutama
berlaku untuk enamel yang kira-kira 95% hidroksiapatit. Idealnya, ini menyiratkan bahwa fraksi
volume kristal hidroksiapatit berorientasi memperkuat matriks kolagen terjalin sesuai dengan
Persamaan. 22 dan seperti yang ditunjukkan secara umum pada Gambar 4 (bab "Komposit
Eutektik"), di mana modulus Young untuk kolagen dapat diperkirakan dari pengujian tarik
tendon sampai 150 kg / mm2 (1.47 GPa) (Piekarski 1973) dan hidroksiapatit.
Gambar 3 TEM menunjukkan fibril kolagen dengan struktur D-band untuk bagian
tipis melalui jaringan paru-paru mamalia (Courtesy of Louisa Howard). Fibril ini tidak
memiliki kristal hidroksiapatit terkait karena mereka menyusun jaringan lunak. Seiring
perubahan fungsi jaringan dalam konteks persyaratan kekuatan, sinyal sel biologis (protein)
akan mengarahkan nukleasi dan pertumbuhan hidroksiapatit. Panjang kolagen juga lebih
pendek dari pada struktur tendon atau tulang
487
Modulus Young telah diukur bervariasi dari 1.755 sampai 17.600 kg / mm2 (17.2-172
GPa) (Mack 1964; Currey 1964), faktor kira-kira 10-100 kali lebih besar dari pada matriks
organik: Ef (hydroxyapatite) 10- 100 Em (matriks kolagen). Namun, dalam kasus struktur busa
berpori padat atau seluler, modulus Young atau kekakuan (E) diberikan oleh Gibson dan Ashby
(1982):
(1)
adalah densitas penuh) dan Eo adalah modulus Young yang padat sepenuhnya. Akibatnya,
kekakuan tulang keras (kortikal) (Gambar 1b) (~ 18-20 GPa) mencerminkan variasi porositas
atau kerapatan tulang ini. Porositas porositas kortikal ~ 62%. Dapat dicatat bahwa porositas dan
densitas (atau kerapatan relatif) terkait oleh
kerenikan = (2)
Gambar 4 Komposit struktur gigi manusia menunjukkan komponen fungsional
488
Tulang umumnya memiliki kristal hidroksiapatit 35-45%, bahan organik 35-45%
(termasuk serat kolagen), dan 15-25% air. Hal ini berbeda dengan kira-kira 75% kolagen pada
kulit dan jaringan lainnya (Gbr.3).
Struktur gigi (Gambar 4) didominasi oleh gigi dentin dan enamel yang menyusun
mahkota gigi. Enamel adalah yang tersulit dari semua jaringan tubuh dan disusun oleh batang
hidroksiapatit (diameter 4-
2% dan ~ 4% air. Batang ini berjalan dari antarmuka dentin / enamel dan pada umumnya tegak
lurus terhadap antarmuka dentin / enamel, keduanya juga saling terkait dan saling terkait dalam
susunan kompleks seperti ditunjukkan pada Gambar 5a. Kristal hidroksiapatit menyusun kira-
kira 160 nm panjang dan lebar 20-40 nm. Kekakuan enamel atau modulus Young kira-kira 83
GPa (Staines et al 1981).
Rezim dentin yang mendasari gigi (Gambar 4) membentuk gigi utama gigi dan
mendukung enamel. Ini menyerap tekanan yang diterapkan pada gigi dalam bentuk komposit
yang mirip dengan tulang, walaupun mengandung tubulus yang sejajar dengan fibril kolagen dan
serat yang mengandung kristal hidroksiapatit seperti pada Gambar 2c, dalam jumlah bervariasi
mulai dari konsentrasi yang lebih tinggi pada antarmuka enamel / dentin dan lebih rendah.
jumlah terhadap area akar dan daerah yang berinteraksi dengan tulang. Gambar 5b
menggambarkan bagian dentin di dekat antarmuka enamel / dentin. Saat rejim dentin bergerak
menjauh dari antarmuka dentin / email, tubulus meningkat dalam densitas. Artinya, volume
berpori meningkat. Struktur ini mirip dengan struktur sarang lebah yang akan dijelaskan
kemudian, terutama pada struktur kayu. Modulus Dentin Young yang sesuai kira-kira 12 GPa
(Povolo dan Hermida 2000) yang, berbeda dengan enamel seperti yang ditunjukkan di atas,
adalah faktor 7 kurang, meskipun lebih besar di dekat antarmuka dentin / enamel, namun
berubah dengan kandungan kristal hidroksiapatit sebagai dalam tulang (Ferguson et al 2005).
Struktur kolagen dan peran mereka dalam fungsi tulang dan gigi juga merupakan fitur penting
(Fratz 2008).
489
Gambar 5 Reaktor komposit gigi. (a) Batang kristal hidroksiapatit dan kristal fibril pada
enamel gigi. (b) Struktur dentin yang menunjukkan tubulus y ang mengandung air dan bahan
seluler
490
Kerang Moluska dan Budidaya, Mutiara Air Tawar
Seperti tulang dan gigi, moluska yang berbentuk kerang, termasuk tiram dan kerang, dan
mutiara yang disertakan, menunjukkan komposit baru, struktur komposit organik / anorganik
yang serupa dalam beberapa hal pada tulang dan gigi, meskipun fasa kristal anorganik adalah
kalsium karbonat (dalam satu atau struktur kristal allotropik lainnya: kalsit atau aragonit)
daripada heksagonal hidroksiapatit. Ada lebih dari 105 cakram laut atau air tawar yang berbeda
dengan shell (atau kerang). Dari jumlah tersebut, ada kira-kira 103 spesies kerang kerdil yang
sepertiganya menempati daerah segar, sementara dua pertiga menempati perairan asin. Spesies
dua katup ini menghasilkan mutiara di dalam bodi katup, atau mantel, dengan membungkus
partikel asing di kantung molekuler organik yang kemudian menengahi pembentukan kalsium
karbonat / organik kompleks yang membentuk pembengkakan yang kuat dan keras.
Serupa dengan tulang dan gigi, kerang kerang dan mutiara dibentuk oleh kerangka kerja
(makromolekul) seluler yang mengendalikan pembentukan kristal kalsium karbonat: nukleasi,
spesifisitas atau penempatan lokasi pada lapisan organik, ukuran, dan polimorf, baik kalsit
CaCO3 (trigonal struktur kristal: a = 5A °, c = 17,1 A °) atau aragonit (struktur kristal
poligonal yang dipisahkan oleh lapisan matriks organik interlamar, yang dibentuk oleh
-chitin, protein sutra hidrofobik yang disebut conchiolin, dan
kumpulan kompleks protein hidrofilik lainnya (Lowernstam dan Weiner 1989). Lapisan ini
memberi sinyal pembentukan platelet kristal yang dapat diorientasikan dengan parameter kisi
terpanjang sejajar atau tegak lurus terhadap lapisan interlamilar organik, yang dalam banyak
kasus tidak terputus-putus. Ini adalah proses yang agak luar biasa dalam konteks nukleasi dan
pertumbuhan bahan kristal karena dalam kebanyakan kasus, kristal tumbuh oleh atom yang
mengorganisir epitaxially pada substrat kristal (berorientasi) dimana replikasi lanjutan dari
pertumbuhan berorientasi (oleh lapisan) ini sangat menguntungkan. Prosesnya mirip dengan
spesifikasi gen yang memproduksi dan menyetorkan kristal hidroksiapatit di tulang dan gigi.
Seperti yang digambarkan pada Gambar 6, struktur kulit abalon terdiri dari lapisan
multilayer kristal kalsit yang padat yang berorientasi pada sumbu c, mirip dengan lapisan enamel
padat pada gigi (Gambar 4), dengan struktur lapisan dalam y ang terdiri dari Ubin aragonit kira-
kira 400 nm tebal dan lapisan interlamellar organik kira-kira setebal 40 nm membentuk struktur
nacre atau mother-of-pearl di bagian dalam shell (Gambar 6b). Struktur komposit kristal /
491
organik melintang yang kompleks ini sangat keras dan dengan kekuatan tekan 0.5 GPa atau lebih
tinggi. Arsitektur komposit yang diilustrasikan pada Gambar 6c baru-baru ini mengilhami
pengembangan properti multidirectional yang dapat diprogram dalam sistem material yang
menggunakan medan magnet untuk membangun arsitektur serupa di lapisan tipis aluminium
oksida (Erb et al 2012).
Produksi mutiara air tawar di seluruh dunia kebanyakan bergantung pada kerang bivalvia
segitiga (Hyriopsis cumingi) sedikit lebih kecil dari pada abalon tetapi dengan struktur yang
serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar 6c. Jaringan mantel katup di kerang ini
diunggulkan dengan potongan persegi 3 mm dari jaringan mantel kerang yang diilustrasikan
pada penampang melintang pada Gambar 5c. Organisme ini merespons implan iritan ini dengan
membentuk kantung jaringan kistik yang mengelilinginya. Jaringan ini menerima informasi
sinyal berkode untuk replikasi struktur komposit dari biji dan menandakan pembentukan cincin
kristal kalsit dan organik di sekitar kantung. Struktur komposit konsentris ini menjalar ke luar
bila, pada suatu titik, lapisan maklovolekul, interlamaris memberi sinyal pembentukan ubin
aragonit yang terus membentuk konsentris, menampung jari-jari mutiara dan membentuk
struktur permukaan mutiara yang berwarna-warni. Ini diilustrasikan dalam penampang mutiara
air tawar dekat permukaan mutiara seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
492
Dapat dilihat pada Gambar 7 bahwa ubin lempeng aragonit yang dipisahkan oleh lapisan
makromolekul tipis (~ 40-50 nm) pada dasarnya sama dengan permukaan mutiara dalam mutiara
yang ditunjukkan pada permukaan mutiara. pada Gambar 6b.
Bahan Kayu dan Tanaman Lainnya
Unit dasar kayu dan struktur tanaman lainnya adalah sel tanaman, unit materi hidup terkecil yang
mampu berfungsi secara independen. Sel memproduksi protein, polisakarida, dan endapan
mineral. Polisakarida adalah karbohidrat makromolekul dan komponen utama kayu. Polisakarida
dapat berfungsi sebagai bahan penyimpanan, komponen struktural, atau pelindung. Pati adalah
polisakarida penyimpanan yang paling menonjol bersama dengan glikogen dan struktur lainnya.
Polisakarida struktural adalah polisakarida berserat atau matriks, seperti polisakarida terkait
chitin yang membentuk struktur interlamar dalam ubin aragonit yang membentuk mutiara seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 7.
Gambar 6 Struktur kulit Abalone (Haliotis sp.). (a) dan (b) kulit abalone. (a) adalah shell luar
(kalsit) (O); (b) adalah batuan dalam (aragonit) (I) yang menunjukkan ibu mutiara berwarna-
warni. Dimensi panjang cangkangnya adalah ~ 22 cm. (c) SEM melihat penampang
melintang yang menunjukkan tiga lapisan kristal kalsit yang tumbuh ke arah panah dan
lapisan aragonit / organik multilamar yang tegak lurus terhadap orientasi kalsit. Daerah luar
(O) dan daerah dalam (I) (atau ibu-dari-mutiara) dicatat ((b) dimiliki oleh ETH-
Gambar 7 SEM menunjukkan segumpal mutiara dekat permukaan air dekat ubin aragonit ~
350 nm tebal (Dari Murr dan Ramirez (2012))
493
di luar membran plasma yang ~ 0,1- -sel yang kaku dan
mendukung membran plasma yang terbentuk dari molekul amphipathic yang memiliki satu
ujung hidrofilik dan satu ujung hidrofobik. Inti sel berisi enkripsi untuk struktur dan fungsi yang
tertanam dalam DNA genetik. Kloroplas di inti memproduksi glukosa dan gula lainnya melalui
fotosintesis dari air dan karbon dioksida. Glukosa pertama kali diubah menjadi glukosa anhidrida
dengan mengeluarkan satu molekul air dari unit glukosa yang dipolimerisasi menjadi molekul
selulosa rantai panjang yang mengandung unit glukosa 5 x 10³ sampai 15 x 10³. Seperti yang
akan kita lihat, unit pengulangan dasar polimer selulosa terdiri dari dua unit anhidrida glukosa
180-yang dilapisi, yang sering disebut sebagai unit selobiose atau monomer selulosa. Selulosa
adalah elemen struktur utama dinding sel, terutama pada kayu.
Secara makro, kayu atau batang pohon terdiri dari area empulur sentral yang dikelilingi
oleh xilem dan kulit kayu. Xylem terdiri dari inner heartwood dan gubuk luar yang dikelilingi
oleh kulit kayu yang terdiri dari inner (yang melakukan gula) dan kulit kayu luar yang berfungsi
sebagai lapisan pelindung. Kulit kayu bagian dalam menambah kayu baru dengan aktivitas
tahunan kambium, lapisan sel pemisah yang terjepit di antara kulit kayu dan gubal bagian dalam.
Kayu gabus luar berfungsi sebagai sistem transportasi air yang merupakan kawasan cincin pohon
yang baru terbentuk. Ketika wilayah sapwood bergerak ke dalam dan berhenti berfungsi dalam
transportasi air, ia akan menjadi kayu ulin.
Pohon untuk produksi kayu diklasifikasikan sebagai kayu lunak dan kayu keras yang
paling beragam karena mengandung kayu ringan dan terberat. Kayu keras adalah angiosperma
dikotil yang mengkarakterisasi kelompok tanaman yang sangat besar termasuk buah-buahan dan
sayuran serta gulma dan pepohonan. Kayu lunak termasuk tanaman yang lebih primitif yang
disebut gymnosperma yang sebagian besar terdiri dari pepohonan, termasuk tumbuhan runjung.
Kayu keras lebih beragam secara struktural daripada kayu lunak. Di kayu lunak, sel yang
dikenal sebagai tracheids berbagai fungsi, menyediakan transportasi air dan dukungan mekanik
untuk batang. Di kayu keras, sel pengangkut air khusus yang disebut kapal jauh lebih besar
daripada tracheids, dan fitur ini, bersamaan dengan rezim seluler lainnya, membuat kayu keras
lebih berpori. Gambar 8 mengilustrasikan berbagai fitur struktural tipe sel ini untuk bagian kayu
keras. Elemen kapal pada Gambar 8a adalah sel tunggal atau ganda yang berbeda dari diameter
kecil, sel trakea longitudinal yang disebut "serat," kertas penulisan tipe sel utama. Di kayu keras
494
yang ditunjukkan oleh Gambar 8a, trakea longitudinal ini berdiameter ~20-
panjangnya 1-2 mm. Pada Gambar 8b, bahan di dalam elemen kapal besar disebut tyloses yang
merupakan sumber dari sel parenkim yang berdampingan, memiliki struktur sel tertutup, busa
polyhedral, dan karakteristik struktur tanaman lunak. Sel parenkim menyimpan gula.
Berbeda dengan struktur sel kayu, struktur sel trakea kayu longitudinal menyumbang
lebih dari 90% volume kayu. Tracheids ini, yang diilustrasikan pada Gambar 9, berukuran sekitar
3-5 mm dan diameter 20-
anisotropik ini serupa dengan dentin yang diilustrasikan pada Gambar 5b dimana kristal kolagen
dan hidroksiapatit yang berorientasi menghasilkan komposit berserat yang ditunjukkan secara
ideal pada Gambar 24a (bab "Komposit Eutektik"). Seperti yang digambarkan pada Gambar 9a,
lapisan dinding sel utama pada kayu terdiri dari susunan mikrofibril selulosa yang komp leks
dalam matriks hemiselulosa, lignin, dan glikoprotein yang merupakan penyusun minor dan
dianggap terlibat dalam penautan silang. Lignin, polimer bercabang acak, mengatur transportasi
air tetapi yang lebih penting, ia menstabilkan sel dan antarmuka interselular yang tersusun oleh
dinding sel utama. Pada tanaman lainnya, pektin banyak menggantikan lignin. Pektin adalah
polisakarida yang berbeda dengan lignin yang merupakan polimer fenolik kompleks.
Sebenarnya, sedikit yang diketahui tentang terjadinya pektin pada kayu, sementara itu dominan
sebagai pengganti lignin pada tanaman nonwoody, bergabung sel bersama. Bila enzim jamur
memecah pektin pada buah-buahan, misalnya buah menjadi lembut dan lembek.
Dalam struktur dinding sel untuk kayu seperti ditunjukkan pada Gambar 9a, lignin paling
menonjol di dinding utama tempat ia berfungsi sebagai bahan embedding dan penguatan
(pengerasan) untuk selulosa dan hemiselulosa. Ketiga polimer polisakarida, selulosa,
hemiselulosa, dan lignin - komponen biomassa utama dalam proporsi selulosa 50% yang sesuai,
25% hemiselulosa, dan 25% lignin - memberikan integritas struktural kayu atau pohon komposit,
yang dapat memiliki berat lebih dari 2.000 metrik ton. Dinding sel sekunder, terdiri dari tiga
lapisan,
495
Gambar 8 Contoh struktur kayu keras. (a) Bagian blok kayu birch manis yang menunjukkan
unsur-unsur kapal (lubang besar) dan serat sel. (b) Bagian balok kayu orbital orbital yang
menunjukkan tyloses pada elemen kapal. Ini disebut sebagai kayu cincin berpori (Courtesy of
the Society of Wood Science and Technology)
496
Gambar 9 Butir seluler di kayu. (a) Struktur dinding sel terdiri dari lapisan primer
mikrofibril selulosa multidirectional dan tiga lapisan sekunder dengan mikrofibril selulosa
yang berorientasi. Di dalam gubal, pusat sel mengandung nuklir dan materi lainnya, termasuk
kloroplas. Konsentrasi lignin yang lebih tinggi mengikat dinding sel bersama. (b) Struktur
kayu lunak (pinus) (courtesy of the Society of Wood Science and Technology)
497
S1, S2, dan S3, memiliki mikrofibril selulosa yang berorientasi pada pola tertentu. Pada
S1 dan S3, mikrofibril berjalan lebih atau kurang horizontal (atau tegak lurus terhadap sumbu sel
longitudinal), sedangkan pada S2, mikrofibril selulosa hampir sejajar dengan sumbu sel. Ini
dalam beberapa hal karakteristik tenunan kain atau struktur komposit laminasi multidirectional
yang diilustrasikan pada Gambar 24 di bab "Komposit Eutektik."
Gambar 10 mengilustrasikan kelanjutan hirarki struktural untuk sel tanaman dan terutama
struktur sel kayu yang ditunjukkan pada Gambar 9a, yang selanjutnya disempurnakan dalam
struktur molekul yang ditunjukkan pada Gambar. 11, 12, dan 13. Pada Gambar 10, mikrofibril
selulosa yang ditunjukkan pada Gambar 9a ditunjukkan terdiri dari fibril elementer (diameter 3-4
nm), seperti yang diilustrasikan pada Gambar 11a, yang terdiri dari unit selobiose kontinyu
(molekul glukosa ganda) yang membentuk rantai selulosa yang merupakan gugus hidroksil (OH)
cross-linked seperti ditunjukkan pada Gambar 11b. Unit molekul selobiosa adalah sumbu b dari
(Chakraburty et al 2006). Rantai selulosa silang ini membentuk daerah kristal atau nanokristalin
atau segmen kira-kira 20-30 nm, dipisahkan oleh daerah rantai nonkristalin dan tidak beraturan
dari kumpulan fibril dasar yang membentuk mikrofibril selulosa 10-25 nm. Mikrofibril selulosa
terikat bersama oleh rantai molekul hemiselulosa yang jauh lebih pendek daripada rantai
selulosa. Molekul-molekul ini dicirikan oleh glukomanan di kayu lunak dan xylans di kayu keras
(Gambar 11b). Mereka juga mengandung beberapa rantai samping dan juga terikat (oleh ikatan-
H) ke rantai molekul lignin (Gambar 10) yang merupakan polimer dengan berat molekul tinggi
nonkristalin (protolignin) yang dikelompokkan menjadi beberapa jenis pada karakteristik
tanaman rumput, kayu keras, dan kayu lunak. Gambar 12a mengilustrasikan unit molekul G-
lignin dan S-lignin yang mencirikan struktur dinding kayu lunak dan dinding kayu keras,
masing-masing, walaupun kayu keras dapat mengandung campuran S- dan G-lignin. Gambar 13
menunjukkan struktur yang lebih lengkap untuk lignin pada softwood tracheids (Adler 1977).
Sementara, seperti dicatat, lignin menanamkan kekakuan atau kekakuan di dalam dinding sel
(Gambar 9a), ia juga bertindak sebagai agen pengikat untuk menahan sel bersama-sama. Seperti
selulosa dan hemiselulosa, kandungan lignin bervariasi dalam struktur dinding sel sebagai
respons terhadap fungsi mereka (Brunow et al 1998).
498
Tabel 1 mengilustrasikan varians komponen ini untuk kayu dan lapisan dinding sel, sedangkan
Tabel 2 membandingkan kisaran sifat mekanik untuk komponen dinding kayu dan sel: selulosa,
hemiselulosa, dan lignin. Pada struktur dinding sel yang diilustrasikan pada Gambar 9a, lapisan
S2 benar-benar menentukan sebagian besar ketebalan dinding, dan seperti ditunjukkan pada
Tabel 1, komposisinya bervariasi melalui empat lapisan dinding sel, dengan lignin menurun
drastis dari lapisan primer ke luar lapisan (S3). Sebagai hasil dari fraksi S2 besar dan pelurusan
mikrofibril selulosa di lapisan S2, ini adalah ciri pengontrol modulus longitudinal karena
modulus Young adalah ~ 45
Gambar 10 Skema struktur mikrofibril selulosa menunjukkan hemiselulosa dan ikatan lignin
499
Gambar 11 Struktur dan komponen molekuler untuk selulosa (a) dan hemiselulosa (b).
Monomer glukosa (n) ditunjukkan di bagian atas dan ditunjukkan oleh panah pada (a)
500
GPa untuk sudut mikrofibrillar 10 berbeda dengan ~ 10 GPa pada usia 40 tahun (Care 1969).
Sebaliknya, lapisan S1 memberikan kontribusi yang signifikan terhadap modulus melintang
sebagai akibat dari orientasi melingkar dari mikrofibril selulosa (Gambar 9a). Secara umum,
struktur sel dan sifat sel kayu dapat paling banyak dicoba sebagai sarang lebah seluler prismatik
(heksagonal) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15a. Untuk pemuatan di sepanjang butiran
atau arah serat longitudinal, dinding sel kompres secara aksial dan gagal oleh tekuk. Akibatnya,
dkk. (2010):
Gambar 12 Unit lignin (a) dan molekul pektin (b)
501
GPa untuk sudut mikrofibrillar 10 berbeda dengan ~ 10 GPa pada usia 40 tahun (Care 1969).
Sebaliknya, lapisan S1 memberikan kontribusi yang signifikan terhadap modulus melintang
sebagai akibat dari orientasi melingkar dari mikrofibril selulosa (Gambar 9a). Secara umum,
struktur sel dan sifat sel kayu dapat paling banyak dicoba sebagai sarang lebah seluler prismatik
(heksagonal) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15a. Untuk pemuatan di sepanjang butiran
atau arah serat longitudinal, dinding sel kompres secara aksial dan gagal oleh tekuk. Akibatny a,
dkk. (2010):
(3)
(4)
Gambar 13 Struktur kayu lunak Lignin (diperpanjang). Me mewakili kelompok metil, CH3
502
dimana faktor 1/3 di Pers. 4 menghubungkan perbedaan antara kekuatan tari
tarik
melintang, runtuh sarang lebah pada Gambar 14a,
(5)
Data dari Gibson (2012)
(6)
1,5 g / cm3, longitudinal
(atau koaksial) Modulus Young ES (L) di Pers. 3 akan menjadi ~ 30 GPa, sedangkan pada arah
melintang (melintasi butir), ES (T) 10 GPa di Pers. 5. Kekuatan tarik pada arah butir
longitudinal (aksial) adalah 0,35 GPa sedangkan ~ 0,14 GPa berada pada arah melintang
Tabel 1 Komposisi komponen untuk kayu kering
Data dari Sjostrom (1993) dan Bodig dan Jayne (1982)
Lihat Gambar 11b
Termasuk pektin dan protein seperti pati
Tabel 2 Sifat mekanis untuk komponen kayu
503
0,12 GPa dan
balsa sampai ~ 0,88 untuk lignumvitae, modulus dan kekuatan Young dapat bervariasi masing-
masing dengan faktor 103 dan 102, sedangkan modulus dan kekuatan tarik dinding sel di Arah
longitudinal (aksial) sepanjang butiran sampai 4,5 kali pada arah melintang, melintasi butir.
Tentu ada tanaman yang terdiri dari sel-sel berserat dan seperti sarang lebah dan sel-sel
busa sel tertutup parenkim yang diilustrasikan idealnya pada Gambar 14b dimana modulus
Young dapat didekati denganEq. 1. Untuk Es 0,01, modulus sel diberikan
oleh E 0,005 GPa. Untuk tanaman seperti kelapa atau yang terdiri dari sarang lebah dan busa
bervariasi dari ~ 0,01
0.3GPa Sel parenkim pada tanaman seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 14b
memiliki struktur dinding sel tunggal yang terdiri dari selulosa, hemiselulosa, dan pektin.
Gambar 14 (a) Model honeycomb untuk pemuatan sel kayu. (b) Model sel tertutup
(polyhedral) untuk pemuatan sel tumbuhan. Polyhedron, cuboctahedron yang dipotong,
adalah polyhedron yang benar-benar mengisi ruang
504
Contoh Aplikasi Material Kayu dan Tanaman
Selain banyak penggunaan potongan kayu curah dari kayu sepanjang struktur butiran untuk
kekuatan optimal, ada banyak aplikasi laminasi kayu dan lapisan kayu untuk balok struktural dan
banyak jenis kayu lapis sesuai dengan lapisan ideal yang ditunjukkan pada Gambar. 1g dan 2a-c.
Gambar 15 mengilustrasikan struktur kayu lapis seperti yang didasarkan pada bagian tipis butir
kayu berorientasi berorientasi dan berorientasi silang. Bahan bangunan seperti itu menyaingi
beton dan batu untuk tempat tinggal kecil dan sistem struktur. Aplikasi utama kayu lainnya,
terutama kayu lunak yang memiliki kandungan lignin dan siklus pertumbuhan yang cepat adalah
produksi pulp untuk pembuatan kertas, walaupun menggunakan kayu untuk membuat kertas
dikembangkan hanya sekitar tahun 1840. Kertas terbuat dari pulp tanaman yang terutama terdiri
dari selulosa dan lignin dalam bubur kertas sampai sekitar 200 SM di China dan dianggap
sebagai salah satu dari empat penemuan besar China: kompas, bubuk mesiu, pembuatan kertas,
dan pencetakan woodblock yang pertama kali digunakan pada kain (tekstil) sebelum penemuan
kertas. Kertas asli China menggunakan murbei, limbah rami, dan serat buncis lainnya dalam
bubur kertas yang dikeringkan air untuk membuat tikar serat selulosa dan serat lignin yang
dikencangkan dan dikeringkan ke dalam lembaran kertas. Bahkan saat ini, kertas berkualitas
tinggi terbuat dari bubur kapas dan tekstil lainnya, termasuk rami dan rami. Papirus, prekursor
kertas Mesir, juga menggunakan umpan silang dari potongan tipis yang dipotong dari batang
tanaman papirus yang dilunakkan dalam air, ditumbuk rata, dan dikeringkan di bawah sinar
matahari.
Gambar 15 Array konseptual dari laminasi kayu dan struktur silang
505
Bubur kayu adalah bahan kering dan berserat yang dibuat secara mekanis atau kimiawi yang
memisahkan serat yang menyusun kayu. Suspensi pulp ini di air dapat diletakkan di atas sebuah
layar untuk membentuk selembar kertas. Bubuk kayu mengandung komposisi serat kayu dari
selulosa, hemiselulosa, dan lignin (Tabel 1), dan pulping memecah struktur bulk menjadi serat
penyusunnya sambil menurunkan lignin dan hemiselulosa menjadi molekul kecil yang dapat
larut dalam air yang dapat dicuci dari selulosa tanpa depolimerisasi itu. Saat lignin dilepas,
produk kertas menjadi lebih lembut. Akibatnya, pengurangan lignin telah dicapai dengan
penyambungan gen dari jaringan pohon, sebuah teknik yang juga digunakan dalam arti
sebaliknya untuk memperkuat tanaman seperti jelai untuk produksi bir di daerah di mana angin
dan hujan menurunkan tangkai yang kurang kaku yang kemudian tidak dapat dipanen.
Karena kertas adalah serat selulosa yang terutama interlamasi, maka dapat memiliki
kekuatan untuk sebagian besar kertas komersial berkisar antara 0,03 sampai maksimum 0,1 GPa
untuk kertas dengan kekuatan tinggi dengan modulus elastis yang sesuai mulai dari ~2 sampai 4
GPa. Namun, pengolahan pulp untuk mengekstrak mikrofiber selulosa nanokristalin yang lebih
kecil telah memungkinkan kertas diproduksi dengan kekuatan ~0,2 GPa, dua kali kekuatan
tertinggi dari setiap kertas komersial (Berlund 2005; Henriksson et al., 2008).
Gambar 16 Komposit serat polimer selulosa elektrosetik: polymethyl methacrylate (PMMA)
dengan 17 volume persen nanokristal selulosa
506
Upaya terbaru oleh Dinas Kehutanan AS untuk memproduksi nanocrystatin selulosa dari
produk sampingan kayu seperti serpihan kayu dan pulp serbuk gergaji telah mencapai hasil 30%
nanocrystals selulosa. Ini telah ditambahkan ke polimer seperti polimetil metakrilat (PMMA)
(sampai 17% berat) untuk menghasilkan serat electrospun yang diilustrasikan pada Gambar 16.
Serat komposit ini memiliki kekuatan hampir 100 kali lebih besar dari serat PMMA (3,6 GPa
berbeda dengan ~0,05 GPa untuk PMMA) dan modulus Young mirip dengan serat Kevlar ( ~131
GPa).
Tentu saja ada berbagai serat selulosa lainnya dari bahan tanaman yang telah digunakan
untuk produksi tekstil selama ribuan tahun. Kapas, serat seluler yang memiliki struktur filamen
dasar yang mirip dengan butiran kayu yang diilustrasikan pada Gambar 9a, memiliki lapisan
beberapa lapisan. Inti filamen sentral disebut sebagai lumen dan mengandung inti sel. Lengan
kutikula melapisi serat kapas yang menyerupai pita tipis seperti yang diilustrasikan pada Gambar
17a. Serat batang atau serat lenan memiliki struktur yang sama namun juga mengandung
beberapa hemiselulosa dan lignin, yang meningkatkan serat tanaman lainnya seperti yang
diilustrasikan pada Tabel 3, yang juga membandingkan modulus elastisitas serat tanaman dan
kekuatan luluh. Gambar 17b menunjukkan serat linen sementara Gambar 17c mengilustrasikan
struktur mikrofibril untuk kapas.
Tekstil berbahan katun dan linen sampai lebih dari 10 milenia S.M. di Mesir dan bukti
kapas di Meksiko dan daerah lain di Amerika Selatan mencapai 7 milenium S.M. Gambar 17b
menggambarkan beberapa serat linen historis.
Perlu dicatat bahwa serat alami seperti yang digambarkan untuk selulosa pada Gambar 10
terdiri dari fibril elementer yang membentuk mikrofibril ~ berdiameter 10 sampai 25 nm.
Mikrofibril kayu biasanya rata ~ 10 nm. Seperti yang tersirat pada Gambar 10, mikrofibril
dihubungkan silang atau dibentuk menjadi microfiber yang memiliki diameter mulai dari 0,1
sampai 1 pm. Bungkusan ini menjadi serat dengan diameter yang dapat berkisar dari ~ 5 sampai
507
Tabel 3 Komposisi serat tanaman dan sifat mekanik
Gambar 17 Serat tanaman. (a) Kapas. (b) Serat Linen yang menyusun Kain Kafan Turin
(Courtesy of Rachel Freer, Arizona State Museum). (c) Struktur microfiber kapas yang
menunjukkan beberapa lapisan pembungkus serat selulosa. Struktur mikrofibril Linen serupa
kecuali untuk beberapa penyerapan hemiselulosa dan lignin (Tabel 2). Pembesaran (b) sama
seperti ditunjukkan pada (a)
508
Gambar 18 Plot modulus Young versus densitas untuk berbagai material dan sistem komposit
Gambar 18 memberikan ringkasan komparatif untuk selulosa dan modulus komposit
terkait beserta komposit umum, logam, keramik, dan bahan polimer. Robert Moon dan rekannya
(2011) telah menulis ulasan tentang Nanomaterials selulosa yang juga merangkum isu-isu ini.
Acuan
Adler E (1977) Lignin chemistry past, present and future. Wood Sci Technol 11:69 218
Berlund LA (2005) Cellulose-based nanocomposites. In: Mohanty AK, Missa M, Dizal LT (eds)
Natural fibers, biopolymers and their biocomposites. CRC Press, Boca Raton
Bodig J, Jayne BA (1982) Mechanics of wood and wood composites. Van Nostrand Reinhold,
New York
Brunow G, Kilpelainen I, Sipila J, Syrjanen K, Karhunen P, Setala H, Rummakko P (1998)
Oxidative coupling of phenols and the biosynthesis of lignin. In: Lewis NG, Sarkaner S
(eds) Lignin and lignan biosynthesis, ACS symposium series 697. American Chemical Society,
Washington, DC, pp 131 147
odulus of Pinus Radiata. Wood Sci Technol 3:40 48
509
Chakraburty A, Sain M, Korstschot M (2006) Cellulose microfibers as reinforcing agents for
structural materials. In: Oksmon K et al (eds) Cellulose monocomposites, ACS symposium
series. American Chemical Society, Washington, DC, pp 169 186
Currey JD (1964) Three analogies to explain the mechanical properties of bone. Biorheology
2:1 10
Erb RM, Libanori R, Rothtuchs N, Studart RA (2012) Composite reinforced in 3D using low
magnetic fields. Science 335:199 204
Ferguson VL, Boyde A, Bushby AJ (2005) Elastic modulus of dental enamel: effect of prism
orientation and mineral content. MRS symposium proceedings 844:3 8
Fratz P (ed) (2008) Collagen: structure & mechanics. Springer, New York
Gibson LJ (2012) The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J Roy Soc
Interface 9:2749 2760
Gibson LJ, Ashby MF (1982) The mechanics of three-dimensional cellular materials. Proc Roy
Soc London A Math Phys Sci 383:43 59
Gibson LJ, Ashby MF, Harley BA (2010) Cellular materials in nature and medicine. Cambridge
University Press, Cambridge
Glimcher M (2006) Bone. Nature of the calcium phosphate crystals and cellular, structural, and
physical chemical mechanisms in their formation. In: Schoonen SH (ed) Medical mineralogy and
geochemistry. Reu Mineral Geochem 64:223 282
Henriksson M, Berglund LA, Isaksson P, Lindstrom T, Nishino T (2008) Cellulose nanopaper
structure of high toughness. Biomacromolecules 9:1579 1585
Kirkham J, Brookes SJ, Shore RC, Bonass WA, Smith DA, Wallwork ML, Robinson C (1998)
Atomic force microscopy studies of crystal surface topology during enamel development.
Connect Tissue Res 38:91 100
Lowernstam HA, Weiner S (1989) On biomineralization. Oxford University Press, New York
Mack RW (1964) Internal publication. University of California, San Francisco. In reference
[225]
McKee MD, Addison WH, Kaartinen MT (2005) Hierarchies of extracellular matrix and mineral
organization in bone of the craniofacial complex and skeleton. Cells Tissues Organs 181:176
188
510
Moon RJ, Martini A, Maira J, Simonsen J, Youngblood J (2011) Cellulose nanomaterials
review: structure, properties and nanocomposites. Chem Soc Rev 40:3941 3994
Murr LE, Ramirez DA (2012) The microstructure of the cultured freshwater pearl. JOM 64
(4):468 474
Piekarski K (1973) Analysis of bone as a composite material. Int J Eng Sci 11:557 565
Povolo F, Hermida EB (2000) Measurement of the elastic modulus of dentin pieces. J Alloys
Compound 310:392 395
Sjo¨stro¨m E (1993) Wood chemistry. Fundamentals and applications, 2nd edn. Academic, San
Diego, p 293
Staines M, Robinson WH, Hood JAA (1981) Spherical induction of tooth enamel. J Mater Sci 16
(9):2551 2556
511
Contoh Struktur Komposit buatan manusia
Isi
Pengantar ................................................................................................................................... 511
Alat Olah Raga Komposit ............................................................................................. 513
Turbin Angin dan Struktur Komposit Pesawat Terbang ............................................... 516
Komposit Struktural di Mobil ....................................................................................... 518
Acuan ........................................................................................526
Abstrak
Beberapa contoh komposit buatan manusia disajikan dalam bab ini, barang olahraga, bilah turbin
angin, struktur pesawat terbang, struktur mobil, dan konstruksi rumah, yang dapat memberi
contoh berbagai struktur komposit dalam kehidupan sehari-hari.
Pengantar
Ada hampir sebanyak komposit buatan manusia atau sistem komposit dan struktur yang
digunakan dalam konstruksi dan manufaktur karena ada di alam tumbuhan dan hewan dunia.
Salah satu bahan pokok konstruksi ini tentu saja kayu dan laminasi kayu dari berbagai jenis, serta
penggunaan serat alami anyaman termasuk kapas, sutra, linen, rami, dan bahkan serat selulosa
selulosa atau komposit seperti yang diilustrasikan pada Gambar 16 di bab "Contoh Komposit
Alam dan Struktur Komposit."
Di antara serat buatan dan serat yang lebih terkenal adalah serat karbon yang diawetkan
dan aramid atau Kevlar (poli-p-fenilen-tereftalat). Fibril primer Kevlar terdiri dari ikatan silang-
ikatan hidrogen (Gambar 1a) yang serupa dengan selulosa (Gambar 11a dari bab "Contoh
Komposit Alam dan Struktur Komposit"). Bentuk serat multifilamen seperti yang ditunjukkan
oleh panah pada Gambar 1b. Serat karbon atau grafit yang kuat memiliki modulus Young
mendekati 450 GPa, setengah modulus nanotube karbon multiwall (Kashyap dan Patil 2008),
sedangkan serat Kevlar dapat bervariasi dari ~ 90 sampai 200 GPa, dengan kekuatan 3,6 GPa.
Sebagai kain tenun standar, Kevlar terkenal dengan aplikasi body armor dimana rompi antipeluru
dapat berisi 20 sampai 60 lapis tenunan Kevlar yang diilustrasikan pada Gambar 1. Dalam
banyak aplikasi komposit dari desain yang lebih kaku, seperti helm, lapisan ini (Gambar 1b dan
d) diimpregnasi dengan matriks yang sesuai seperti epoksi dan direkatkan. Kain tenunan serat
512
yang diresapi disebut sebagai prepregs dan dibuat sedemikian rupa sehingga matriks epoksi tidak
sepenuhnya disembuhkan, seringkali dengan menyimpan di lingkungan yang dingin. Prepregs ini
lebih fleksibel dan dapat dicetak atau dibungkus dengan menggunakan epoksi atau pengikat
tambahan untuk membuat komposit monolitik dengan lapisan kain tenunan yang terikat dalam
matriks polimer kontinyu. Kain tenun atau pola seperti yang diilustrasikan idealnya pada Gambar
2 (bab "Klasifikasi Bahan dan Struktur Komposit") dapat diatur untuk membentuk struktur
laminasi yang efektif untuk mengoptimalkan kinerja mekanis dibandingkan dengan tekanan atau
strain yang dipaksakan, dampak, kelelahan, atau yang terkait. keadaan mekanis. Ini dapat dilipat
pada inti yang terbentuk atau dalam struktur komposit yang kompleks termasuk lapisan busa atau
sandwich sarang lebah (Gambar 14 di bab "Klasifikasi Bahan dan Struktur Komposit"), termasuk
laminasi kayu atau veneer.
Gambar 1 Kain Kevlar. (a) Struktur molekul Kevlar. Komponen tebal dari molekul mewakili
struktur monomer. Garis putus-putus adalah ikatan hidrogen. (b) 21-90 menenun lapisan kain
yang membentuk rompi antipeluru ringan. Panah menunjukkan untai fibril yang menyusun
serat multi-stand. (c) dan (d) menunjukkan tampilan tenunan yang meluas
513
Alat Olah Raga Komposit
Beberapa barang olahraga yang paling umum - kelelawar bisbol, rackets, ski, kano, kapal, dll -
pada awalnya terbuat dari kayu, dan banyak barang terus dibuat dari kayu atau laminasi kayu.
Kelelawar baseball secara tradisional dibuat sebagai kayu padat yang diorientasikan di sepanjang
butiran kayu dan masih digunakan dalam bola basket profesional (Major League) di Amerika
Serikat. Sambil memiliki berat dan kekuatan yang dibutuhkan (kekakuan), kelelawar kayu bisa
pecah, dan variasi kelembaban bisa mengubah sifat optimal kelelawar. Baru-baru ini, kelelawar
aluminium ekstrusi telah dibuat dan digunakan secara luas untuk permainan bisbol dan bola
basket, namun tidak dalam permainan profesional. Dalam dekade terakhir, ada banyak
konfigurasi batuan baseball komposit termasuk karbon / epoksi atau Kevlar / epoksi atau
uniaksial yang membungkus inti aluminium yang diekstrusi dan dengan lapisan kayu, serta
pembungkus komposit atau pembungkus komposit serupa di sekitar inti kayu meruncing yang
diilustrasikan secara konseptual. pada Gambar 2a.
Raket menangani dan bingkai untuk tenis dan bulutangkis menyajikan kesempatan
komposit yang serupa, dan raket tenis modern (Gambar 2c) secara populer dibuat dari komposit
serat karbon / epoksi dan komposit yang terkait seperti pada bingkai logam ringan seperti
titanium dan paduan titanium. Struktur serupa digunakan dalam fabrikasi poros golf club. Racket
frame dan golf club shaft juga dibuat dari komposit nanotube karbon multiwall (Khare dan Bose
2005; Ci et al., 2008). String raket tenis dan bulutangkis, seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 2c, sering merupakan serat nilon atau poliamida.
Gambar 2b mengilustrasikan bagian sepeda yang menggambarkan penggunaan komposit
serat karbon / komposit epoksi untuk mencip takan struktur ringan yang kuat, terbuka, dan ringan.
Bahkan roda dan kisi untuk sepeda dibuat dari komposit karbon, terutama komposit serat karbon
berkekuatan tinggi. Gambar 2 mengilustrasikan beberapa strategi perancangan dan fabrikasi
yang agak mirip dan khas yang menggunakan komposit tenun searah atau laminasi dan tenunan
yang berorientasi (Gambar 2 dari bab "Klasifikasi Bahan dan Struktur Komposit"), sering
disebut sebagai searah searah (lamina) atau kuasi-isotropik layup laminasi
Unidirectional hybrid, glass / carbon epoxy composites juga digunakan dalam pembuatan
pancing. Struktur komposit serupa digunakan dalam fabrikasi sistem lentur lain yang serupa.
Gambar 3 mengilustrasikan penggabungan komposit laminasi atau multi-laminasi dengan
sandwich busa atau desain sarang lebah untuk ski salju, ski air, dan papan salju. Dalam struktur
514
ini, ringan, kekuatan tinggi dan kekakuan, fleksibilitas, dan kekuatan ketegangan, terutama pada
ski berperforma tinggi, memerlukan konstruksi komposit baru yang sering menggabungkan kayu
atau laminasi kayu juga (Froes and Haake 2001; Jenkins 2003). Seperti yang digambarkan pada
Gambar 3a, snow snowboard modern dan papan fabrikasi dicirikan oleh lembaran atas, inti, dan
alas, dengan tepi logam (baja). Bahan dasar seringkali merupakan polietilena dengan berat
molekul tinggi yang bisa dilapisi dengan lapisan lilin di bagian bawah (atau yang terbuka). Tepi
terbuat dari baja atau stainless steel. Inti ski sering dilaminasi kayu keras seperti birch, aspen,
ash, beech, dll, umumnya dengan kayu yang berbeda dilaminasi bersama. Beberapa ski telah
memasukkan titanium, sementara busa poliuretan terjepit di antara karbon pada serat Kevlar
laminasi dengan lapisan perekat, atau aluminium atau laminate honeycomb dengan sandwich
atau menghadap lembaran (kulit) karbon atau kain Kevlar di epoksi, dengan lapisan perekat
antara sarang lebah dan lembar menghadap. Sering ada laminasi di atas dan di bawah struktur
inti dan garis redaman karet di antara lapisan komposit serta konfigurasi sisi luar pada kedua sisi
inti untuk konstruksi ski. Pada fabrikasi snowboard, intinya lebih besar (lebih tebal) dan
mengasumsikan pertimbangan desain yang lebih menonjol. Busa kurang menonjol pada inti
snowboard, dan batang serat karbon sering ditambahkan. Kayu laminasi juga terus digunakan,
dan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3b, konstruksi kayu di papan selancar menggunakan
inti sarang lebah terus menjadi populer karena memberikan kontribusi terhadap bobot ringan dan
kinerja mekanik yang diperlukan.
Gambar 2 Komposit olahraga dan konsep komposit. (a) Bola baseball menunjukkan overlay
cross-ply dari serat terarah dalam matriks seperti epoksi pada inti aluminium atau kayu. (b)
Ringan, struktur terbuka serat karbon dan konstruksi batang untuk rangka sepeda. (c) Raket
tenis yang dibuat dari komposit serat karbon / epoksi
515
Rejim Fiberglass / epoxy (laminasi) di atas dan di bawah inti laminasi, terutama inti kayu
keras, di papan salju juga merupakan strategi fabrikasi komposit yang populer karena harganya
lebih rendah berbeda dengan komposit serat karbon. Lapisan fiberglass ini juga menambahkan
kekakuan yang meningkat pada desain menenun atau membungkus snowboard (dengan serat
yang dijalin bersama pada 90) dan pembungkus triaksial di mana untaian fiberglass ditenun pada
+45, 0, dan -45, yang memberikan peningkatan kekakuan torsi.
Gambar 4 Turbin angin dengan panjang pisau 75 m
Gambar 3 Struktur komposit ski dan snowboard (a) dan kayu / aluminium atau struktur
papan selancar sarang lebah yang ringan dan bertenaga tinggi lainnya (b). Dalam (a), struktur
inti sarang lebah dasar terdiri dari heksagonal, sarang lebah bertekanan tinggi yang terjepit di
antara lapisan perekat dan lembaran atau kulit yang menghadapinya. Beberapa lapisan
komposit laminasi dapat dimasukkan di atas dan di bawah rezim inti
516
Strategi fabrikasi komposit tersirat dalam pembuatan barang olah raga seperti yang
diilustrasikan pada Gambar. 2 dan 3 juga digunakan di arena produksi skala besar seperti
pesawat terbang dan pembuatan kedirgantaraan lainnya. Desain dan pembuatan pisau turbin juga
menggabungkan komposit dan teknologi laminasi komposit.
Turbin Angin dan Struktur Komposit Pesawat Terbang
Bilah turbin angin menggambarkan integrasi banyak sistem komposit dalam pembuatan struktur
komposit berskala lebih besar. Baut turbin angin standar 1.5MW (megawatt) berukuran 35-40 m
dan berat 6-7 t. Pada tahun 2012, pisau terbesar di dunia yang diproduksi oleh Siemens Energy di
Hamburg, Jerman, untuk turbin angin lepas pantai 6 MW berukuran panjang 75 m dan
diilustrasikan pada Gambar 4. Gambar 5 menunjukkan tampilan cutaway skematis dari
komponen turbin angin yang lengkap.
Konstruksi sudu turbin angin khas terdiri dari kulit luar yang didukung oleh tiang utama.
Konstruksi kulit bagian luar terutama terdiri dari laminasi atau kerak sandwich yang sering
berupa busa atau sarang lebah dengan perekat film yang mengikat laminasi komposit dengan
kekuatan tinggi yang menghadap ke sisi sandwich. Kulit blade sering menggunakan kaca (atau
fiber glass) / epoxy (e-glass) sedangkan blade konstruksi yang lebih panjang. Gambar 4
menggunakan serat karbon / epoxy laminasi berkekuatan tinggi. Seperti ditunjukkan pada
Gambar 6, manufaktur pisau turbin melibatkan empat komponen utama: bagian akar, tiang atau
tiang spar struktural, fairing atau shell aerodinamis, dan permukaan yang terdiri dari primer
cetakan diikuti dengan operasi pengecatan berikutnya. Kerang pisau biasanya mengandung serat
e-kaca triaksial dan biaksial / laminasi epoxy menggunakan prepregs atau strategi manufaktur
serupa. Struktur tiang atau bantalan utama menggunakan konstruksi serat searah dari serat kaca
atau karbon, dengan bagian laminasi setebal 5 cm ke bagian akar.
Bagian akar dari bilah turbin angin menggunakan sisipan logam yang terikat ke dalam
komposit menggunakan resin perekat atau infus dimana ketebalan kompositnya harus tebalnya 5-
10 cm tergantung pada desain akar. Bagian akar memperbaiki pisau ke rotor (Gambar 5) dan
memindahkan muatan dari struktur komposit ke poros penggerak hub dan poros utama. Desain
blade harus mengoptimalkan bobot rendah dan inersia rotasi, kekakuan, dan ketahanan terhadap
517
kelelahan dan keausan selama masa kerja kurang lebih 20 tahun. Kenakan fitur termasuk
degradasi UV, hujan, hujan es, dan garam aerosol di unit lepas pantai.
Struktur sarang lebah komposit telah digunakan di berbagai produk dan komponen
kedirgantaraan termasuk bilah dan komponen helikopter, masuk kembali kulit kendaraan dan
strukturnya, serta berbagai struktur komponen pesawat yang menggunakan berbagai kain serat
berkekuatan tinggi dan kain atau prepreg laminasi, terutama yang tinggi. -rentang karbon (grafit)
/ komposit epoksi. Penggunaan komposit pesawat tempur khas telah meningkat selama dua
dekade terakhir bersamaan dengan struktur komposit pesawat komersial yang saat ini melebihi
50% dari total bahan untuk konstruksi, terutama badan pesawat. Gambar 7 mengilustrasikan
kisaran material komposit dalam struktur utama pesawat komersial Boeing 757-200. Struktur
Gambar 5 Komponen turbin angin yang menunjukkan komponen
518
komposit yang menggunakan susunan serat karbon sangat menarik karena mengurangi berat
secara signifikan dan meningkatkan kekuatan yang berbeda dengan paduan aluminium dan
titanium atau titanium seperti Ti-6Al-4V.
Komposit Struktural di Mobil
Kekhawatiran akan bahan ringan di mobil merupakan masalah di awal pembuatan, dan
aluminium dan magnesium digunakan pada manufaktur mobil sejak 1936. Baik Ford
Thunderbird dan Chevrolet Corvette menggunakan komposit polimer bertulang serat kaca
(epoksi) pada tahun 1950an, dan Mobil jalan struktural pertama adalah Lotus Elite pada tahun
1957. Namun, selama periode ini, mobil sport Marcus menggunakan kayu lapis untuk sasis
Gambar 6 Skema sudu turbin angin (a) dan bilah hasil produksi yang menunjukkan bagian
akar (b)
519
Formula 2 yang kontras dengan kebanyakan mobil balap lainnya pada periode ini yang
menggunakan rangka baja berbentuk tabung untuk struktur utama.
Komposit serat karbon / epoksi dan panel sarang lebah digunakan di industri otomotif
pada awal tahun 1980an dan menjadi pilihan utama untuk mobil balap pada pertengahan 1980an.
Sejak tahun 1990an, industri otomotif telah meningkatkan penggunaan komposit serat
yang diperkuat, terutama struktur karbon / epoksi, walaupun biaya telah menjadi perhatian yang
terus berlanjut saat mempertimbangkan baik serat karbon dan matriks epoksi atau prepreg. Baru-
baru ini, mobil high-end seperti Lamborghini telah memasukkan komposit diperkuat serat karbon
berkekuatan tinggi ke seluruh kendaraan, termasuk anggota kerangka struktural, panel bodi,
komponen eksterior, dan sejenisnya seperti yang diilustrasikan pada Gambar 8a.
Mayoritas serat dalam komposit seperti serat karbon digunakan dalam format tekstil
tenunan yang diilustrasikan secara konseptual pada Gambar 1c dan d untuk Kevlar. Tekstil
Thesewoven juga mencakup tekstil serat kaca, aramid (Kevlar), dan bahkan serat alami dalam
beberapa kasus. Polimer matriks berbiaya rendah juga digunakan dalam beberapa aplikasi, dan
Gambar 7 Port komposit dalam struktur utama pesawat Boeing 757-200 (Sumber: Boeing
Commercial Airplane Co)
520
bahkan kertas daur ulang telah digunakan dalam konstruksi inti sarang lebah untuk beberapa
panel otomotif. Struktur utama pada banyak mobil komersial (Gambar 8b) terus menggunakan
baja, termasuk rangka dan sasis, namun hibrida dan mobil listrik yang lebih kecil menggunakan
komposit serat karbon pada komponen struktural seperti yang diilustrasikan pada Gambar 8c.
Sementara serat karbon unidirectional menyusun beberapa panel struktural, aplikasi yang lebih
baru menggunakan benang datar yang ditenun dalam struktur seperti pita dan dengan apa yang
disebut lima harness atau arsitektur tenunan serupa seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2e
bab "Klasifikasi Bahan dan Struktur Komposit." digunakan dalam wraps dan layups untuk panel
dan struktur eksterior seperti panel atap dan pintu (Gambar 8c).
Salah satu item komposit yang paling umum pada mobil dan kendaraan lainnya
melibatkan ban. Ban terdiri dari karet divulkanisasi yang dicampur dengan sekitar 30% (berat)
nanopartikel karbon hitam yang menyerupai gambar TEM resolusi tinggi yang ditunjukkan pada
Gambar 20 di bab "Pasukan Kimia: Nanopartikel" dan partikel jelaga yang ditunjukkan pada
Gambar 22. Karbon hitam memperkuat karet, dan seperti ban yang dipakai, dilepaskan ke
lingkungan pada dasarnya bentuk yang sama seperti pada awalnya dicampur dengan karet.
Pembangunan ban juga memanfaatkan serat nilon atau serat tenun Kevlar dan yang disebut
sabuk, yang juga merupakan laminasi baja atau baja-karet dalam banyak kasus atau lapisan serat
lamina. Gambar 9 mengilustrasikan konstruksi komposit ban skematik umum bersama dengan
struktur molekul untuk karet alam (Gambar 9b), karet tereduksi sulfur (Gambar 9c), dan nilon
(Gambar 9d). Dalam vulkanisasi, sulfur menghubungkan silang molekul karet membentuk
polimer yang lebih stabil dan tahan panas. Karet stirena-butadiena, yang digunakan untuk
kebanyakan mobil penumpang, juga divulkanisir seperti ditunjukkan pada Gambar 9c. Manik-
manik (Gambar 9a) atau pita kabel adalah baja berkekuatan tinggi kuningan (Cu-Zn) yang
dilapisi senyawa karet untuk memberi kekuatan agar sesuai dengan ban ke roda.
521
Gambar 8 Komposit dalam struktur otomotif. (a) komposit karbon Lamborghini 2010. (b)
Struktur bingkai otomotif. (1) Bingkai komposit searah dan multi-lapis. (2) laminasi atap. (3)
Underfloor laminasi dan sarang lebah. (c) Penggunaan serat karbon mobil komposit. (1)
Dalam rangka kendaraan, (2) tandu underfloor, (3) bumper belakang, (4) konstruksi atap, dan
(5) bonnet (courtesy of Groz-Beckert)
522
Bentuk polimer menyerap energi dan struktur sarang lebah yang dilaminasi juga banyak
digunakan di industri otomotif untuk mencegah cedera tabrakan di depan atau samping. Struktur
ini menyerap energi kinetik dengan mengompres atau membelokkan pada tegangan yang relatif
konstan selama periode yang didefinisikan sebagai dataran tinggi kecelakaan seperti yang
digambarkan pada diagram tegangan-tegangan busa ideal yang ditunjukkan pada Gambar 10.
Dataran tinggi ini dapat berlanjut hingga kira-kira 50-20% regangan, dan energi yang diserap
dapat diwakili oleh daerah di bawah dataran tinggi penghancur:
(1)
Gambar 9 Konstruksi ban komposit. (a) Konstruksi ban / komponen skematis. (b) Karet
alam. (c) Karet vulkanisir (cross-linked). (d) Struktur nilon
523
Seperti ditunjukkan pada Gambar 10, ketika beban benturan diterapkan pada struktur
busa, ia akan menghasilkan elastis sampai strain ~ 5%, dan setelah regangan ini, ia akan mulai
gesper dan ambruk terus menerus pada regangan, penyerapan yang relatif konstan. energi
dampak Titik pada diagram tegangan-regangan pada Gambar 10 dimana deformasi plastis
(2)
adalah densitas padat. Koefisien 0,58 di Pers. 2 didasarkan pada evaluasi berbagai bahan busa,
baik polimer dan logam, dan sebagian besar berlaku untuk busa sel tertutup yang diilustrasikan
idealnya pada Gambar 14b bab "Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit."
Kekuatan penghancur (pcr) untuk heksagon heksagon heksagon (hembusan) aksial telah
diungkapkan oleh Al Ghamdi (2001) sebagai
(3)
Gambar 10 Diagram tegangan-busa tipikal (ideal). Energi yang diserap dapat mencakup
energi tersimpan elastis yang relatif kecil dibandingkan dengan dataran tinggi penghancur.
Lekukan sebenarnya biasanya sangat tidak teratur karena tidak teraturnya peremukan
524
-
bahan sarang lebah padat, t adalah ketebalan sel sarang lebah, dan C adalah lebar minimum
sarang lebah (lebar sisi). Sejalan dengan itu, rasio ketebalan-ke-lebar minimum yang dibutuhkan
untuk mencegah keruntuhan tekuk elastis saat pemuatan aksial kolom persegi dinding tipis telah
diberikan oleh Zuidema (2012) sebagai
(4)
persamaan ini umumnya dapat diterapkan pada sarang lebah heksagonal. Hal ini dapat diamati
dalam Pers. 4 bahwa modulus Young (elastis) adalah fitur utama penyerapan energi sarang
lebah, dan inti yang dikonstruksi dari bahan kekakuan tinggi seperti karbon dan terutama
komposit serat karbon uniaksial dapat memperbaiki keselamatan kecelakaan secara signifikan.
Gambar 11 Struktur dinding eksterior umum untuk rumah berbingkai kayu yang merupakan
struktur multi-laminasi dan multi-komposit. Plester eksterior (S) yang terdiri dari semen
Portland, pasir, dan serat polimer acak pendek ditempatkan pada struktur mesh logam
heksagonal (baja) yang melapisi penghalang air pitch (P) yang berbasis biasanya berupa
fiberglass, pitch diresapi tikar
525
Susunan komposit dan sandwich yang menyerap energi untuk penyerapan energi juga
digunakan dalam lambung kapal dan pesawat terbang (Gambar 7). Komposit komposit multi-
laminasi dan multilayer juga digunakan dalam armor curah, juga menggunakan sandwich busa
serta laminasi tebal dari logam / keramik atau keramik / logam multilayer untuk menciptakan
pengeditan lintasan proyektil dan gangguan momentum. Rompi anti peluru juga menggunakan
pelat keramik luar yang tebal, seperti alumina (Al2O3) atau TiB2, untuk menciptakan pengalihan
lintasan dan gangguan momentum sebelum proyektil berenergi tinggi menabrak kain Kevlar
berlapis-lapis.
Sementara serat karbon, terutama serat karbon berkekuatan tinggi, menemukan
penggunaan yang meningkat dan mengganti banyak logam dan paduan dengan kekuatan tinggi,
penggunaan nanotube karbon juga meningkat selama dekade terakhir dan akan menjadi serat
komposit yang signifikan saat dapat dipintal. menjadi benang berguna atau sistem serat tekstil.
Selain komposit nanotube karbon, nanocomposites dalam arti yang lebih umum menimbulkan
beberapa prospek yang menarik, terutama karena perilaku Nanomaterials seringkali jauh berbeda
dari bahan curah. Kami sebenarnya akan membahas masalah ini lebih spesifik untuk
Nanomaterials di bab selanjutnya.
Sementara komposit struktural dalam mobil telah diperiksa (Gambar 8 dan 9), mobil
adalah sistem komposit yang lebih kompleks yang mengandung logam dan paduan, keramik,
bahan elektronik dan magnetik, dan sejumlah polimer selain matriks komposit struktural. Selain
itu, pengobatan komposit alami termasuk tulang dan gigi, tapi seperti mobil, manusia dan
organisme hidup lainnya adalah sistem komposit yang jauh lebih kompleks (Gambar 11).
Diskusi tambahan bahan alami, hayati hidup, dan materi terkait akan berlanjut di bagian
VIII dan IX. Yang menarik adalah meniru bahan biologis dan sistem bahan biologis dalam
konteks biomimetika.
526
Acuan
Alghambi AAA (2001) Collapsible impact energy absorbers: an overview. Thin-walled
Struct39:189 213
Ci L, Suhr J, Pushparaj V, Zhang X, Ajayan PM (2008) Continuous carbon nanotube reinforced
composites. Nano Left 8(9):2762 2766 Froes FH, Haake SJ (eds) (2001) Materials and science
in sports. TMS, Warrendale Jenkins M (ed) (2003) Materials in sports. Woodhead Publications,
New York
multi-walled carbon nanotubes. Bull
Mater Sci 31(2):185 187
Khare R, Bose S (2005) Carbon nanotube based composites a review. J Miner Mater Charact
Eng 4(1):31 46
Zuidema BK (2012) Bridging the design-manufacturing-materials data gap: material properties
for optimum design and manufacturing performance in light vehicle steel-intensive body
structures. JOM 64(9):1039 1047
�
����
�
BAB VIII
Bahan Biologis (Biological Material)
�
����
�
Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri (Structure and Function of
Viruses and Bacteria)
Isi
Pengenalan .................................................................................................................... 528
Virus : Struktur dan Fungsi ........................................................................................... 533
Bakteri : Struktur dan Fungsi ........................................................................................ 534
Referensi ....................................................................................................................... 542
Abstrak
Protein adalah blok bangunan bahan biologis, dan yang mendasar dari blok bangunan ini
adalah 20 asam amino. Evolusi RNA dan DNA juga penting untuk bahan hidup dan bentuk
kehidupan primer seperti virus dan bakteri. Bab ini dimulai dengan perspektif sejarah yang
melibatkan DNA. Struktur dan fungsi virus dan bakteri kemudian dijelaskan sehubungan
dengan RNA dan DNA. Peran katalitik bakteri diilustrasikan dalam contoh spesifik yang
melibatkan pencucian tembaga dari limbah tembaga porfiri.
�����������
Sementara protein merupakan blok bangunan dasar dari sebagian besar bahan biologis,
strukturnya adalah rantai polipeptida yang terdiri dari sekuen residu asam amino. Rantai ini
melintas, melipat, dan memutar untuk membentuk struktur skala panjang yang lebih besar.
Keanekaragaman fungsional yang ditunjukkan oleh biomolekul ini terkait dengan
kemungkinan penggabungan dari 20 unit asam amino monomer yang menyusunnya (Gambar
1). Setiap kodon asam deoksiribonukleat (DNA) mengkodekan atau menentukan satu asam
amino tunggal, dan masing-masing unit nukleotida terdiri dari gula fosfat, deoksiribosa, dan
satu dari empat basis nukleotida nitrogen: adenin (A), guanin (G), sitosin (C), dan timin (T).
Basa-basa ini dipasangkan bersama oleh ikatan hidrogen dalam rangkaian antiparalel yang
digabungkan untuk membentuk heliks ganda DNA.
© Springer International Publishing Switzerland 2015 L.E. Murr, Handbook of Materials
Structures, Properties, Processing and Performance,
DOI 10.1007/978-3-319-01815-7_27
�
�
����
�
�
Gambar 2 menunjukkan kartun grafis yang menggambarkan perkembangan heliks ganda
DNA sebagai konsekuensi dari beberapa fenomena struktural kimia utama. DNA "ular" yang
lebih besar berevolusi dari struktur benzena yang mengandung cincin atom karbon
beranggota enam dengan ikatan tunggal dan rangkap bergantian (dan juga hidrogen terikat
pada setiap karbon) yang pertama kali dijelaskan oleh Friedrich August Kekule pada tahun
1865. Dikatakan bahwa struktur ini sampai ke Kekule dalam mimpi.
Gbr 1 Asam amino standar (20). Kotak berbayang
mewakili rantai samping. Mereka disebut sebagai unit
asam amino netral nonpolar
�
����
�
.
Gambar 2 Kartun grafis yang ditarik oleh penulis sekitar tahun 1985 yang
mewakili heliks ganda DNA sebagai kepala ular yang berkembang dari mimpi ular
Kekule yang mengusulkan struktur cincin benzena yang membentuk dasar kimia
organik. Struktur penisilin yang ditemukan oleh Alexander Fleming pada tahun
1928 dan streptomisin oleh S. A. Waksman pada tahun 1943 dan dianugerahi
Hadiah Nobel dalam Fisiologi / Kedokteran pada tahun 1952 diwakili dalam
evolusi grafis DNA. Penisilin mengandung antibiotik, sedangkan streptomisin
adalah antibiotik pertama yang efektif melawan tuberkulosis.
�
���
�
mimpi ouroboros) dimana ular menggigit ekornya untuk menciptakan struktur cincin yang
tersirat dalam benzen. Kekule dikreditkan sebagai perumus utama teori struktur kimia sekitar
10 tahun sebelumnya. Teori ini mewujudkan gagasan tentang valensi atom dan terutama
kemampuan atom karbon untuk saling mengikat dan membentuk bidang kimia organik.
Sementara Kekule awalnya mengusulkan agar molekul benzena-nya berosilasi di
antara dua struktur ekuivalen sedemikian rupa sehingga ikatan tunggal dan rangkap antara
atom karbon terus berubah posisi, dasar teoritis yang lebih lengkap kemudian diusulkan oleh
Linus Pauling (sekitar tahun 1928) (Gambar 3) yang menggantikan konsep osilasi dengan
melibatkan resonansi antara struktur mekanika kuantum. Konsep resonansi molekul di antara
beberapa struktur ikatan valensi menjadi bagian penting dari karya monumental Pauling, The
Nature of the Chemical Bond, yang diterbitkan pada tahun 1939. Karya mani ini dikenali
dengan penghargaan Nobel Nobel tahun 1954. Pada awal tahun 1933, Pauling terlibat dalam
penelitian asam nukleat ketika dia menghipotesiskan tekanan pada industein, mengalami
aborsi. Pada tahun 1951Pauling, RobertCorey, dan Herman Branson mengusulkan lembaran
a-heliks dan� sebagai bentuk struktural utama dari struktur sekunder protein. Ini termasuk
heliks triple yang bagi Pauling memprovokasi hipotesis bahwa DNA adalah heliks triple
dengan kelompok dasar besar yang menghadap ke luar dan kelompok fosfat ditumpuk dalam
inti. Pada tahun 1953, Pauling dan rekan Robert Corey di Cal Tech menerbitkan "Struktur
yang diusulkan untuk asam nukleat" dalam Prosiding National Academy of Science (Pauling
and Corey 1953) di mana mereka menyatakan bahwa struktur yang diusulkan "menjanjikan”.
Struktur ini, triple helix, ternyata salah. Hanya 3 bulan setelah makalah ini diterbitkan,
Pauling mengunjungi Inggris pada bulan April 1953 dalam perjalanan menuju sebuah
konferensi untuk melihat model DNA heliks ganda James Watson dan Francis Crick yang
Gambar 3 Linus Pauling (1901-1994) adalah salah satu ahli kimia paling berpengaruh dalam
sejarah dan salah satu ilmuwan terpenting abad ke-20. Pauling adalah satu-satunya orang yang
mendapatkan dua hadiah Nobel yang tak terbagi. Dia menerima Hadiah Nobel dalam bidang
Kimia pada tahun 1954 dan Hadiah Nobel Perdamaian untuk tahun 1962 sebagai konsekuensi
dari kampanye panjangnya melawan pengujian senjata nuklir.
�
����
�
diwakili dalam "kepala" ular pada Gambar 2, yang ia mengakui adalah model yang benar.
Gambar 2 mengilustrasikan jarak 3,4 A ˚ sepanjang struktur molekul yang diusulkan oleh
Pauling dan diidentifikasi dalam data sinar-X W. T. Astbury yang juga didakwa dalam
struktur DNA yang benar (Gambar 2).
Perlu dicatat bahwa penemuan obat ajaib yang disebut, streptomisin, bagian dari grafik pada
Gambar 2, merupakan salah satu dari banyak perselisihan ilmiah yang hebat. Sementara
Selman Waksman dikreditkan dengan penemuannya dan menerima Hadiah Nobel yang
mengakui bahwa kredit tersebut, Albert Schatz, seorang mahasiswa pascasarjana di
laboratorium Waksman di Rutgers University, benar-benar membuat penemuan dalam
eksperimen yang dirancang untuk menemukan antibiotik melawan organisme Gram-negatif.
Waksman dengan sengaja mencoret Schatz yang setidaknya merupakan codiscoverer
streptomisin (Schatz et al., 1944).
Protein adalah polimer asam amino yang mengandung setidaknya 50 unit asam
amino atau residu seperti yang kadang-kadang disebut. Asam amino standar diilustrasikan
pada Gambar 1. Molekul yang memiliki berat molekul berkisar antara 103 sampai 106 Dalton
(D) disebut polipeptida, sedangkan yang memiliki berat molekul lebih rendah yang terdiri
dari kurang dari 50 unit asam amino disebut peptida. Akibatnya, setiap protein terdiri dari
satu atau lebih rantai polipeptida. Pada masing-masing protein, jenis dan jumlah asam amino
terkoordinasi secara kovalen dalam urutan linier (rantai) yang ditentukan oleh urutan dasar
DNA yang dihasilkan dalam RNA untuk protein spesifik tersebut. Ini adalah keunikan
sekuens asam amino dalam struktur protein yang membuatnya unik baik dalam struktur dan
fungsinya. Interaksi residu asam amino menyebabkan pelepasan molekul berikutnya ke
dalam struktur kompleks, 3D, dan biologis aktif, didikte oleh informasi inheren dalam
struktur asam amino (Gambar 1). Struktur molekul protein kompleks ini menciptakan hirarki
dalam mengembangkan sel, organ (atau organisme), dan evolusi sistem biologis yang, seperti
yang dibahas oleh Ackbarow dan Buehler (2011), menggambarkan "koeksistensi
universalitas dan keragaman melalui desain hirarkis - mengacu pada sebagai paradigma
keragaman universalitas sebagai ciri menyeluruh dalam struktur protein." Akibatnya, setiap
protein terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida. Pada masing-masing protein, jenis dan
jumlah asam amino terkoordinasi secara kovalen dalam urutan linier (rantai) yang ditentukan
oleh urutan dasar DNA yang dihasilkan dalam RNA untuk protein spesifik tersebut. Ini
adalah keunikan sekuens asam amino dalam struktur protein yang membuatnya unik baik
dalam struktur dan fungsinya. Interaksi residu asam amino menyebabkan pelepasan molekul
berikutnya ke dalam struktur kompleks, 3D, dan biologis aktif, didikte oleh informasi inheren
dalam struktur asam amino (Gambar 1). Struktur molekul protein kompleks ini menciptakan
hirarki dalam mengembangkan sel, organ (atau organisme), dan evolusi sistem biologis yang,
seperti yang dibahas oleh Ackbarow dan Buehler (2011), menggambarkan "koeksistensi
universalitas dan keragaman melalui desain hirarkis - mengacu pada sebagai paradigma
keragaman universalitas sebagai ciri menyeluruh dalam struktur protein. "
�
����
�
Virus : Struktur dan Fungsi
Sejak ditemukannya virus mosaik tembakau oleh Martinus Beijerinck pada tahun 1898, telah
ada lebih dari 5.000 virus yang dijelaskan secara terperinci dari jutaan jenis virus yang ada.
Virus terdiri dari untaian tunggal atau ganda dari RNA atau DNA yang dikelilingi oleh kulit
protein yang terdiri dari antigen (lipid) di permukaan.
Sementara virus memiliki beberapa karakteristik organisme hidup, Rybicki (1990) telah
menggambarkannya sebagai organisme di ujung kehidupan. Sebagian besar virus berukuran
seperseratus ukuran bakteri. Virus tidak bisa berfungsi tanpa sel inang. Di luar sel, virus
tersebut hanyalah sebuah RNA atau DNA nanopartikel yang dienkapsulasi yang disebut
virion yang mengandung setidaknya satu protein unik yang disintesis oleh gen spesifik dalam
asam nukleatnya. Organisme mirip virus yang hanya mengandung asam nukleat dan tidak
memiliki protein struktural disebut viroids, sementara partikel mirip virus lain yang disebut
prion terdiri terutama dari protein yang terintegrasi dengan molekul asam nukleat kecil. Pada
dasarnya ada dua bentuk virus: batang (atau jari manis) dan polyhedraosaosaosa. Bentuk
batang atau fibril disebabkan oleh susunan linier subunit asam dan nukleat nukleat yang
membentuk kerang protein atau kapsid yang membungkus asam nukleat. Gambar 4a
menggambarkan struktur ini untuk virus hewan yang mengelompokkan sel-sel hewan hidup.
Sebaliknya, Gambar 4b mengilustrasikan bakteriofag yang merupakan virus yang
mengelompokkan bakteri; Itu menginfeksi dan mereplikasi bakteri. Dalam hal ini, mereka
adalah agen antibakteri dan sebenarnya telah digunakan di Rusia dan sebagian Eropa sebagai
alternatif antibiotik (Keen 2012).
Gbr 4 Struktur virus. (a) virus hewan Icosahedral. (b) Bacteriophage
(Courtesy of Michael W. Davison, Universitas Negeri Florida)
�
���
�
Kelangsungan hidup virus mengharuskan mereka bereproduksi di dalam sel hidup.
Untuk mencapai hal ini, virus menempel pada permukaan sel inang pada reseptor spesifik
yang menggunakan protein di permukaannya. Virion kemudian memasuki sel dengan ditelan
oleh membran sel atau dengan menyatu ke dalam membran sel. Di dalam sel, virus tersebut
melepaskan cangkang proteinnya (Gambar 4a) dan memungkinkan bahan genetiknya
mengambil alih fungsi sel inang untuk menghasilkan jutaan partikel virus baru yang
menggunakan bahan seluler. Kerang protein untuk partikel virus baru diprogram dari salinan
bahan genetik. Begitu kerang virus baru terbentuk, partikel virus meninggalkan sel dengan
cara menembus selaput sel yang menghancurkan sel atau dengan perlahan keluar dari
permukaan membran sel.
Dalam kasus bakteriofag yang diilustrasikan pada Gambar 4b, mereka meniru di dalam
bakteri setelah injeksi genom mereka ke dalam sitoplasma. Seperti bakteri, dinding sel
tanaman lebih tebal dari dinding sel hewan dan lebih sulit dilanggar. Selfassembly virus
dalam sel inang memiliki implikasi untuk konsep umum perakitan molekul organik dari
perspektif bahan dasar karena virus dapat dianggap sebagai partikel nano organik. Dalam
pengertian ini, virus dapat digunakan sebagai perancah untuk modifikasi permukaan terkait
kovalen (Fischlechner dan Donath 2007).
Bakteri : Struktur dan Fungsi
Gbr 5 mengilustrasikan struktur bakteri umum dan fitur fungsional yang berbeda dengan
yang diilustrasikan pada Gambar 4 untuk virus. Dapat dicatat bahwa untai DNA menempati
rezim pusat dari kedua virus dan bakteri, meskipun skala panjang pada dasarnya dua perintah
berbeda besarnya. Tidak seperti virus yang diangkut secara bijaksana atau melalui migrasi
udara, sebagian besar bakteri mencapai motilitas (dalam lingkungan fluida) oleh flagella yang
secara khas adalah nanotor yang didukung oleh hidrogen atau proton terionisasi (H +) seperti
yang digambarkan secara skematis pada Gambar 5c. Pada beberapa bakteri, ion Na +
daripada H + menciptakan gradien elektromotif. Dalam kasus E. coli yang ditunjukkan secara
skematis pada Gambar 5a, enam flola terhubung ke kail berputar, sementara pada organisme
lain kait terhubung ke satu cairan atau flankellum (bakteri polio tunggal) yang berputar
dengan sekrup- Seperti gerak untuk mendorong organisme menuju sumber energi (nutrisi)
yang dikenali oleh chemoreceptors atau chemosensors, sebuah proses yang disebut
chemotaxis. Arah motor juga bisa dibalik saat kemoreceptor mendeteksi zat beracun atau
lingkungan yang keras. Tingkat rotasi motor flora (Gambar 5c) dapat bervariasi dari ~ 300
sampai 1.700 Hz dengan torsi sekitar 4 X 10-18
Nm (Minamina et al 2008). Ini mendorong
organisme kira-kira 35-115 �m / s. Flurium terdiri dari ~ 25 protein berbeda yang mewakili
1% dari total protein bakteri dan membutuhkan ~ 50 gen untuk produksinya, kira-kira 2%
dari genom ~ 2.500 gen. Gambaran motor flora dan motor agregat yang ditunjukkan pada
Gambar 5c telah muncul dari mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dan
cryomicroscopy yang memungkinkan gambar tomografi atau "irisan" melalui organisme
untuk direkonstruksi menjadi gambar 3D dari keseluruhan sel (Suzuki et al. 2004). Motor
flagell adalah selfassembled membentuk struktur stator-rotor yang tersirat dalam konfigurasi
protein yang ditunjukkan pada Gambar 5c (McNab 2003). Sel E. coli (Gambar 5a, b) dapat
�
����
�
menduplikat untai DNA mereka dan terbagi menjadi dua sel baru (biner fi ssion) setiap 20
menit. Seperti yang diilustrasikan pada umumnya pada Gambar 5a, bakteri sering memiliki
pili (atau silia). Salah satu jenis pili digunakan oleh organisme untuk menukar bahan genetik,
sebuah proses yang disebut konjugasi. Jenis pili kedua bertindak sebagai hold fasts yang
menyandarkan organisme ke sel inang yang bertindak sebagai mekanisme penting dalam
infeksi. Selain nukleoid DNA yang ditunjukkan pada Gambar 5a, bakteri juga mengandung
ribosom dan plasmid di dalam sitoplasma. Ini adalah badan inklusi protein yang
mengandung RNA nukleotida di ribosom dan gen DNA tambahan di plasmid. Seperti yang
digambarkan pada pandangan SEM pada E. coli pada Gambar 5b, tidak ada pili atau flora
seperti ditunjukkan pada Gbr 5a.
Gambar 5 bakteri Escherichia coli. (a) Kartun yang menunjukkan struktur bakteri dasar. (b)
SEM E. coli tanpa pili atau kandida yang tidak diawetkan. (c) Struktur motor flagelum ventenis bakteri. F merepresentasikan persamaan udara. OM menunjukkan membran luar, DI
dalam (sitoplasmik) membran. Periplasma (P) mesh peptidoglikan semprotan yang sangat
kuat (murein). Motor protein (M) melakukan arus listrik yang dibawa oleh proton (H +) dari
periplasma ke dalam sitoplasma sel. Cincin motor yang terbungkus dalam cincin protein (M)
mengubah muatan listrik menjadi gerakan mekanis putar dan memutar flora susu
(Diadaptasi dari [email protected])
�
����
�
Karena tanpa pengolahan titik kritis (pengeringan) sebelum pengamatan SEM, beberapa
tingkat hidrasi pada komponen ini akan meningkatkan efek tegangan permukaan yang
merubuhkannya ke dalam struktur permukaan dan membuatnya tidak ada. Pada beberapa
bakteri seperti patogen tuberkulosis inFig. 6a, dinding sel adalah polimer lipid yang hampir
tak tertembus, keras. Antibiotik seperti streptomisin (Gambar 2) hanya bisa membunuh
organisme setelah dinding sel dilanggar. Selain itu,
organisme melawan antibiotik dengan mengubah struktur dinding sel luar. Baru-baru ini,
rejimen baru telah dideklarasikan di mana surfaktan acrosol disemprotkan ke paru-paru
pasien tuberkulosis secara efektif menembus sel luar yang kemudian diikuti dengan antibiotik
dosis tinggi yang secara efektif membunuh patogen. (Stoops et al. 2010). Berbeda dengan
bakteri seperti batang (Bacilli) yang ditunjukkan pada Gambar. 5b dan 6a, bentuk bola atau
rantai yang terhubung dari sifat bola dari bakteri tipe Cocci dapat terjadi seperti yang
Gambar 6 Patogen tuberkulosis batang (Mycobacterium tuberculosis) (a) dibandingkan bakteri streptococcus (Streptococcus
pyogenes) bakteri Gram positif (b) (gambar Google).
�
����
�
digambarkan pada streptokokus pada Gambar 6b. Sel-sel ini tidak memiliki flora dan karena
itu terbatas pada motilitasnya. Dalam hal ini, patogen tuberkulosis yang ditunjukkan pada
gambar SEM pada Gambar 6a, seperti E. coli pada Gambar 5b, juga menunjukkan tidak ada
pili atau flugsi sebagai konsekuensi efek ketegangan permukaan akibat hidrasi yang melipat
fitur ini ke dalam sel. permukaan. Beberapa bakteri seperti C. cresentus memiliki satu
lapisan protein di permukaannya. Baru-baru ini, sistem yang mengeluarkan protein perakitan
mandiri ini membentuk struktur yang disebut "lapisan-S" telah disesuaikan untuk
menggantikan beberapa protein yang berguna untuk vaksin dan tujuan pengobatan terkait
(Ackbarow and Buehler 2011; Villaverde 2010; Vasquez dan Villaverde 2010). Ini bisa
termasuk HIV (virus).
penghambat infeksi dan agen untuk mengobati penyakit Crohn dan kolitis. Ini adalah bagian
dari pengembangan pabrik sel bakteri yang disebutkan sebelumnya (Rodriguez-Carmona dan
Villaverde 2010). Struktur dinding sel (atau amplop) untuk bakteri Gram positif dan Gram negatif agak berbeda, yang terdiri dari tiga lapisan dan membran plasma versus dua lapisan
dan membran plasma masing-masing, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7. Dinding
Gambar 7 Struktur dinding sel Bakteri. (a) Bakteri gram positif seperti Bacillus,
Streptococcus, dan Staphylococcus. (b) Bakteri gram negatif seperti E. coli,
Helicobacter pylori, dan Haemophilus yang mengembang. (Lihat protokol pewarnaan
Gram) (gambar Google).
�
����
�
sel terutama peptidoglikan (murein) yang terbuat dari rantai polisakarida yang dihubungkan
silang oleh peptida. Seperti yang diamati pada Gambar 7, dinding sel bakteri Gram positif
tebal, sedangkan dinding sel Gram negatif lebih tipis, dan jelas ini menghasilkan perbedaan kerentanan terhadap antibiotik. Selain perlindungan sel, perawatan bentuk (dukungan
mekanik), dan pemindahan nutrisi ke dalam sitoplasma sel, dinding sel dapat memiliki fungsi
novel lainnya dalam konteks sistem bahan dan terutama pemrosesan material.
Sementara pencucian tembaga dan pemulihannya dari larutan yang mengandung tembaga
dicatat sekitar tahun 1670 (Taylor dan Whelar 1942/1943), bukti pertama dari
mikroorganisme (bakteri) yang berperan dalam pencucian tembaga dimulai sekitar tahun
1960 dengan Thiobacillus ferrooxidans, motil, bakteri polio-pengoksidasi tunggal-pole, bakteri gram negatif, kemoautotrofik, ditunjukkan pada Gambar 8a-c. Organisme ini
menggunakan CO2 sebagai sumber energi dan memerlukan sumber H2 dan fosfat untuk
chemosynthesis dan pertumbuhan melalui energi yang berasal dari oksidasi katalitik besi besi
(Fe2 †), logam mulia yang tidak larut (Fe, Cu, Zn, dll, sulit) atau unsur sulfur yang dihasilkan
dari reaksi katalitik selama pencucian seperti yang ditunjukkan pada rangkaian persamaan yang ditunjukkan pada Gambar 9. Peran pencucian dan katalitik dari T. ferrooxidans dalam
limbah tembaga porfiri pirit diilustrasikan dalam Persamaan. 1, 2, dan 3 pada Gambar 8d,
sedangkan produksi belerang dan konversi menjadi asam sulfat ditunjukkan dalam
Persamaan. 4 dan 5. Efisiensi katalitik dalam reaksi ini telah ditunjukkan pada karya Lacey
dan Lawson (1970) yang menunjukkan bahwa laju reaksi tersirat dalam Persamaan. 5 pada Gambar 9 hampir merupakan faktor 106 kali lebih cepat untuk Pers. 6 dimana oksidasi
ferrous-to-ferric dapat dinyatakan lebih umum sebagai Persamaan. 7, dan tersirat dalam
fungsi sel amplop yang diilustrasikan pada Gambar 8c dan ditunjukkan dalam Persamaan. 8,
9, 10, 11, dan 12 pada Gambar 9.
Di lingkungan pembuangan limbah, T. ferrooxidans menjadi tidak enak pada ~ 40
0C, namun katalisis sinergis atau simbiosis dapat dicapai dengan menambahkan ekstrofot
seperti Sulfolobus acidocaldarius atau bakteri termofilik lainnya yang diisolasi dari sumber
air panas asam (<pH2) (Murr 1980). Organisme acidophilic ini dapat memperpanjang
pencucian katalitik menjadi> 600C. Selain itu, dalam limbah porfiri pyritic, menghubungi
kalkopirit dan pirit (FeS2) membentuk pasangan galvanik. Konversi galvanik katalitik
CuFeS2 dan passivasi FeS2 seperti yang diilustrasikan pada Gambar 10a, b (di mana pirit
berfungsi sebagai katoda dan kalkopirit anoda seperti yang diilustrasikan pada Persamaan 8
dan 9 pada Gambar 9) kemudian terjadi. Gambar 10c, d menunjukkan secara eksperimental
efek katalitik dan simbiosis suhu T. ferrooxidans dan Sulfolobus dalam pencucian konsentrat CuFeS2 / FeS2 yang melibatkan interaksi galaksi.
Bakteri yang hidup dan berkembang di lingkungan yang ekstrim seperti Sulfolobus
atau organisme termofilik lainnya sering disebut sebagai extremophiles seperti yang
disebutkan sebelumnya. Ini termasuk acidophiles pada <pH2, thermophiles pada suhu antara
48 ºC dan 120 ºC, halophiles pada <0,2 M NaCl, dll. Ini sering ditemukan di sumber air panas atau ventilasi uap laut dalam dan sejenisnya. Peran mereka dalam mengkatalisis proses
pemulihan logam diilustrasikan pada Gambar 10. Namun, korosi galvanik yang diilustrasikan
pada Gambar 10 juga menyajikan isu-isu lain yang melibatkan korosi mikroba seperti korosi
pitting pada jaringan pipa gas dan minyak. Degradasi mikroba juga dapat terjadi untuk bahan
polimer juga (Heitz et al 1996). Penelitian terbaru oleh Bruce Logan di Penn State University telah menunjukkan
bahwa strain metanogen, Methanobacterium palustre, dapat mengubah arus listrik secara
langsung menjadi metana. Methanogen biasanya batang bacilli atau coccoid seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 6. Mereka adalah organisme anaerob dan dapat mengurangi CO2
dengan adanya H2 untuk menghasilkan metana dan air:
�
����
�
2 + 4H2 � CH4 + 2 H2O
Gambar 8 Bioleaching tembaga dari kalkopirit (CuFeS2) dengan T. ferrooxidans. (A). SEM
melihat. (b) Kartun yang menggambarkan bunga tunggal ag (c) TEM gambar bagian bernoda
T. ferrooxidans dan skematis representasi daerah sel amplop ditunjukkan melingkar
menunjukkan mekanisme oksidasi besi (Diadopsi dari Murr 1980)
�
���
�
Gambar 9 Persamaan yang ditetapkan untuk pencucian bakteri kalkopirit (CuFeS2) (Dari Murr 1980)
Ini menciptakan gradien elektrokimia di dinding sel, dan fitur ini dapat dibalik.
Banyak methanogen memiliki struktur dinding sel S-lapisan seperti yang dijelaskan di atas. Magnetospirillum magneticum mewakili apa yang disebut bakteri magnetik yang
sering ditemukan di kolam dangkal air yang mengandung besi. Bakteri menarik besi dari air
dan menciptakan magnetit (Fe3O4) nanocrystals di dalam sitoplasma. Mereka menggunakan
nanomagnet ini untuk menjadi berorientasi pada medan magnet bumi yang membantu dalam
mengakses sumber oksigen yang diperlukan. Geobacter sulfurreducens telah diamati untuk menciptakan penyikatan elektrik konduktif atau kawat nano bakteri (Gorby et al 2006).
Akibatnya, prospek interaksi atau pemanfaatan organisme terkait ini menghasilkan inovasi
dalam biodevisi, termasuk biocomputers.
selain sintesis material dan kemungkinan terkait yang ditimbulkan oleh manipulasi
virus dan sel bakteri (termasuk dinding sel), sistem biologis lainnya berguna dalam biosorpsi dan bioremediasi atau pemulihan bio.
�
��
�
Ini mengadung variasi bahan tanaman seperti kulit pohon atau penyerapan ion logam pada
akar tanaman dan batang pada khususnya (Arthur et al 2005; Murr 2006). Pembaca dirujuk
ke referensi ini untuk lebih jelasnya.
Referensi
Ackbarow T, Buehler MJ (2011) Strength and robustness of protein materials. In: Nalwa HS
(ed) Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology, vol 23. American Scientific
Publishers, Valencia, pp 349–387 Arthur EL et al (2005) Phytoremediation: an overview. Crit Rev Plant Sci 24(2):109–144 Douglas SM, Bachelet I, Church GM (2012) A logic-gated
nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science 335(6070):831–834
Fischlechner MK, Donath E (2007) Viruses as building blocks for materials and devices.
Angew Chem Int Ed 46(18):3184–3193
Fig. 10 Contacting chalcopyrite and pyrite showing galvanic corrosion of the anodic CuFeS2 in acid bacterial leaching. (a) SEM image. (b) Schematic representation of the galvanic
reaction in (a). (c) and (d) show copper extraction from CuFeS2/FeS2 mixtures in ratios
Gambar 10 Menghubungi kalkopirit dan pirit menunjukkan korosi galvanik CuFeS2 anodik dalam pelindian bakteri asam. (a) gambar SEM. (b) Skema representasi reaksi galvanik
dalam (a). (c) dan (d) menunjukkan ekstraksi tembaga dari campuran CuFeS2 / FeS2 dalam
rasio yang ditunjukkan. TH mewakili organisme termofilik; T. f. mewakili Thiobacillus
ferrooxidans (pH 2,3, laju pengadukan 100 rpm) (Dari Murr 1980)
�
�
���
�
shown. TH represents thermophilic organisms; T. f. represents Thiobacillus ferrooxidans (pH
2.3, stirring rate of 100 rpm) (From Murr 1980)
480 Structure and Function of Viruses and Bacteria Gorby Y, Yanina S, McLean JS et al (2006) Electrically conductive bacterial nanowires
produced by Shewanella oneidensis MR-1 and other microorganisms. Proc Natl Acad Sci
103(30):11358–11363 Heitz E, Fleming HC, Sand W (1996) Microbially influenced
corrosion of materials. Springer, Berlin Keen EC (2012) Phage therapy: concept to cure.
Front Microb 36 Lacey DT, Lawson F (1970) Kinetics of the liquid phase oxidation of acid ferrous sulfate by the bacterium Thiobacillus ferrooxidans. Biotechnol Biocngr 12:29–38
Mcnab RM (2003) How bacteria assemble flagella. Ann Rev Microbiol 57:77–100 Minamina
T, Imata K, Namba K (2008) Mechanisms of type III protein export for bacterial flagellar
assembly. Mol Biosyst 4(11):1105–1115 Murr LE (1980) Theory and practice of copper
sulfide leaching in dumps and in-situ. Miner Sci Eng 12(3):121–192 Murr LE (2006) Biological issues in materials science and engineering: interdisciplinarity and the bio-
materials paradigm. JOM 58:23–33 Pauling L, Corey R (1953) A proposed structure for
nucleic acids. Proc Natl Acad Sci 39:84–97 Rodriguez-Carmona E, Villaverde A (2010)
Nanostructured bacterial materials for innovative medicines. Trends Microbiol 18:423–430
Rybicki EP (1990) The classification of organisms at the edge of life, or problems with virus systematics. South Afr J Sci 86:182–186 Schatz A, Burgie E, Waksman SA (1944)
Streptomycin, a substance exhibiting antibiotic activity against gram-positive and gram-
negative bacteria. Proc Soc Exptl Biol & Med 55:66–69 Stoops JK, Arora R, Armitage L,
Wanger A, Song L, Blackburn MR, Krueger GR, Risin SA (2010) Certain surfactants show
promise in the therapy of pulmonary tuberculosis. Vivo 24(5):687–694 Suzuki H, Yonekura K, Namba K (2004) Structure of the rotor of the bacterial flagellar motor revealed by electron
cryomicroscopy and single-particle image analysis. J Mol Biol 337(1):105–113 Taylor JH,
Whelan PF (1942/1943) The leaching of cupreous pyrites and the precipitation of copper at
Rio Tinto, Spain. Trans Inst Min Metall 52:35–71 Vasquez E, Villaverde A (2010)
Engineering building block for self-assembling protein nanoparticles. Microb Cell Fact 9:101–105 Villaverde A (2010) Nanotechnology, bionanotechnology and microbial cell
factories. Microb Cell Fact 9:53–60
�
���
�
Struktur dan Sifat Bahan Keratin dan Bahan Biologis Berbasis Keratin( Structure and Properties of keratin-based and Related
Biiological Material)
Isi
Pengenalan .................................................................................................................... 543
Wol................................................................................................................................ 545
Sutra .............................................................................................................................. 548 Bahan dan Struktur Avian............................................................................................. 552
Contoh Keratin Armor .................................................................................................. 557
Skala Non Keratin dan Komposit Exoskeleton Serangga............................................. 562
baju besi baru shell........................................................................................................ 565
Struktur Elastin dan Fungsi........................................................................................... 570 Referensi ....................................................................................................................... 571
Abstrak
Keratin, protein srigin gratis untuk kolagen, diwakili oleh dua kelas atau struktur molekul,
alfa (�) dan beta (�), memiliki urutan asam amino dan fungsi biologis yang serupa. Contoh yang menonjol meliputi wol dan serat sutra, bahan unggas, pelindung biologi (termasuk jenis
timbangan dan kerang), dan komposit exoskeleton.
Pengenalan
Keratin adalah keluarga protein struktural, biopolimer, protein broiler yang menyusun
jaringan epitel pada hewan, termasuk kulit manusia, rambut, kuku jari, wol binatang, kuku dan tanduk, dan paruh bulu burung, untuk memberi nama yang lebih jelas. Protein keratin
dirakit sendiri menjadi serat yang memiliki empat tingkat struktur dengan rantai polipeptida
yang membentuk tulang punggung. Kerat terdiri dari asam amino, terutama alanin dan glisin,
walaupun sampai 20 asam amino dapat menyusun keratin dan sistem kehidupan lainnya,
termasuk sistin dan serin seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1.
©Springer International Publishing Switzerland 2015 L.E. Murr, Handbook of Materials Structures, Properties, Processing and Performance, DOI 10.1007 / 978-3-319-01815-7_28
�
��
�
Sistin adalah asam amino dimer yang terbentuk oleh oksidasi dua residu sistein (Gambar 1
dari bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri") yang secara kovalen terkait dengan bentuk
ikatan disalin seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1 dari bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri." Pada serat wol yang mengandung 9,8 mol% sistin, jembatan disulfida
memberikan ikatan silang stabil secara termal dari molekul keratin yang serupa dengan peran
sulfur dalam vulkanisasi karet yang tersirat dalam Ara. 9c di bab "Contoh Struktur Komposit
buatan manusia".
Keratin terdiri dari dua kelas atau struktur molekul, alpha (�) -keratin dan beta (�) -keratin, masing-masing memiliki urutan asam amino dan fungsi biologis yang serupa.�-
Keratin (Gambar 2a) adalah protein utama pada rambut mamalia dan wol dan memiliki
struktur molekul alfa-heliks panjang dengan porosnya sejajar dengan sumbu bergetar. �-
Keratin (Gambar 2b) atau fibirin, protein utama dalam sutra, memiliki struktur lembaran lipit
dimana perataan untai molekuler identik atau berlawanan membentuk sel beta beta paralel atau antiparalel, dengan lembar beta antiparalel secara signifikan lebih stabil karena ikatan H-
selaras seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2. Struktur ini, dengan jarak berulang yang
diilustrasikan pada Gambar 2a, pada awalnya dipecahkan oleh Linus Pauling seperti yang
ditunjukkan sebelumnya (Pauling et al 1951). Dalam rantai �-keratin pada Gambar 2a,
pengulangan periodik antara kelompok R yang identik dengan orientasi adalah 0,7 nm, dan ini sesuai dengan pengulangan 0,35 nm antara asam amino dalam �-keratin atau sinein
(Gambar 2b). Sejalan dengan itu, pada heliks �-keratin yang ditunjukkan pada Gambar 2a,
jarak pengulangan periodik yang memisahkan setiap putaran heliks adalah 0,54 nm, dan
struktur heliks ini kemudian memiliki jarak 0,54 nm / 3,6 atau 0,15 nm antara asam amino.
Seperti yang terlihat segera, serat wol terdiri dari kumpulan pengikat �-keratin yang kompleks yang membentuk proto fi skil, mikro, dan kertas mikro yang membentuk sel
korteks dalam struktur lapisan dalam yang disatukan oleh gamma (�) -keratin, protein
globular yang mengandung pecahan dari sistein (Gambar 1) yang menyediakan ikatan silang
dari rantai heliks �-keratin. Sejalan dengan itu, struktur �-keratin atau saringan membentuk
serat sutera primer. Tabel 1 mengilustrasikan komposisi asam amino dari biomaterial berair alami ini.
Gambar 1 Asam amino utama yang menyusun serat protein berbasis keratin. Unit molekuler untuk glisin, alanin, dan serin diwakili agak berbeda
dari Gambar. 1 dari bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri"
�
���
�
Wol
seperti yang digambarkan pada Gambar 3, serat wol terdiri dari lapisan luar atau kutikula l
�m tebal sisik keratin yang tumpang tindih yang agak khas sisik sayap kupu-kupu yang diilustrasikan pada Gambar. 14 di bab "Warna elektromagnetik dan Warna dalam Bahan".
Gambar 2 Struktur heliks alfa-keratin (a) dan struktur lembaran kristal beta-keratin
(b). Struktur lembar adalah struktur lembar lipit: paralel atau antiparalel. Perhatikan
dalam bentuk heliks pada (a) bahwa hanya struktur rantai pusat C-C-N-C-N yang ditunjukkan. Dalam (b), R-kelompok (komponen radikal) yang ditunjukkan pada (a)
dilingkari C. Catatan panah bertitik pada (a) dan (b) menunjukkan urutan rantai
molekul atau ikatan.
�
���
�
Permukaan kutikula luar ditutupi oleh epidural hidrofobik 3 nm tebal. Di bawah nanolayer
tipis ini, ada lapisan exocuticle yang kaya sistein membentuk kira-kira dua pertiga ketebalan
skala kutikula yang diikuti oleh endokutikel dan lapisan tipis semen interselular.
Poros utama dari serat wol yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 3b
terdiri dari sebuah korteks yang terdistribusi pada selubung korteks yang melintang secara meluas. Tikus terdiri dari bundel makro fiberglass yang terdiri dari diameter mikrostruktur
7 nm yang pada gilirannya terdiri dari apa yang disebut protofibril. Sebuah protofil,
berukuran 2nm dengan diameter, terbentuk saat kerahasiaan tungkai bawah (Gambar 2a)
dililitkan bersama seperti tali yang membentuk struktur heliks triple yang aslinya digambarkan oleh Paulingetal. (1951). Kemudian, alat pengaman akan membentuk mikro fiil.
Keratin gamma membentuk matriks yang memegang micro fibrils bersama-sama dan sangat
memperhatikan proposisi pada protein dalam kandungan. Sebenarnya, permukaan serat wol,
yang mengandung beberapa asam wax atau lemak, mengilustrasikan pengikatan disulfida
pada Gambar 3c. Sebenarnya, makanan penutup yang biasa-biasa saja, dan minyak mentah untuk tekstil, lilin ini dikeluarkan dengan air panas (> 40 C) dan lanolin yang diekstraksi dari
produk ini. Rambut manusia mirip dengan struktur wol tapi bervariasi pada keratin pasien.
Keriting rambut dari pada benang wol dan berkisar antara 100 sampai 300 �m berbeda
dengan 20-30 �m untuk serat wol.
Karena struktur skala kutikula wol seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3a, serat individu berdiri terpisah saat digabungkan dalam membentuk tali rajut. Dalam proses
pembuatan kartu prekursor, wol disisir untuk meluruskan dan melepaskan serat,
menyelaraskannya sejajar satu sama lain sebelum membentuk benang (rajutan) tali. Fitur
permukaan wol yang tidak beraturan memungkinkan udara terjebak di dalam dan di antara
serat. Udara yang terbentang dan terbentang ini memberikan sifat isolasi yang luar biasa dan dioptimalkan pada tumpukan kulit domba dan wol yang melindungi baik dari kehilangan
panas maupun panas. Wol juga menyerap dan menyaring kelembaban, dan serat individu
dapat menyerap hingga 34% beratnya dalam uap air. Sebaliknya, serat polimer sintetis hanya
bisa menahan kelembaban 2%. Konsep komposit serat baru yang berlaku untuk wol dan serat lainnya melibatkan
infus partikel perak nanosilver atau koloid ( Gambar 10b di bab "Contoh Ilmu dan Teknik
Material di Masa Kuno"). Hal ini terutama layak dilakukan dalam kasus wol karena
kemampuan sisik serat (Gambar 3a, b) untuk menjebak partikel nanosilver
Tabel 1 Komposisi asam amino utama serat wol dan sutra (dalam % mol)
�
�
���
�
Serat bersirip nanosilver ini ditenun menjadi berbagai kain untuk menciptakan produk antimikroba dan antijamur yang meliputi kaus kaki, pakaian olah raga, tempat tidur rumah
sakit, dan sejumlah aplikasi terkait. Barani et al. (2012) baru-baru ini menggambarkan
peningkatan difusi ion nanosilver ke dalam serat wol dan kontrol tingkat pelepasan partikel
nanosilver atau ion. Proses infus serupa telah dikembangkan untuk serat polimer lainnya
seperti nilon, dan larutan nanoil untuk penanganan permukaan pada kain tenun katun juga telah dikembangkan. Johnston dan Nisson (2012) baru-baru ini menggambarkan komposit
nanogold dan nanosilver dengan serat selulosa yang mengandung lignin dalam
pengembangan
Gambar 3 Struktur Wol. (a) citra SEM bagian wol fi. (b) hirarki struktural.
(c) menunjukkan struktur kimia wol (kutikula) permukaan. Asam lemak
mewakili lilin yang dikeluarkan dalam pengolahan wol dan merupakan
sumber lanolin pada wol domba pada khususnya.
Gambar 4 gambar SEM dari serat wol (a) memiliki partikel Ag 100 ppm dengan
koloid nanosilver sulfur. (b) menunjukkan pandangan magni dari (a) (Diadaptasi dari Perumalra (2012))
�
���
�
produk kertas fungsional baru, termasuk konsep kemasan antimikroba. Demikian pula,
Perumalra (2012) telah menggambarkan pelekatan perak nanopartikel pada serat wol yang dicelup seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4.
Diamati bahwa resistivitas listrik permukaan wol dan serat lainnya dapat dikurangi
oleh permukaan film dan melakukan adhesi partikel seperti yang diilustrasikan untuk partikel
perak pada Gambar 4. Konduktivitas listrik juga dapat ditingkatkan secara signifikan oleh
pemasangan serat seperti pada lapisan plastik sehingga terjadi deposisi permukaan polimer konduktif seperti polipirol yang menunjukkan konduktivitas dan stabilitas lingkungan yang
tinggi (Varesano dan Tonin 2008). Lapisan polipirol serupa telah diterapkan dalam persiapan
pembuatan serat selulosa dan sutera (Hosseini dan Pairovi 2005). Serat ini biasanya lebih
kuat dan lebih stabil daripada serat polimer, dan perlakuan - melakukan serat alami dapat
diseleksi secara selektif menjadi pola kain untuk bertindak sebagai interkoneksi untuk platform elektronik fleksibel yang diintegrasikan ke dalam produk tekstil. Dalam hal ini,
dimungkinkan untuk mengintegrasikan kabel tembaga atau perak atau serat karbon ke alat
tenun tekstil otomatis untuk efisiensi tinggi yang terhubung ke komponen elektronik. Array
Novel serat optik dan LED (light-emitting diodes) juga telah diintegrasikan ke dalam produk
kain.
Sutra
Sutra atau serat sutra sering dianggap sebagai struktur kopolimer blok protein broiler karena struktur utama serat terdiri dari blok berulang asam amino glisin dan alanin. Struktur primer
ini membentuk struktur sekunder dari rantai kompleks �-keratin, blok kristal lipit antiparalel
(Gambar 2b) yang dihubungkan oleh rangkaian kompleks hubungan keratin heliks (amorf).
Fibroin adalah protein yang tidak larut yang tersusun dari 16 asam amino, dimana alanin,
glisin, dan Gambar 4 gambar SEM dari serat wol (a) memiliki partikel Ag 100 ppm dengan koloid
nanosilver sulfur. (b) menunjukkan pandangan magni dari (a) (Diadaptasi dari Perumalra
(2012))
488 Struktur dan Sifat Bahan Keratin dan Bahan Biologis Berbasis Keratin Serin merupakan
80% polimer (Tabel 1). Tidak seperti wol, tidak ada sistein yang signifikan dan oleh karena itu tidak ada hubungan silang, walaupun seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b, lembar-
keratin struktur dalam larutan hidrogen. fibroin diproduksi dalam sutra ulat sutra yang
membentuk kepompong larva ngengat Bombyx mori yang hidup secara eksklusif pada daun
pohon murbei putih. Sebuah kepompong terbuat dari benang sutra tunggal yang terus
menerus yang bervariasi panjangnya kira-kira 300 sampai 900 m. Tali sutra ulat sutra terdiri dari dua serabut filamen yang terbungkus protein yang disebut sericin seperti yang
digambarkan pada Gambar 5.a. Sistem polimer buram yang terkompresi pada cacing pita
(Gambar 5) adalah sekitar 65-75%. Kristal adalah blok lembar lipida antiparalel �-keratin
(Gambar 2b). Ini dapat mengukur kira-kira 3 5 nm dan terdiri dari lapisan berlapis blok lipit
dalam nano fi brils seperti yang ditunjukkan pada skematik struktur hirarki pada Gambar 5b. Sel satuan untuk kristalit memiliki parameter kisi satu = 0.94 nm, b = 0,95 nm, dan c = 0,7
nm (sepanjang sumbu beruang). Blok lembaran �-lipit (kristal) dianggap berorientasi pada
�
���
�
sudut pandang, �, relatif terhadap sumbu fi bril (nano fi bril), dan seperti memperkuat serat
pada komposit klasik (Bagian 7), kekuatan fiberg ditingkatkan sebagai "kegagalan. Ini adalah
karakteristik bakteri yang pada umumnya meningkatkan kekuatan dalam kaitannya dengan sutera ulat sutra. Struktur heliks acak yang menghubungkan blok kristal ini dapat dianggap
sebagai analog seperti musim semi, sering disebut sebagai blok dan pegas atau blok dan
struktur "tali" (Termonia 1994). Struktur ini berfungsi sebagai model mekanik dan juga
model untuk transportasi termal dalam arah aksial serat sutera ulat sutera tunggal (Liu et al
2012). Tali heliks acak atau rantai molekul yang membentuk matriks sutra amorf di mana blok kristal tertanam juga saling terkait dengan ikatan hidrogen, menciptakan struktur �-turn
yang disebut implisit pada Gambar 5b (Simmons et al 1996). Dalam sutra laba-laba, ini bisa
membentuk rezim semicrystalline yang berkontribusi pada diferensiasi struktural sutera ulat
sutra dan sutera laba-laba (Wu et al., 2009).
Ulat ulat mulberry pertama kali dijinakkan di China hampir 5.000 tahun yang lalu. Sericulture dan pengolahan serat sutera menghasilkan sutra dalam jumlah besar pada masa
pemerintahan Han Wudi antara 140 dan 87 SM. dan dibawa ke "Jalan Sutra" dari Xi'an,
Provinsi Shaanxi, di China sampai ke timur Mediterania dan kota-kota besar lainnya di Barat.
Selama pemintalan kepompong, larva menggerakkan kepalanya ke dalam pola gambar
delapan untuk menciptakan struktur bola atau oval. Setelah ngengat daun kepompong itu, ia cepat kawin sejak rentang hidup mereka hanya beberapa hari. Betina bertelur (sampai 500
butir telur) untuk melengkapi siklus hidup ulat sutra. Secara kasar larva sutera 3 mm menetas
dari telur-telur ini di musim semi dan tinggal di daun murbei segar tempat mereka memintal
kepompong mereka. Karena penampang melintang yang tidak teratur dan hampir segitiga
yang merupakan ciri khas serat sutra ulat sutera seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, cahaya menyerang serat di banyak arah yang berbeda yang memiliki tekstur sama dengan
tekstur yang lebih tinggi. Sisir sisir permukaan seperti wol. Serat sutera bisa memanjang
hingga 25% dan kekuatan tariknya bisa bervariasi dari 0,4 ke 0,9GPa. Ini dikenali untuk
bahan pengukur tenunan dan bahan-bahan yang digunakan digunakan untuk melindungi diri
mereka sendiri. Epenevany telah mendokumentasikan kemampuan sutra untuk menghentikan peluru; Yang menonjol di antara mereka adalah saputangan sutra yang di Amerika Barat
yang mencegah kematian mereka selama pertempuran senjata jarak dekat atas kemenangan
yang diperselisihkan.
�
����
�
Selain Bombyx mori dan genera ngengat lainnya, sutra diproduksi oleh serangga lain,
terutama laba-laba (Gambar 6). Namun, sutra laba-laba mengacu pada berbagai macam
kecocokan kontinyu dan kontinyu yang kontras dengan sutra ulat sutera bertali ganda dan
melapisi yang diilustrasikan pada Gambar 5a. Benang fiberglass tunggal ini berdiameter 2-4
�m,
Gambar 5 Struktur sutra ulat sutera. (a) Gambar SEM menunjukkan dua helai benang yang
dikelilingi lapisan serisit. Insets menunjukkan urutan asam amino primer saring dan struktur
serisit. (b) Hirarki struktural fibroin yang menunjukkan benang sutra ~ 1 �m dengan diameter menyusun serat fibergin. Jarum-kompiler terdiri dari nano fiils bundling yang berdiameter
kira-kira 100 nm yang berisi susunan kristal lembaran lipatan � yang dihubungkan dengan
irisan keratin tidak beraturan (amorf).
�
���
�
kira-kira sepersepuluh diameter sutra ulat sutra. Kupu-kupu dragline laba-laba, seperti sutera
ulat sutera, terdiri dari rantai polipeptida alanin dan glisin yang sangat teratur yang
mengkarakterisasi kristal lembaran lipit � beserta daerah �-sheet semicrystalline dan daerah heliks � yang kaya glisin yang kontras dengan balok sel beta � yang kaya akan alanin. Ini
terhubung ke untaian-untaian atau heliks heliks seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7.
Gambar 7 Struktur serat laba-laba dan serat laba-laba. Lembaran balsem
ikat semicrystalline menambahkan kekakuan tambahan yang kontras dengan kristalit lipatan �-lipit yang menyusun wool frigil pada Gambar 3b.
Ini hanya setengah dari ukuran kristal, sedangkan spider silk �-lipit lembar
kristal yang ditunjukkan lebih besar dari pada wol fibril
�
����
�
Sebagai tambahan, kristal-beta pada sutera laba-laba sedikit lebih besar dari pada sutra ulat
sutra dan mereka cenderung berorientasi pada sudut yang lebih kecil relatif terhadap sumbu fi
bril ( Gambar 5b), yang menyediakan modulus elastisitas tinggi dan kekuatan tarik yang berbeda dengan sutera ulat sutera. Karena sebagian kecil sutra laba-laba yang terkait dengan
jaring laba-laba berbeda dengan jumlah sutra ulat sutera dalam jumlah besar yang diproses di
seluruh dunia (Gambar 6), kain sutera laba-laba pada dasarnya tidak ada. Namun, 82 orang
di Madagaskar bekerja 4 tahun untuk mengumpulkan lebih dari satu juta laba-laba emas orb
dan ekstrak sutra dari mereka Hal ini memuncak dalam pembuatan kain terkenal yang terbuat dari sutra laba-laba berukuran 3,4 m x 1,2 pada tahun 2009 dan memiliki warna emas. Laba-
laba dapat menghasilkan hingga tujuh helai sutera yang berbeda tergantung pada fungsinya:
membuat jaring, menancapkan jaring, membentuk sarang atau kepompong untuk keturunan
mereka, dan menangguhkan diri mereka sendiri atau untuk kiting dinamis di mana mereka
mengusir beberapa benang ke udara dan membiarkan diri terbawa dengan angin. mengusir beberapa benang ke udara dan membiarkan diri terbawa angin. Benang sutra yang sangat
halus ini disebut sebagai gossamer. Benang yang lebih kuat dalam pembuatan web adalah
sirip dragline yang memiliki kekuatan tarik sekitar 1,3 GPa berbeda dengan 0,5-0,9 GPa
untuk sutra ulat sutera, dan 1,8 GPa untuk serat nilon, yang merupakan setengah dari
kekuatan tarik Kevlar (3,6 GPa) . Sutra, termasuk sutra laba-laba, memiliki kerapatan 1,3 g / cm
3 dibandingkan dengan 1,8 g / cm
3 untuk serat Kevlar. Selain itu, modulus Young untuk
sutra dragline (laba-laba) bervariasi antara 12 dan 28 GPa (Keten et al., 2010) bergantung
pada ukuran �-kristal (Gambar 5).
Di antara perbedaan menarik antara sutra ulat sutera dan sutra laba-laba adalah
perbedaan konduktivitas termal yang luar biasa. Dalam serat sutera ulat sutera tunggal, konduktivitas termal bervariasi dari 0,5 sampai 6,5 Wm
-1 K
-1 namun bila diregangkan
sampai 68%, nilai ini dua kali lipat menjadi 13 Wm-1
K-1
. Namun, konduktivitas termal pada
arah kain sutra (ketebalan lembaran arah) hanya 0,042 Wm-1
K-1
. Akibatnya, kain sutra
menjaga udara hangat tetap dekat dengan kulit saat cuaca dingin. Sebaliknya, konduktivitas
termal serat spider silk setinggi 416 Wm-1
K-1
. Ini melebihi sutera ulat sutera dengan kira-kira merupakan faktor 60 dan sedikit lebih banyak daripada konduktivitas termal tembaga (401
Wm-1
K-1
.)
Bahan dan Struktur Avian
Bulu dan paruh burung mengilustrasikan berbagai bentuk struktural lembaran lipatan �-
keratin yang memfasilitasi sejumlah fungsi termasuk penerbangan, isolasi termal dan tolakan
air, camoufl age, dan keperawatan baru, termasuk variasi warna struktural. Sementara bulu
bisa berkisar dalam ukuran dan fungsinya, misalnya burung yang sangat besar seperti kondor dan burung besar serupa seperti penguin kaisar (yang tidak terbang dan bulu utamanya
berfungsi terutama sebagai insulasi), keduanya serupa secara bersamaan. Gambar 8a
menunjukkan bulu burung merpati yang umum atau sayap bulu yang terdiri dari rachis atau
poros tengah yang membentang sepanjang seluruh bulu, dengan baling-baling atau batang
kayu yang membentang ke kedua sisinya. Porsi kanan atau pendek pada Gambar 8a mewakili ujung tombak sayap dan melibatkan baling-baling luar. Sisi berlawanan atau sisi kiri dari
pena pada Gambar 8a dibangun dari baling-baling dalam. Memperluas dari barbs adalah
serangkaian barbules pendek yang menciptakan permukaan aerodinamis yang penting dengan
memiliki barbules dengan hooklets dalam satu arah, sedangkan pada arah berlawanan,
barbules ridgelike (Gambar 8b). Struktur hooklet dan punggungan yang berlawanan ini mempromosikan pelekatan barblets yang berdekatan, sistem ridge-and-hooklet barblet.
Struktur rachis adalah struktur komposit kompleks yang terdiri dari busa keratinisasi sentral
�
����
�
tertutup dengan ukuran sel (diameter) 10-15 �m yang dikelilingi oleh lapisan dalam sisipan
aksial dari pembentukan diameter �-keratin 6�m
Lapisan dalam ini setebal 250 �m, yang dikelilingi (dibungkus) oleh serat melingkar (pada 90
sampai lapis aksial) membentuk lapisan tipis tipis 15 �m. Fitur struktural ini diilustrasikan
pada Gambar 8c, d. Korteks internal, struktur dinding busa sel tertutup dibangun dari
diameter �-keratin nano 200 nm. Struktur rachis keratin yang bertingkat ini memberi bobot
ringan dan kekakuan yang tinggi (dan ketangguhan patah 10 KJm 2) agak khas tulang, dimana busa korteks sentral memiliki modulus rendah (2,5 GPa) sedangkan rezim korteks
luar yang lebih padat dan lebih keras memiliki modulus yang lebih tinggi, 8 GPa. Juga dapat
dicatat bahwa struktur bulu rachis pada dasarnya serupa dengan struktur hirarkis sel kayu
yang mewujudkan integrasi materi dan struktur yang harmonis.
Gambar 8 Struktur bulu burung. (a) bulu merpati (pena bulu). (b) Rincian struktur
bulu. (c) Struktur Rachis menunjukkan interior sel tertutup dan serat permukaan yang
berorientasi lingkar. (d) Gambar SEM yang menunjukkan struktur sel sejajar setelah
mengeluarkan bahan matriks dengan degradasi jamur ((c) dan (d) diadaptasi dari
Chen et al. (2012))
�
���
�
Sangat menarik bahwa sebagai insulator, bulu lebih efisien daripada bulu, seperti
wol yang memiliki struktur molekul �-keratin yang sama. Sebagai konsekuensinya, jelas
bahwa perbedaan ini hanya berdasarkan struktur atau masalah struktural. Dalam mempertimbangkan sifat isolasi bulu, contoh yang lebih luar biasa melibatkan unggas yang
tidak berbulu: penguin (Gambar 9a). Dalam konteks ini, penguin kaisar, seekor burung,
adalah satu-satunya mahluk yang mampu bertahan di tutup es Antartika di musim dingin,
tempat terdingin di bumi. Dari 17 jenis penguin, penguin kaisar (Aptenodytes forsteri)
terbesar, berdiri 1,1 m dan berat 27-41 kg. Bulu penguin memberikan isolasi yang sangat baik baik di udara dan air. Mereka tidak diatur dalam traktat seperti burung lain, namun terdiri
dari daerah "pennaceous" luar atau baling-baling dan bulu belakang setelah "berbulu halus".
Poros bulu memiliki otot yang terpasang sehingga bisa menariknya ke dalam penghalang
kedap air yang terkompresi dalam air dan mampu memasangnya di darat. Baling-baling bulu
penguin tumpang tindih seperti ubin yang menciptakan ruang udara yang terperangkap. Ada sekitar 15 bulu / cm
2 dan 50 barbs / bulu masing-masing memiliki 1.250 barbeque yang
muncul dari tangkai bulu atau ramus dalam susunan spiral. Barbulans dan hooklet yang saling
terkait menciptakan ruang udara yang relatif seragam dan terperangkap. Susunan bulu yang
terisolasi ini diperkuat oleh lapisan lemak tebal tepat di bawah kulit penguin dan
memungkinkan penguin berdiri dalam rintangan selama berminggu-minggu pada suhu antara 40 C dan 60 C tanpa makan, dan menjaga suhu di huddles. setinggi 37 C. Meringkuk, seperti
yang diilustrasikan pada Gambar 9b, c, adalah kunci kelangsungan hidup musim semi
Antartika. Idealnya, penguin kaisar dikemas sedemikian rupa sehingga gerakan individu
hampir tidak terlihat. Namun, penguin dalam huddles bergerak secara kolektif dengan cara
yang sangat terkoordinasi untuk memastikan mobilitas tanpa mengubah kerapatan kemasan.Semua penguin membuat langkah kecil 4-10 cm setiap 30-60 s yang pada dasarnya bergerak
sebagai gelombang melalui keseluruhan ngerumpi, yang dari waktu ke waktu mengarah ke
reorganisasi ngerumpi berskala besar. Hal ini memungkinkan penguin individu bergiliran
bergerak ke interior ngerumpi yang hangat atau bersepeda dari perimeter ke tengah ngerumpi.
Pada tahun 2012, hampir 600.000 penguin kaisar di 46 koloni dilaporkan melakukan pencitraan satelit di sepanjang pantai Antartika.
Tidak seperti penguin lainnya, penguin kaisar hanya memiliki satu telur dan segera
setelah itu, daun betina selama 3 bulan selama musim dingin Antartika, meninggalkan pria
yang berkerut (Gambar 9b, c) untuk menetaskan telur. Betina dapat menempuh jarak antara
80 sampai 110 km. Anak ayam lahir hanya beberapa hari sebelum betina kembali ke koloni. Seperti bulu, burung memiliki berbagai struktur dan ukuran paruh (paruh pendek
dan tebal, paruh panjang dan tipis, atau paruh panjang dan tebal), tergantung fungsinya
(memetik serangga dari kulit pohon, merobek, menggambar nektar dari bunga, pertahanan,
dll). Seki dkk. (2005) telah meneliti baik bahan dan struktur paruh burung toucan maupun
hornbill. Paruhnya ini panjang dan tipis dan berukuran kira-kira sepertiga dari total panjang burung. Bulu kulit luar (integumen) terdiri dari lapisan genteng poligonal �-keratin tipis yang
membentuk epidermis. Lapisan dermal padat memisahkan busa berongga yang tersusun dari
trabekula silinder atau elips yang dilapisi oleh cangkang atau cortical tipis. Gambar 10
mengilustrasikan fitur ini secara skematik untuk paruh bejana beruang yang berhias. Struktur
paruh ini ditemukan memiliki kekuatan lentur yang besar dimana inti sel internal berfungsi untuk meningkatkan ketahanan tekuk pada paruh (Seki et al., 2005). Lapisan ubin keratin
epidermal juga tersusun dari arah beruntun yang bergantian di setiap lapisan berturut-turut
�
����
�
Gambar 9 Penguin kaisar Antartika (a). (b) dan (c) menunjukkan penguin huddles yang
bisa berisi ribuan burung dalam konfigurasi yang hangat (gambar Google)
�
����
�
mirip dengan lamina komposit (bab " Pasukan Kimia: Molekul dan Nanopartikel"). Struktur
integumen luar ini relatif lentur kontras dengan busa tulang semi-getas (Gambar 10).
Kekakuan keratin paruh secara mekanis isotropik baik pada arah melintang dan longitudinal
(Chen et al 2012; Seki et al., 2005).
Sementara banyak burung memasukkan melanin dan pigmen atau pewarna lainnya
ke dalam bulunya untuk menghasilkan warna, tidak ada pigmen biru pada burung, dan warna
biru diciptakan oleh elemen struktur atau struktur nano seperti yang dijelaskan di bab "
Warna Elektromagnetik dan Warna pada Bahan" (Gambar 14c-e). Saranathan dkk. (2012)
telah mengilustrasikan bahwa warna struktural bulu yang tidak bermotif diproduksi oleh
amorf 3D, kerapatan �-keratin dan nekrosis rongga udara yang ditemukan. di sel medula dari
Gambar 10 Tampilan skematik dari paruh hornbade yang
terukir dan lapisan paruh yang sesuai (Dari Seki (2009))
�
����
�
batang bulu. Pada beberapa spesies burung seperti burung surga enam kabel (atau parotia
Lawes), barbulanya juga menghasilkan beragam warna struktural tergantung pada sudut optik
di mana cahaya menyerangnya dan tercermin dengan jelas. Barbules burung ini hanya setebal
5 �m dan berbentuk bumerang. Lapisan keratin tipis mengelilingi kira-kira 25 lapisan
melanin. Sebagai tarian burung cenderamata, ia menampilkan berbagai warna tergantung
posisinya relatif terhadap wanita yang mengamati mirip dengan pergerakan CD yang relatif
terhadap sumber cahaya dan pengamat. Seperti struktur fotonik foton amorf burung memiliki
prospek untuk biomimetik inspirasi untuk berbagai teknologi fotonik. Ini akan dibahas nanti
di bab ini.
Contoh Keratin Armor
Salah satu struktur pelindung yang paling sederhana dipamerkan oleh landak dan landak yang
memiliki duktus �-keratin yang kaku dan tajam yang menutupi tubuh mereka. Landak
Amerika Utara memiliki kira-kira 3 104 duri di punggungnya. Tidak seperti duri burung, duri
tirus ini memiliki sisik luar yang terdiri dari serat �-keratin berorientasi yang mirip dengan
serat rambut dan wol (Gambar 3) yang membungkus struktur busa sel tertutup kortikal yang memaksimalkan rasio kekuatan-terhadap-berat . Otot di dasar duri memungkinkan mereka
berdiri. Kait di ujung bulu juga memungkinkan mereka untuk dimasukkan ke dalam predator,
dan tangkapan timah juga menahan diri untuk menariknya keluar. Salah satu struktur
pelindung yang paling sederhana dipamerkan oleh landak dan landak yang memiliki duktus
�-keratin yang kaku dan tajam yang menutupi tubuh mereka. Landak Amerika Utara memiliki kira-kira 3 104 duri di punggungnya. Tidak seperti duri burung, duri tirus ini
memiliki sisik luar yang terdiri dari serat �-keratin berorientasi yang mirip dengan serat
rambut dan wol (Gambar 3) yang membungkus struktur busa sel tertutup kortikal yang
memaksimalkan rasio kekuatan-terhadap-berat . Otot di dasar duri memungkinkan mereka
berdiri. Kait di ujung bulu juga memungkinkan mereka untuk dimasukkan ke dalam predator, dan tangkapan timah juga menahan diri untuk menariknya keluar.
Timbangan dan struktur yang berhubungan dengan kerang jauh lebih lazim seperti
baju besi yang menyediakan berbagai tingkat perlindungan terhadap predasi dan konservasi
cairan tubuh. Di Squamata (ular dan kadal), rangkaian lapisan yang terdiri dari bentuk � dan
�-keratin secara berkala setelah mana generasi epidermal tua ditumpahkan. Dalam Crocodilia (buaya, buaya, caimans), hanya ada satu lapisan sel kloroisasi �-keratin namun komposisi
lapisannya dapat bervariasi di berbagai bagian skala. Daerah engsel yang menghubungkan
sisik mengandung �- dan �-keratin. Di Chelonia (kura-kura dan kura-kura), epidermis kulit
kerang hanya terdiri dari kerang �-keratin, sedangkan leher dan kulit terdiri dari �-keratin
eksklusif. Keratin �-keratin kulit mengandung protein glisin, prolin, dan tirosin (residu asam amino) yang serupa dengan yang ada di Crocodilia. Tabel 2 membandingkan komposisi asam
amino �-keratin untuk sejumlah rezim biologis ini dan yang terkait. Pada burung dan reptil,
�-keratin diorganisasikan dalam lembaran beta lipatan atau konformasi untai dan
digabungkan ke dalam kisi-kisi kasar dari kawat mikro.
Cangkang pelindung atas kura-kura, karapas di bagian belakang, adalah struktur sandwich berlapis-lapis. Cangkang penyu bagian bawah atau perisai ventral disebut plastron.
Kekuatan karapas dan kekakuan dihasilkan dari casing tulang dalam dari pelat menyatu dan
terhubung yang ditutupi sisipan �-keratin atau lamina. Ada sekitar 38 sisik pada karapas dan
12-14 pada plastron. Pada beberapa kura-kura, terutama kura-kura tawanan, seruling dilebih-
lebihkan oleh kelainan bentuk piramida yang diilustrasikan pada Gambar 11a. Struktur
�
����
�
karapas (top shell) - juga disebut osteodermata - memiliki tulang kortikal yang lebih keras di
bagian atas dan bawah sementara struktur tulang sel tertutup dan terbatas.
Tabel 2 Perbandingan kandungan asam amino untuk rambut manusia, bulu burung, chelonia, sisik
trenggiling, buih, dan ular (dalam % berat)
�
����
�
(busa) terjepit di antara keduanya seperti ditunjukkan secara skematik pada Gambar 11b.
Penampang melintang di daerah terjepit sel ini ditunjukkan magnif pada Gambar 11c,
sedangkan Gambar 11d mengilustrasikan struktur biomimetik yang meniru arsitektur ini.
Osteoporosis memiliki jahitan di antara keduanya yang terdiri dari serat kolagen non-
termineralisasi yang saling menyatukannya. Sandwich tempel yang diilustrasikan pada
Gambar 11 Struktur kerang Chelonia (kura-kura). (a) Kura-kura dengan sisik
piramidal. (b) Struktur sel dalam penampang melintang. (c) penampang
melintang Shell (carapace) yang menunjukkan struktur lapisan. (d) Biomimik seluler
�
�
����
�
Gambar 11b mengemulasi tulang dengan bahan modulus yang lebih keras dan lebih tinggi
(20 GPa) yang mengepak area busa lunak dengan modulus 1 GPa.
Seperti kura-kura, kapel armadilloshavea terbagi menjadi lima wilayah yang berbeda.
Lapisan atas karapas armadillo ditutupi dengan lapisan �-keratin coklat tua, di bawahnya
adalah susunan ubin tulang yang disusun dengan baik dan dipadukan bersama oleh serat
kolagen yang disebut serat Sharpey. . Seperti yang ada di dalam karapas kura-kura, mereka-
yang mineralizedcollagen. Sekalipun ada beberapa tanaman yang tertinggal dalam jarak
kurang dari 0,05 sampai 1,5 m, semuanya terjadi bersamaan pada dasawarsa berikutnya.
Dasypus novemcinctus yang beratnya sekitar 6 kg. Armadillo, ketika diancam, membalut-
nutupi konfigurasi serupa di depan dan di bawah komando.
Gambar 12 trenggiling lapis baja (a). (b) menunjukkan struktur skala
yang diperbesar. (c) menunjukkan lidah lengket yang panjang untuk
memungut semut atau rayap. (d) menggambarkan posisi bola
pelindung trenggiling. (e) mengilustrasikan mantel trenggiling yang
dipresentasikan kepada Raja George III yang dipamerkan di Royal
Armouries, Leeds, Inggris
�
���
�
Tidak seperti armadillo, trenggiling Asia dan Afrika adalah mamalia bersisik yang
memakan semut dan rayap. Hal ini dapat dibandingkan dengan pemakan semut lainnya yang
terkenal di seluruh dunia, termasuk aardvark. Trenggiling, seperti yang diilustrasikan pada
Gambar 12, memiliki skala �-keratin besar seperti ditunjukkan pada Gambar 12b yang secara
bergantian tumpang tindih pada reguler arsitektur skala banyak hewan dan serangga lainnya.
Lidah lengketnya yang panjang (Gambar 12c) memungkinkannya menangkap semut dan
rayap di sarang mereka. Mereka bisa, seperti armadillo, meringkuk menjadi bola untuk
perlindungan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12d. Lapisan sisik pangolin yang
ditunjukkan pada Gambar 12e dibuat di India pada awal abad kesembilan belas dan
dipresentasikan kepada Raja George III pada tahun 1820 oleh Francis Rawdon, Marquis
Hastings pertama yang adalah Gubernur Jenderal India Timur di Bengal dari tahun 1812
sampai 1822. Timbangan itu dihiasi daun emas. Mantel ini dipajang di Royal Armouries,
Leeds, Inggris.
Seperti yang diilustrasikan pada Tabel 2, timbangan trenggiling kaya akan
glisin, tirosin, arginin, asam glutamat, dan residu asam amino prolin yang khas dari keratin �
dan �-keratin. Tong et al. (1995) telah mencatat dalam analisis perilaku trah pangolin bahwa
elastisitas dan plastisitas �-keratin lebih besar dari pada �-keratin, dan pemanjangan spesifik
keratin-� adalah 100% sedangkan keratin � adalah mendekati nol, namun pemanjangan skala
trenggiling diamati 15%, menunjukkan secara proporsional �-keratin lebih banyak daripada
�-keratin. Skala trenggiling yang ditunjukkan pada Gambar 12b memiliki permukaan
bergelombang yang timbul dari serat �-keratin yang berorientasi.�Skala ini menunjukkan tepi
tajam saat trenggiling meringkuk seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12d. �-Keratin
juga mendominasi struktur penguatan untuk tanduk dan kuku. Gambar 13 mengilustrasikan
bagian skematik yang mewakili komponen biologis ini. Struktur hirarkis terdiri dari tubulus
dan struktur laminasi. Pewarnaan antara sekitar 7 nm dengan diameter yang terdiri dari helai
ari-keratin twisted tertanam dalam matriks amorf, dan lipatan ini meluas dari satu fl pada
lamella ke yang lainnya. Tubulus panjang memperpanjang panjang tanduk atau kuku
diselingi antara lamellae. Ini menghasilkan komposit berlapis 3D yang terdiri dari keratin
fibergida kristal, tertanam dalam matriks keratin amorf. Struktur Hoof memiliki tubulus elips
pada bahan sela tanpa struktur laminar seperti yang ditunjukkan pada karakteristik tanduk
pada Gambar 13.
�
����
�
Skala Non Keratin dan Komposit Exoskeleton Serangga
Skala ikan memberikan perlindungan dan perlindungan lingkungan dari predator seperti
halnya timbangan di atas tanah yang ditumbuk di atas tungku. Bagaimanapun, struktur laminar berkualitas tinggi, tetapi juga bahan yang menyusun struktur ini adalah serat kolagen
dan kristal hidroksiapatit yang kaya kalsium. Serat ini berbentuk packedlamella (orlamina)
padat dengan berbagai orientasi yang sama sekali berbeda secara keseluruhan pada Fig.14.
Gambar 14a menunjukkan elemen struktur 0 -90 -0 yang ideal yang terdiri dari serat kolagen
yang terdinding membentuk struktur kayu lapis yang disebut (lihat Gambar 15 di bab "Contoh Komposit Alam dan Struktur Komposit"). Gambar 14b menunjukkan gambar TEM
dari penampang sisik mayor Pagrus mayor (sea bream) (Chen et al 2012), sedangkan Gambar
14c menunjukkan gambar SEM serupa yang menunjukkan serat kolagen pada permukaan
rekahan timah demineralisasi dari Arapaimas gigas, sebuah ikan air tawar di danau cekungan
Amazon yang beratnya bisa mencapai 200 kg. Gambar 14d menunjukkan struktur lapisan lamina yang lebih umum dan juga struktur token Bouligand atau struktur kayu lapis yang
bengkok (Gbr.14a). Senyawa-senyawa yang terkandung di dalam selulosa pada Serpih terdiri
dari serat yang terdiri dari untaian. Dimensi yang ditunjukkan pada Gambar 14a perubahan
untuk
Gambar 13 Gambaran skematik yang menunjukkan hierarki tanduk struktur umum
(tanduk domba bighorn khusus). Tubulus eliptik �-keratin tertanam dalam matriks
laminar amorf berbasis protein (keratin). Panah bertanda L mengilustrasikan beban
tekan terapan yang bekerja pada tanduk atau kuku. Struktur Hoof serupa
�
����
�
berbagai jenis ikan dan dimensi skala yang besar untuk ikan besar seperti gigitan Arapaimas, dan menjadi sangat kecil untuk ikan yang sangat kecil.
Arthropoda exoskeleton (krustasea) dan serangga seperti belalang (belalang) juga
memiliki komposit biologis laminasi yang mirip dengan sisik ikan, namun agak lebih
kompleks, dan terdiri dari kitin seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar 15.�-
Kitin. serat nano termasuk serat alami yang paling kaku, memiliki modulus Young dari 40 GPa (Chen et al 2012). Rantai kitin polimer yang diilustrasikan pada Gambar 15a bentuk-
bentuk yang membentuk struktur Bouligand pada lapisan epodiak dan malam, sementara
lapisan hari bergantian pada endokutikel dicirikan oleh parut paralel seperti ditunjukkan pada
Gambar 15b. Strukturnya juga mengandung kanal pori atau tubulus berongga yang bergabung
dengan sel epidermis ke epicuticle dan mengangkut wax ke epicuticle untuk memastikannya tahan air.
Gambar 14 Komposisi timbangan ikan, (a) Skema yang menunjukkan struktur hierarki
dari skala yang terdiri dari serat karbon yang membentuk serat kayu lapis (a). (B)
menunjukkanTimensi dari persilangan yang ditunjukkan pada (a). (c) menunjukkan citra
SEM dari kolangka lamellae yang berorientasi pada 75. (d) menunjukkan struktur
lamina yang lebih umum yang dapat mewakili skala mikro (AdaptedfromChenet al.
(2012))
�
���
�
Crustacea. Dalam hal strukturnya seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15a, kitin dapat
dibandingkan dengan selulosa, sedangkan dalam konteks fungsinya, kitin sebanding dengan
keratin. Gambar 16 mengilustrasikan perbandingan struktur molekul (monomer) ini. Struktur
keratin yang ditunjukkan pada Gambar 16c menggambarkan molekul primitif yang menjadi
semakin kompleks saat kelompok R ditambahkan.
Gambar 15 Skema representasi komponen struktural exoskeleton serangga. (a) Monomer
molekul molekuler yang membentuk rantai polimer yang membentuk chitin fi brils (b)
pada lapisan endokutikel malam hari dan hari (c). Lapisan akhir malam disusun dalam
struktur kayu lapis yang bengkok, sementara lapisan hari disusun secara paralel. Kanal /
tubulus pori juga ditunjukkan melintasi lapisan sel (c) diadaptasi dari Chen et al. (2012))
�
����
�
Novel Shell Armor
Meskipun kita telah membahas struktur komposit untuk kerang moluska dan mutiara di bab
" Pasukan Kimia: Molekul," mungkin menarik untuk memperluas masalah ini karena
berkaitan dengan struktur kerang (gastropoda) yang diamati dalam penelitian baru-baru ini,
terutama dalam konteksnya. dari armor (Yao et al., 2010). Ballarini dan Heuer (2007) baru-
baru ini mengilustrasikan bahwa kerang ratu (Strombus gigas) tidak hanya telah melintasi
lapisan kristal arliar lamellar, namun aragonite terjadi pada dasarnya.
Gambar 16 Struktur molekul komparatif dari (a) kitin, (b) selulosa, (c) keratin�
�
����
�
jarum kristal yang dilapisi dalam selubung protein dan ditumpuk atau dibundel menjadi balok
yang pada gilirannya dibentuk menjadi lembaran lamrelar aragonite dan matriks protein
organik. Gambar 17 dari bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri" menunjukkan
cangkang kerang beserta gambaran skematis dari struktur lamellar organik arang komposit.
Dapat dicatat bahwa sementara lempeng-lempeng tersebut mengubah orientasi kristal di
setiap lapisan lempeng, lempeng-lempengan tumpang tindih juga saling silang di lempeng-
lempeng yang berdekatan. Kompleks arsitektur komposit ini memiliki beberapa kesamaan
dengan arsitektur kolagen beriringan pada Gambar 14a.
Kebaruan struktur kompleks ini (Gambar 17) adalah kemampuannya untuk menangkap
retakan selain kekuatan dan ketangguhan yang terkait. Percobaan telah menyarankan bahwa
pekerjaan fraktur (atau ketangguhan) kerang kerang kira-kira 1.000 kali lebih besar dari pada
mineral aragonit dengan sendirinya.
Dalam studi yang lebih baru tentang cangkang bekicot bersepatu C. squamiferum, moluska gastropoda yang ditemukan di ladang ventilasi hidrotermal Kairei India, strukturnya
Gambar 17 Struktur kerang. Alternate plate arrays terdiri dari jarum kristal
aragonite yang disarungkan dalam protein organik (Diadaptasi dari Ballarini
dan Heuer (2007)) �
�
����
�
diamati memiliki arsitektur berlapis-lapis yang terdiri dari lapisan luar terberat besi yang
berasal dari mineral (OL ), diikuti oleh lapisan tengah organik (conchiolin-based) (ML) yang
berpindah ke lapisan dalam yang sangat padat (IL) (Yao et al., 2010). Gambar 18 mengilustrasikan arsitektur armor kerikil berlapis multilayer ini. OL pada Gambar 18 adalah
tebal 30 �m dan terdiri dari antarmuka komposit Fe3S4 yang mengarah ke daerah organik
sepenuhnya. Daerah ini diikuti oleh IL yang 250 �m dan transisi dari bahan organik ke
struktur kapur, kalsit, CaCO3 diperkirakan memiliki fitur platelike tidak beraturan. Arsitektur
ini (Gambar 18) seperti itu untuk kulit kerang pada Gambar 17 secara efisien menghilangkan energi perambatan retak dan retak pada lapisan, terutama pada matriks
Mungkin diingat bahwa kekuatan material adalah ukuran gaya per satuan luas (atau
tegangan, �) dapat menahan sementara ketangguhan adalah ukuran dari jumlah
Gambar 18 Skema tampilan bagian shell melengkung dari C. squamiferum. Lapisan kulit terluar (OL) terdiri dari nanopartikel Fe3S4 di tepi luar yang
tertanam pada protein yang membentuk lapisan tengah (ML). Lapisan kulit
dalam (IL) dinilai dari protein ML sampai kalsit dan dalam beberapa kasus
aragonit di tepi dalam. Kelengkungan shell juga meningkatkan kekakuan eksoskeletal dan mengurangi beban tarik pada kulit dalam (Diadaptasi dari Yao
et al. (2010))
�
�
����
�
kerja atau energi yang dibutuhkan untuk memecahkan material atau untuk memecahnya
dengan catastrophically. Sejalan dengan itu, untuk kompleks komposit kerang yang
diilustrasikan pada Gambar. 17 dan 18, ketangguhan dimaksimalkan. Hal ini karena selembar lembaran lamella berada pada sudut kanan atau sudut yang berbeda, dan retak karenanya
hanya bisa menyebar melalui material dengan mengikuti jalur yang sangat tidak beraturan
yang membutuhkan lebih banyak energi. Dari prinsip-prinsip awal, ingatlah bahwa kondisi
Grif menunjukkan bahwa tekanan fraktur
(1)
Dimana � adalah energi bebas fraktur, E adalah kekakuan atau modulus Young, dan c adalah
panjang retak dan merupakan karakteristik dari ukuran retak. Dalam pengertian teknik, ketangguhan bahan pada umumnya berskala dengan daerah di bawah kurva tegangan-
regangan. Ini mewakili energi elastis dan plastik yang dikeluarkan. Mungkin diingat dari
Bagian V bahwa kita membahas energi elastis dalam hal �y�y / 2. Akibatnya, energi total
hanya berhubungan dengan ��, di mana � dapat didefinisikan sebagai regangan fraktur sejati:
�¼�F. Demikian pula, tekanan pada fraktur dapat didefinisikan sebagai � ¼ �F. Ketangguhan, Jc, kemudian didefinisikan sebagai Jc ¼ �F�F. Namun, ukuran besarnya
medan tegangan di daerah ujung retak disebut faktor intensitas tegangan, dilambangkan
dengan K atau Klc, dimana
(2)
Or
(3)
�
����
�
Gambar 19 Elastin. (a) unit struktur molekul. (b) Skema struktur rantai
elastin. (c) Uncoiling molekul elastin saat diregangkan. Saat gaya
peregangan santai, ia akan mundur secara spontan. (d) gambar SEM dari
serat elastin
�
����
�
Di Pers. 1, panjang retak (setengah) adalah takik mesin awal dari spesimen uji benturan:
(4)
dimana � adalah konstanta geometris. Tapi, seperti yang diilustrasikan, Pers. 3 adalah ukuran
ketangguhan retak, ukuran yang berbeda dari ketangguhan. Ketangguhan retak, meski terkait
dengan ketangguhan, menggambarkan kemampuan material yang mengandung retak untuk
menahan patah tulang. Ini memiliki satuan MPa mp berbeda dengan J / m3 untuk
ketangguhan
Struktur Elastin dan Fungsi
Elastin adalah polipeptida alami dengan sifat dan fungsi elastomer yang berbeda. Ini
berfungsi penting di arteri dan pembuluh darah elastik yang lebih besar seperti aorta. Ini juga
berfungsi di jaringan paru-paru dan terutama kulit dimana memungkinkan kulit meregangkan dan secara elastis rileks ke posisi semula. Ini terlibat dalam jaringan lunak organ dalam dan
ligamen elastis lainnya. Fibrillin juga membentuk serat elastis yang biasanya mengandung
elastin 75%. Residu asam amino mayor meliputi glisin (32%), alanin (21%), prolin (13%),
dan valin, serta lisin (lihat Gambar 1 di bab "Struktur dan Fungsi Virus dan Bakteri") yang
melintang - menghubungkan rantai molekul saat diregangkan. Elastin sering digambarkan
sebagai polimer amorf karena tidak memiliki struktur sistematik atau bahkan semi-sistematis
atau susunan molekul. Sebagai polimer rantai panjang (Gambar 19a), tampak seperti yang
ditunjukkan secara skematis pada Gambar 19b. Ketika struktur rantai polimer cross-linked ini diregangkan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 19c, ia membentuk untaian linier
namun bila gaya peregangan atau tegangannya rileks, segmen rantai linier kembali ke
struktur polimer tidak beraturan (amorf) yang ditunjukkan pada Gambar 19b. . Sifat elastin
mirip dengan karet atau bahan polimer terkait yang tersirat dalam gambar SEM dari serat
elastin yang ditunjukkan pada Gambar 19d.
Elastin berfungsi dalam konser dengan kolagen yang memberikan kekuatan atau
kemampuan untuk berhubungan dengan organ atau jaringan organ tubuh. Berbeda dengan
serat kolagen yang memiliki modulus elastik (Young's) nominal 1 GPa, elastin memiliki
modulus hanya 0,3-1,5 MPa. Namun, regangannya melebihi 2%, sementara strain kolagen
hanya satu per dua puluh dari nilai ini. Elastin diproduksi hanya sampai usia 12 tahun pada manusia dan kemudian tubuh berhenti memproduksinya, seringkali berakibat pada penurunan
seiring bertambahnya usia. Selain itu, kerusakan elastin terjadi akibat paparan radiasi UV dan
efek penuaan.
�
���
�
Perbandingan Sifat Material dan Material Biologis (Alami)
Isi
Pengenalan ......................................................................................................................... 571
Contoh dan Tabel Ringkasan ............................................................................................. 572
Referensi ............................................................................................................................ 577
Abstrak
Perbandingan sifat material untuk material alami (biologis) dan bahan rekayasa dilakukan
dengan mereproduksi plot atau diagram Ashby: Modulus Young versus kepadatan,
ketangguhan, ketangguhan retak, dan kekuatan, bersama dengan modulus spesifik (atau
kekakuan) dan kekuatan spesifik.
Pengenalan
Meskipun mungkin agak jelas atau bahkan intuitif bahwa bahan biologi memiliki kesamaan
dan perbedaan yang sama dengan bahan teknik, mungkin berguna untuk menarik beberapa
perbandingan visual sebelum membahas biomimetika atau biomimikri yang terkait dengan
inovasi dalam struktur atau fungsi material yang diilhami oleh alam. (Benyus 1997). Format
yang mudah digunakan untuk perbandingan semacam itu terkandung dalam apa yang disebut
peta Ashby, serupa dengan konsep peta mekanisme deformasi yang digambarkan pada
Gambar. 5a dan b di bab "Contoh Struktur Kristal Langsung: Aplikasi Komponen Turbin Gas
di Superalloy". Peta ini memusatkan sejumlah besar informasi ke dalam diagram grafik
sederhana (Ashby 1992) yang telah diperluas ke bahan biologis oleh Wegst dan Ashby
(2004). Sifat-sifat minat dan perbandingan termasuk kepadatan, modulus Young, kekuatan,
dan ketangguhan. Hubungan timbal balik dari sifat-sifat ini menghasilkan perbandingan yang
berguna terutama dalam konteks alat perancangan dan pembuktian inovasi yang terkait
dengan biomimikri
�
����
�
Contoh dan Tabel Ringkasan
Gambar 1a memberikan perbandingan grafis modulus Young versus densitas untuk komposit
alam dan teknik, sementara kontras Gambar 1b membandingkan ketangguhan retak dan
modulus Young. Gambar 2 menunjukkan, berbeda dengan Gambar 1a, modulus Young versus densitas yang menekankan bahan teknik, namun
Gambar 1 Plot Ashby untuk bahan biologis (a) modulus
Young versus densitas dan (b) ketangguhan versus modulus
Young (Diadaptasi dari Ashby 1992; Wegst dan Ashby
2004)
