Keramik RekayasaPendahuluanMaterial keramik didefinisikan sebagai material inorganic non logam, yang tersusun dari gabungan unsur logam dan non logam yang melalui proses pembakaran pada suhu sangat tinggi sampai terjadi vetrifikasi. Penggunaan keramik dalam kehidupan manusia telah dikenal sejak zaman mesir kuno sebagai peralatan rumah tangga, namun demikian saat ini penggunaan keramik sebagai material engineering telah berkembang secara pesat. Keramik memiliki sifat-sifat unggul yang tidak dimiliki oleh bahan lainnya, diantaranya ketahanan terhadap reaksi kimia dan suhu kerja yang sangat tinggi. Berbeda dengan keramik tradisional keramik rekayasa memiliki banyak sifat yang beragam sehingga memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai bahan teknik yang lebih luas. Sifat sifat unggul keramik rekayasa diantaranya: kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah. Tahan korosi Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik Keras dan kuat, namun rapuh. Metode dan bahan untuk membuat keramik rekayasa juga berbeda dengan keramik tradisional. Pada keramik tradisional bahan baku keramik merupakan senyawa oksida kompleks yang didapat dari penambangan mineral alam. Pada keramik modern bahan baku keramik merupakan senyawa senyawa oksida nitrida atau karbida yang biasanya berupa serbuk yang halus dengan kemurnian yang tinggi. Penambahan senyawa logam dan non logam lain juga dimungkinkan untuk membantu proses manufacturing keramik serta mendukung karakter keramik yang ingin dicapai.

Gambar 1 : Penggolongan keramik berdasarkan system aplikasinyaBahan Keramik RekayasaKeramik modern atau biasa disebut keramik teknik, advanced ceramic, engineering ceramic, techical ceramic adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti oksida logam (Al2O3, ZrO2, MgO,dll). Sangat umum digunakan sebagai elemen pemanas, semikonduktor, komponen turbin, pada bidang medis dan sebagainya.Keramik modern mempunyai keunikan atau sifat yang menonjol yang tahan terhadap temperatur tinggi, sifat mekanis yang sangat baik, sifat elektrik yang istimewa, tahan terhadap bahan kimiawi. Keramik modern tersebut adalah sebagai berikut: Keramik oksida murni yang digunakan sebagai alat listrik khusus dan komponen peleburan logam. Oksida yang umum digunakan adalah alumina (Al2O3), Zirconia (ZrO2), Thoria (ThO2), Berillia (BeO), Magnesia (MgO), Spinel (MgAl2O4) dan Forsterit (Mg2SiO4). Keramik elektrooptik seperti Lithium Niobate (LiNbO3) dan Lanthanum Zirconat Titanat (PLZT) memberikan sebuah media yang dapat merubah informasi elektrik menjadi informasi optik atau yang dapat menggerakkan fungsi optik dengan perintah dari sinyal elektrik. Keramik magnetik dengan komposisi dan penggunaan yang bervariasi telah dikembangkan. Bahan ini merupakan bahan dasar dari unit memori magnetik pada komputer yang besar. Keunikan sifat elektriknya terutama digunakan pada aplikasi elektronik gelombang mikro frekuensi tinggi. Kristal tunggal dari berbagai jenis bahan sekarang mulai diproduksi untuk mengantikan kristal alami. Rubi dan kristal laser garnet dan tabung sapir dan substrat (substrate = sejenis semikonduktor) dikembangkan dari sebuah peleburan: kristal kwarsa (quartz) yang besar dikembangkan dengan proses hidrotermal. Keramik nitrida untuk refraktori (refractory = bahan tahan api), dan turbin gas Enamel untuk aluminium pada industri arsitektur Komposit logam-keramik untuk refraktori Keramik karbida untuk bahan abrasif (abrasive = bahan penghalus permukaan) Keramik borida untuk kekuatan dan temperatur tinggi, tahan terhadap oksidasi Keramik feroelektrik (barium titanat) mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi Gelas-gelas nonsilika misal transmisi infra merah, peralatan semi konduktor Penyaring molekuler (molecular sieves) Keramik gelas Polikristal bebas oksida dibuat berbahan baku pada alumina, yttria, dan spinel

Bahan bahan yang umum dignakan daam proses pembuatan keramik adalah sebagai berikut :Mineral : Ambligonit - Dolomit (CaMg(CO3)2) - Andalusit (Al2O3.SiO2) - Felspar - Anhidrit (CaSo4) - Florspar - Apatit - Halosit (Al2O3.2SiO2.xH2O) - Badeleyit - Nephelin (K2O.3Na2O.4Al2O3.9SiO2) - Bola lempung (Ball Clay) - Nephelin sienit - Barit (BaSO4) - Potas (K2O) - Bauksit - Piropilit (Al2O3.4SiO2.H2O) - Bentonit (Al2O3.5SiO2.7H2O) - Rutil (TiO2) - Beril (3BeO.Al2O3) - Silimanit (Al2O3.SiO2) - Lempung (clay) - Talek (3MgO.SiO2.H2O) - Kaolin (Al2O3.2SiO2.2H2O) - Wolastonit (CaSiO3) - Diatomit - Zeolit

Gambar 2 : Penggolongan keramik berdasarkan system komposisinya

Oksida Sederhana : Alumina (Al2O3) - Hafnium Oksida - Besi Oksida (Fe2O4) - Aluminium Titanat (Al2O3.TiO2) - Antimoni Oksida - Timbel Oksida - Barium Ferit - Timbel Titanat - Barium Titanat - Lithium Oksida - Berilium Oksida - Magnesium Oksida - Bismut Oksida - Silikon Oksida - Thorium Oksida - Kalsium Titanat (batu gamping) - Kalsium Oksida - Timah Oksida - Kromium Oksida - Titanium Oksida - Germanium Oksida

Oksida Komplek dan Silikat : Kalsium Aluminat Semen - Kordirit (2MgO.2Al2O3.5SiO2) - Natrium Silikat (Na2O.xSiO2) - Natrium Fosfat (Na4P2O7 = sodium fosfat) - Forsterit (2MgO.SiO2) - Spinel (MgO.Al2O3) - Hidrosiapatit (Ca(PO4)3OH) - Spodumen (Li2O.Al2O3.4SiO2) - Magnesium Fosfat (Mg2P2O8) - Keramik Superkonduktor (YBa2Cu3O7) - Mulit (3Al2O3.2SiO2) - Strontium Titanat (SrTiO3)

Non Oksida (Karbida, Nitrida, Borida, logam senyawa (intermetallics) Boron karbida (B4C) Kromium Karbida (Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2) Silikon Karbida (SiC) Titanium Karbida (TiC) Aluminium Nitrida (AlN) Boron Nitrida (BN) Silikon Nitrida (Si3N4) Sialon (Si3N4.Al2O3.AlN) Titanium Borida (TiB2)

Penambah (additives) : Antimoni Sulfat (Sb2S3) - Tembaga Oksida (Cu2O, CuO) - Arsenik Oksida (As2O3) - Deflokulan (dispersants) - Pengikat (binders) - Pelumas (lubricants) - Serium Oksida (CeO2) - Mangan Oksida (MnO) - Asam Sitrat (C6H8O7) - Polietilin Glikol - Tembaga Karbonat (CuCo3.Cu(OH)2) - Natrium Karbonat (Na2CO3, abu soda) - Kobalt Oksida (Co2O3, CoO)

Lain-lain : Barium karbonat (BaCO3) - Enamel gelas - Barium Aluminat (3BaO.Al2O3) - Timbel Karbonat (2PbCO3.Pb(OH)2) - Glasur - Abu Tulang (4Ca3(PO4)2.CaCO3) - Grog - Gipsum (CaSO4.0,5H2O) - Frit - Litium Karbonat (Li2CO3) - Flin (SiO2) - Magnesium Karbonat (MgCO3) - Fluk - Sriolit (Na3AlF6)

Keramik Sebagai Bahan KonduktorKeramik pada umumnya dianggap memiliki kemampuan konduktifitas elektrikal yang buruk sehingga dimanfaatkan sebagai isolasi listrik. Dari awal ketika pertama kali kabel digunakan sebagai penghubung telegram, keramik porselen digunakan sebagai penopang dan isolator pada tiang tiang penyangga kabel, hingga sekarang isolator jenis ini masih digunakan sebagai isolator tiang tiang listrik. Meskipun kemampuan keramik sebagai isolator elektrik merupakan sifat yang penting ternyata banyak bahan keramik yang merupakan konduktor yang baik bahkan diantaranya bersifat super konduktor. Keramik merupakan jenis material yang memiliki propertis elektrik dengan rentang nilai yang sangat luas dibandingkan dengan material yang lain. Gambar 3 menunjukkan keberagaman nilai konduktifitas yang dimiliki oleh keramik.Mekanisme konduktifitas yang menyebabkan sifat elektrik keramik bisa sangat rumit, ada banyak parameter yang mempengaruhi nilai konduktifitas keramik ini. Pergerakan dari electron, lubang lubang antar molekul, ion, dan juga gabungan dari ketiganya akan sangat mempengaruhi aliran arus listrik yang dapat melewati material. Pada keramik super konduktor, arus listrik akan dibawa oleh pasangan electron (Cooper pairs).

Mekanisme Konduksi KeramikKonduktifitas elektrik dapat disimpulkan sebagai besaran yang menunjukan kemampuan material untuk menghantarkan muatan pada jarak dan tegangan tertentu. Secara matematis ditulis sebagai . Dimana n merupakan jumlah muatan dan adalah mobility, yaitu kemampuan muatan untuk berpindah. Dalam hal ini variabel variabel seperti komposisi, struktur Kristal keramik, serta temperature akan sangat berdampak pada nilai n dan . Jika suatu keramik adalah sebuah konduktor electron, maka untuk mengetahui nilai n kita harus dapat mengetahui nilai Eg yaitu band gap energy. Jarak ikatan electron dikategorikan menjadi nol, sempit, dan lebar. Semakin kecil nilai band gap Energi makin mudah electron terlepas sehingga aliran electron semakin mudah terjadi. Pada logam nilai Eg tidak sama dengan nol, melainkan sangat kecil sehingga logam bersifat konduktor. Jika nilai Eg sama dengan nol maka electron mampu bergerak meskipun pada kondisi 0 K, kondisi ini yang membuat suatu material disebut sebagai super konduktor.

Gambar 3. Rentang konduktivitas elektrik keramik

Gambar 4. Ilustrasi perbandingan energy celah ikatan

Tabel 1. Symbol dan besaran parameter yang digunakan pada mekanisme konduktansi

Tabel 2. Energi celah ikatan berbagai keramik

Berdasarkan nilai Eg keramik dapat digolongkan menjadi Keramik dengan konduktasi menyerupai logam Keramik semi konduktor Keramik isolator Keramik super konduktor