Pelajari tentang komposit serat aramid, termasuk ketahanan terhadap benturan, sifat ringan, kekakuan, ketahanan terhadap abrasi, dan aplikasi militer serta industri utama.
Serat aramid, juga dikenal sebagai "poli(p-fenilena tereftalamida)," memiliki sifat yang sangat baik seperti kekuatan sangat tinggi, modulus tinggi, tahan suhu tinggi, tahan asam dan alkali, serta ringan. Serat aramid berhasil dikembangkan dan dikomersialkan pada tahun 1960-an oleh DuPont (dengan nama dagang Kevlar), dan oleh karena itu, sebelum munculnya serat karbon, serat aramid mendominasi pasar serat berkinerja tinggi.
1. Sejarah Singkat Perkembangan Serat Aramid
Pada tahun 1960an, DuPont menjadi perusahaan pertama di dunia yang memperkenalkan dan memproduksi serat aramid dengan merek dagang terdaftar Kevlar. Serat aramid telah dijual di pasaran sejak tahun 1973. Aramid ditemukan oleh ahli kimia wanita kelahiran Polandia, Stephanie Kwolek, yang sedang melakukan penelitian dengan harapan menemukan bahan yang ringan dan sangat kuat untuk menggantikan nilon dalam pembuatan ban.
Penemu serat Kevlar – ahli kimia wanita kelahiran Polandia Stephanie Kwolek
Saat ini, material komposit aramid yang paling terkenal adalah serat Kevlar DuPont. Seiring berjalannya waktu, pemasok lain juga memasok aramid dengan nama dagang berbeda, termasuk: Nomex dari DuPont, Twaron dan Technora dari Teijin di Jepang, Arawin dari Toray di Korea Selatan, Kolon dari Heracron di Korea Selatan, dan beberapa produk dari perusahaan Tiongkok.
Oleh karena itu, bahan apa pun yang disebut Kevlar, Twaron, atau Nomex sebenarnya mengacu pada aramid, yang memiliki sifat khusus, termasuk ketahanan benturan dan abrasi yang sangat baik, tahan suhu tinggi, dan bobot rendah. Karena karakteristiknya tersebut, bahan ini sering digunakan dalam angkatan darat, angkatan udara, olah raga air, dan olah raga motor, serta dalam pembuatan ban, pakaian, sarung tangan pelindung, dan banyak kegunaan lainnya.
Sarung tangan pelindung terbuat dari bahan serat aramid
2.1 Dampak Tinggi dan Ketahanan Retak
Serat aramid memiliki ketahanan benturan yang sangat baik dan tidak retak di bawah tekanan karena ketangguhannya dan kemampuannya menyerap energi dalam jumlah besar. Ini banyak digunakan dalam pembuatan rompi antipeluru, perahu, kayak, dan baju besi untuk komponen kendaraan militer. Ketahanan benturan komposit serat aramid lima kali lipat dari komposit serat karbon (diuji menggunakan metode tumbukan jatuhkan). Ketahanan benturan atau kemampuan antipeluru yang luar biasa ini disebabkan oleh rantai atom panjang yang membentuk struktur aramid.
Mengingat sifat ketahanan benturannya yang sangat baik, serat aramid banyak digunakan dalam aplikasi militer untuk pembuatan rompi antipeluru dan bahan pelindung tank. Rompi antipeluru biasanya terbuat dari bahan yang terdiri dari lusinan lapisan aramid (seperti Kevlar), dengan pelat keramik di antara dua lapisan. Perisai pelindung yang digunakan pada beberapa kendaraan lapis baja terbuat dari bahan baja-aramid, yang dapat menahan rudal anti-tank dengan diameter hingga 700mm.
Serat aramid banyak digunakan dalam rompi antipeluru.
Selain melindungi tank itu sendiri, perisai baja-aramid juga melindungi awak dengan menyerap energi kinetik yang dihasilkan oleh penetrasi rudal. Penerapan Kevlar lainnya adalah pada Boeing AH-64, helikopter serang militer AS yang dilengkapi baling-baling Kevlar. Di sini, Kevlar memberikan perlindungan terhadap peluru dengan diameter hingga 23 mm.
Serat aramid memberikan perlindungan antipeluru untuk helikopter.
Karena ketahanannya terhadap benturan yang tinggi, Kevlar banyak digunakan dalam konstruksi perahu dan kayak, seperti lambung kapal pesiar yang dirancang untuk Volvo Ocean Race, salah satu tantangan olahraga paling berat. Kebanyakan kayak berperforma tinggi untuk olahraga air terbuat dari serat aramid atau bahan komposit serat karbon/serat aramid.
Serat aramid melindungi kayak dari kerusakan.
2.2 Kepadatan Rendah/Berat Rendah
Serat aramid memiliki bobot yang sangat rendah, yang merupakan keunggulan dalam pembuatan material komposit. Meskipun komposit serat karbon sendiri dianggap sangat ringan, komposit serat aramid kira-kira 20% lebih ringan dibandingkan komposit serat karbon. Penggunaan kain aramid pada material komposit meningkatkan ketahanan benturan dan ketahanan aus, serta mengurangi bobot komponen komposit.
Kepadatan serat aramid sekitar 1,45 g/cm³, sedangkan kepadatan bahan komposit resin aramid-epoksi sekitar 1,3 g/cm³. Perhitungan ini didasarkan pada kepadatan campuran resin epoksi dan pengeras (~1,1 g/cm³) dan teknologi canggih yang digunakan dalam produksi material komposit, yaitu prepreg autoklaf. Meskipun komposit serat karbon, yang umumnya dianggap sangat ringan, memiliki kepadatan sekitar 1,55 g/cm³, komposit serat aramid 20% lebih ringan.
Bagaimana bobot komposit serat aramid dibandingkan dengan logam? Aluminium 2,7 g/cm³, titanium 4,5 g/cm³, dan baja 7,9 g/cm³. Oleh karena itu, komposit serat aramid dua kali lebih ringan dari aluminium, tiga atau empat kali lebih ringan dari titanium, dan enam kali lebih ringan dari baja.
2.3 Kekakuan Sedang, Antara Serat Kaca dan Serat Karbon
Komposit serat aramid memiliki kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan komposit serat kaca, namun secara signifikan lebih rendah dibandingkan komposit serat karbon. Mirip dengan serat karbon, serat aramid hadir dalam berbagai jenis, termasuk serat modulus standar, sedang, dan tinggi, yang menawarkan kekakuan dan kekuatan berbeda.
Kekakuan berbagai jenis serat ditunjukkan di bawah ini:
Kain serat kaca – mulai dari 72 GPa (kaca E standar) hingga 87 GPa (kain kaca berkekuatan yang diperkuat S);
Kain serat karbon – dari 230 GPa (Toray T300) hingga 588 GPa (Toray HM grade M60J);
Kain serat aramid – dari 96 GPa (aramid standar, yaitu Kevlar 129) hingga 186 GPa (aramid yang digunakan dalam industri pesawat terbang/dirgantara, yaitu Kevlar 149).
Singkatnya, komposit aramid yang terbuat dari kain standar memiliki kekakuan 30-40% lebih tinggi dibandingkan komposit serat kaca, namun 50% lebih rendah dibandingkan komposit serat karbon.
2.4 Ketahanan Abrasi
Komposit serat aramid telah banyak digunakan pada komponen yang rentan aus, seperti pelat selip yang melindungi mesin mobil balap. Aramid umumnya digunakan dalam industri ekstraktif (seperti pertambangan) untuk memperkuat ban berjalan karet, memastikan kekuatan dan ketahanan abrasi yang lebih tinggi. Menurut produsen Kevlar, tulangan ini mampu meningkatkan ketahanan abrasi hingga 50-70%. Karena sifat ini, bahan tersebut dapat digunakan dalam komposit serta pakaian kerja, seperti sarung tangan keselamatan tahan potong yang menggunakan kain aramid seperti Twaron atau Kevlar. 2.5 Konstanta Dielektrik Rendah
Komposit serat aramid memiliki konstanta dielektrik rendah sekitar 3,85 (pada 10 GHz), memastikan penetrasi dan kekuatan sinyal yang baik melalui penutup/radome pelindung aramid. Antena jenis ini banyak digunakan untuk keperluan militer, seperti pada pesawat militer.
Serat aramid digunakan dalam radome militer
Casing/radome komposit serat aramid melindungi antena dari kerusakan dan memastikan kinerja sinyal yang baik. Sebaliknya, komposit serat E-glass menawarkan konstanta dielektrik sebesar 6,1 (pada 10 GHz), sehingga menghasilkan pengurangan daya dan kinerja sinyal antena sebesar 60%. Selain aramid, juga digunakan serat kuarsa dengan konstanta dielektrik 3,78 (pada 10 GHz).
2.6 Karakteristik Lainnya
Serat aramid memiliki karakteristik muai panas yang rendah, sangat stabil pada suhu tinggi, dengan muai panas hampir nol, dan koefisien muai panas sedikit negatif, setara dengan (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Serat aramid merupakan isolator yang sangat baik dan tidak menghantarkan listrik.
Sifat khusus komposit serat aramid berkaitan dengan penyerapan getaran, sehingga cocok untuk pembuatan komponen yang tahan terhadap getaran, seperti komponen struktur pesawat terbang.
2.7 Campuran Komposit dengan Kain Lain
Kain serat aramid dapat disesuaikan secara parametrik sesuai kebutuhan untuk digunakan dalam komposit serat karbon dan komposit serat kaca, memberikan berbagai kemungkinan kepada pemasok produk komposit.
Untuk komposit serat karbon, ketahanan benturan dapat ditingkatkan dengan menambahkan beberapa lapis kain serat aramid. Komposit hibrid yang terdiri dari 50% serat karbon dan 50% serat aramid menunjukkan peningkatan ketahanan benturan sebesar 25% dibandingkan dengan komposit yang hanya terbuat dari serat karbon.
Kain hibrida serat karbon-serat aramid
