Inovasi Komposit Serat Karbon Nanotube

Jika Anda memiliki pengalaman naik pesawat terbang, ketahuilah bahwa produksi pesawat-pesawat komersial terbaru saat ini, 50% material yang digunakan adalah komposit serat karbon. Serat karbon memang dikenal memiliki keunggulan lebih yakni amat sangat ringan dan tangguh, dibandingkan dengan material lain dengan spesifikasi ketahanan yang sama. Jika disejajarkan dengan aluminium misalnya, sebuah komponen dengan bahan serat karbon akan memiliki berat 20% lebih ringan daripada komponen sama dengan bahan aluminium. Keunggulan inilah yang menjadi alasan utama digunakannya serat karbon sebagai material utama pesawat terbang maupun pesawat antariksa sehingga didapatkan bobot yang lebih ringan, dan berujung pada penggunaan bahan bakar yang menjadi lebih hemat.

Di sisi lain penggunaan komposit serat karbon bukan berarti tidak memiliki kelemahan. Komposit serat karbon reinforced tersusun atas beberapa lapisan serat karbon, yang saling direkatkan oleh lem polimer. Ternyata lapisan-lapisan serat tersebut cukup rentan rusak jika dikenakan beban yang relatif rendah, berbeda dengan aluminium yang relatif lebih kuat jika dikenai beban tinggi. Hal ini terjadi karena rekatan lem polimer memiliki resiko rusak dan merambat ke lapisan-lapisan serat karbon. Solusi selama ini yang digunakan untuk mendapatkan kualitas rekatan lem polimer baik adalah dengan penggunaan teknik Z-pinning dan 3D-weaving, namun cara inipun masih belum maksimal.

“Sebuah paku atau baut berukuran ribuan kali lebih besar daripada serat karbon,” demikian ungkap Professor Brian Wardle menjelaskan. “Jadi ketika Anda memaku atau mengencangkan baut tersebut ke komposit, maka Anda mematahkan ribuan serat karbon dan merusak komposit tersebut.”


Atas dasar hal di atas, para insinyur penerbangan MIT menciptakan sebuah lapisan tambahan baru untuk meningkatkan kekuatan rekat antar lapisan serat karbon. Lapisan super tipis ini mereka beri nama karbon nanotube (pipa-nano), diberi nama demikian karena memang ketebalan lapisan ini seukuran atom, tersusun atas atom-atom karbon, dan sangat kuat. Saat menyusun komposit, para peneliti memasang lapisan karbon nanotube ini bersamaan dengan saat memberi lem matriks polimer. Lapisan tambahan yang memiliki arah serat vertikal ini memberikan kekuatan lebih terhadap serat karbon yang cenderung memiliki arah serat horisontal.

Karbon nanotube memiliki diameter hanya 10 nanometer, hampir satu juta kali lebih kecil daripada ukuran serat karbon. Dengan ukuran berskala nano tersebut, Profesor Wardle mengungkapkan bahwa hal inilah yang membuat penggunaan karbon nanotube tidak mempengaruhi serat karbon yang lebih besar. Di sisi lain ukuran nano tersebut berperan besar meningkatkan kekuatan komposit karena ia memiliki 1000 kali luas permukaan yang lebih besar daripada lapisan serat karbon. Hal ini menciptakan ikatan yang lebih kuat di antara lapisan-lapisan serat karbon dengan lem polimer.

Pada eksperimen pengetesan kekuatan komposit, para peneliti menemukan bahwa jika dibandingkan dengan komposit sebelumnya, komposit racikan baru ini 30% lebih kuat. Dengan hasil ini, Roberto Guzman, pemimpin penelitian ini menjelaskan bahwa inovasi ini mampu menghasilkan komposit yang lebih kuat, lebih ringan untuk material pesawat, dan aman jika dikombinasikan dengan penggunaan paku klem maupun baut yang justru merusak jika digunakan pada komposit serat karbon konvensional.

Ada dua tes yang dilakukan untuk menguji kekuatan komposit ini. Pertama adalah uji ketegangan lubang, yang biasa dilakukan terhadap berbagai komponen pesawat terbang. Pengujian ini dilakukan dengan jalan memasang sebuah baut ke dalam lubang yang sudah diciptakan di satu bagian komposit. Selanjutnya baut tersebut dikencangkan perlahan secara terus-menerus hingga komposit rusak. Dari pengujian inilah diketahui bahwa komposit racikan baru ini mampu menahan gaya puntir baut 30% lebih kuat dibandingkan pada pengujian komposit konvensional. Pengujian kedua disebut sebagai pengujian kompresi lubang-terbuka, yakni pengujian dengan jalan memberi penekanan ke area lubang baut sampai bagian tersebut rusak. Pada pengujian ini didapati bahwa komposit ini mampu menahan gaya 14% lebih besar daripada komposit konvensional.

Credit: Science Daily

Post Author: Onny Apriyahanda

"Science is the highest Art in the universe."

Leave a Reply