Penguatan Sinergis Nanokomposit Cu/Ti₃SiC₂/C dengan Grafena dan MWCNT: Mikrostruktur dan Performa Mekanikal
Abstrak
Penggabungan nanotubokarbon multi-dinding satu dimensi (MWCNT) dengan grafena dua dimensi menciptakan antarmuka sinergis yang meningkatkan dispersi, basabilitas, dan pengikatan partikel penguat dalam matriks tembaga. Menggunakan pengelogan mekanis, pemanasan panas vakum (VHP), dan pemanasan panas isostatik panas (HIP), kami memproduksi nanokomposit Cu/Ti₃SiC₂/C dengan rasio grafena dan MWCNT yang bervariasi. Difraksi X-ray, mikroskopi optik, SEM, TEM, dan EPMA mengungkap mikrostruktur yang halus dan terikat dengan baik. Pengujian mekanikal menunjukkan bahwa komposisi optimal—0,8 wt % MWCNT dan 0,2 wt % grafena—menghasilkan kekerasan dan kekuatan tarik tertinggi, berkat pemerasan butir, transfer beban, penguatan Orowan, dan pengikatan antarmuka. Temuan ini mengonfirmasi bahwa strategi penguat karbon dua fase dapat meningkatkan secara signifikan performa komposit berbasis tembaga.
Latar Belakang
Komposit tembaga-grafit menggabungkan konduktivitas elektrik yang baik tembaga dengan properti pelumasan diri grafit, menjadikannya menarik untuk aplikasi penerbangan luar angkasa, elektronik, dan otomotif. Ti₃SiC₂ menambahkan stabilitas suhu tinggi, resistensi oksidasi, dan konduktivitas termal. Namun, komposit Cu/Ti₃SiC₂/C sendirian masih kalah dalam kekuatan dan resistensi aus. Pengenalan penguat skala nano—MWCNT dan grafena—dapat meningkatkan properti ini, namun tantangan seperti dispersi yang buruk, basabilitas yang terbatas, dan antarmuka yang lemah telah menghambat kemajuan. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa hibrid MWCNT dan grafena dapat membentuk jaringan luas kontak, yang meningkatkan transfer beban dan pengikatan antarmuka.
Metode/Eksperimen
Serbuk baku Cu, Ti₃SiC₂, grafit, MWCNT, dan nanoplatelet grafena pertama kali dispersi melalui pengacakan ultrasonik. Modifikasi permukaan dilakukan menggunakan plasma Ar–NH₃ dan larutan konsentrasi rendah Rutin atau Asam Gallic untuk meningkatkan basabilitas. Pengelogan energi tinggi (media agate) mencampur serbuk pada rasio massa 10:1 dengan alkohol ters-butil sebagai pengikat. Hasil campuran dikeringkan lalu disinter melalui VHP (950 °C, 20 MPa, 2 jam) diikuti oleh HIP (900 °C, 100 MPa, 2 jam). Kepadatan relatif diukur dengan prinsip Arkimedes. Mikrostruktur diperiksa dengan OM, XRD, SEM/EDS, dan TEM. Pengujian kekerasan, kompresi, dan geser dilakukan pada mesin penguji universal pada 0,5 mm/min. Semua data dibandingkan di seluruh komposisi 0,8 wt % grafena/0,2 wt % MWCNT, 0,5/0,5, dan 0,2/0,8.
Hasil dan Pembahasan
Mikrostruktur Serbuk dan Identifikasi Fase
Gambar SEM mengonfirmasi bahwa MWCNT menyambungkan partikel Cu sementara lapisan grafena dispersi dalam matriks, mengurangi aglomerasi. Pola XRD menunjukkan retensi fase Cu, Ti₃SiC₂, dan grafit, tanpa bukti oksidasi atau reaksi tidak diinginkan. Pengelogan mekanis mempertahankan integritas fase sambil mempromosikan kontak intim antara penguat dan matriks tembaga.
Mikrostruktur Komposit
Metalografi mengungkap matriks tembaga kontinu yang dicampur dengan butiran Ti₃SiC₂ dan kluster grafit atau karbon terisolir. Ti₃SiC₂ terdekomposisi pada 950 °C menjadi TiC dan Si, yang kemudian membentuk larutan padat Cu₉Si yang meningkatkan pengikatan antarmuka. Pemetaan EPMA mengonfirmasi distribusi seragam Cu, Ti, Si, C, dan La (ditambahkan untuk pemadatan).
Transformasi Fase Selama Sintesis
Analisis termodinamik mengonfirmasi bahwa Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = ‑106,5 kJ mol⁻¹) spontan. Reaksi berikutnya (Si + 9Cu → Cu₉Si) dan (C + Si → SiC) juga eksotermik, yang mengarah pada fase TiC dan Cu₉Si yang diamati dalam mikrostruktur akhir.
Properti Mekanikal
Kekerasan menurun hanya sekitar 9 % saat meningkatkan grafena dari 0,5 wt % ke 0,8 wt %, menunjukkan bahwa grafena berlebihan mempromosikan aglomerasi dan porositas. Kekuatan tarik dan kompresi menurun sekitar 12 % pada 0,8 wt % grafena, sementara kekuatan geser menurun sekitar 20 %—semua konsisten dengan pengikatan antarmuka yang lebih lemah dan terbentuknya mikroretakan yang lebih banyak. Komposisi optimal 0,8 wt % MWCNT/0,2 wt % grafena menunjukkan pemadatan tertinggi (≈97 % teoretis) dan performa mekanikal terbaik.
Analisis Retakan Tarik
SEM permukaan retakan menunjukkan cekungan dan aspek belahan yang khas, dengan bukti penarikan grafena dan fragmentasi MWCNT. Lembar grafena yang mengagregasi berkontribusi pada inisiasi mikroretakan, sedangkan MWCNT yang terdistribusi dengan baik meningkatkan transfer beban. Keseimbangan efek ini menentukan ketahanan keseluruhan.
Kesimpulan
- Pemanasan panas vakum dan HIP efektif menghasilkan komposit Cu/Ti₃SiC₂/C yang diperkuat dengan MWCNT dan grafena.
- Sinergi timbul dari kepadatan tinggi, dispersi homogen, dan pengikatan antarmuka yang kuat.
- Performa mekanikal terbaik dicapai dengan 0,8 wt % MWCNT dan 0,2 wt % grafena; di luar ini, aglomerasi menurunkan properti.
- Peningkatan berasal dari pemerasan butir, transfer beban, Orowan, dan penguatan antarmuka.
