Peningkatan Kekuatan dan Kekeras Komposit Titanium Rekayasa Grafena Oksida melalui Sintrasi Tekan Panas

Abstrak

Komposit matriks titanium yang mengandung 1–5 berat % grafena oksida (GO) dibuat melalui sintrasi tekan panas di bawah argon. Reaksi antara Ti dan GO menghasilkan nanopartikel TiC secara in situ, sementara jaringan lapis GO sebagian dipertahakan. Peningkatan beban GO dan suhu sintrasi meningkatkan kandungan TiC, yang berbanding lurus dengan peningkatan kekeras dan kekuatan. Komposit 5 berat % GO yang disinter pada 1473 K mencapai 457 HV (48 % lebih tinggi dari Ti murni) dan sampel 2,5 berat % GO pada suhu yang sama menunjukkan tegangan leleh puncak sebesar 1294 MPa, 63 % di atas Ti murni. Fraktografi mengungkapkan mode quasi-cleavage pada komposit yang direstorasi versus break ductile pada Ti yang tidak direstorasi. Penguatan timbul dari penyempurnaan butir, efek larutan padat, dan dispersi TiC dan GO.

Pendahuluan

Sektor penerbangan menuntut bahan yang ringan namun mampu menahan beban dan suhu ekstrem. Komposit matriks titanium (TMCs) adalah kandidat menarik karena kekuatan spesifik tinggi, daya tahan aus yang baik, dan performa suhu tinggi yang stabil. Penguatan konvensional keramik (TiC, SiC, TiB) dan serat SiC meningkatkan kekakuan namun dapat membuat matriks rapuh atau memperkenalkan anizotropi. Bahan karbon berbasis nano, terutama grafena dan bentuk oksidasi, menawarkan jalur kepadatan rendah untuk meningkatkan kekuatan sambil mempertahankan keawetan. Grafena dengan ketebalan satu atom dan ikatan sp² memberikan luas permukaan teoretis sebesar 2630 m² g⁻¹ dan properti listrik, termal, dan mekanik yang luar biasa. Kerja sebelumnya telah menunjukkan bahwa penambahan hanya 0,5–0,8 berat % turunan grafena ke matriks Al atau Cu dapat meningkatkan kekuatan tarik sebesar 20–40 %. Namun, manfaatnya mencapai platye pada beban yang lebih tinggi karena aglomerasi nanopartikel. Grafena oksida (GO) mengandung grup fungsional oksigen yang meningkatkan dispersi dalam pelarut dan dapat bereaksi dengan matriks logam untuk membentuk fase penguat. Sementara GO telah meningkatkan komposit Al dan Fe, aplikasinya pada matriks Ti masih kurang dieksplorasi. Studi ini menyelidiki komposit Ti/GO yang dibuat melalui sintrasi tekan panas, memeriksa bagaimana kandungan GO dan suhu sintrasi mempengaruhi mikrostruktur, pembentukan fase, dan performa mekanis.

Metode dan Eksperimen

Sintesis Grafena Oksida

GO dihasilkan melalui rute modifikasi Hummers. Grafit (kemurnian 99,95 %, <325 mesh) pertama kali diinterkalasi dengan CrO₃ dalam HCl, kemudian diperluas dengan perlakuan H₂O₂ untuk menghasilkan grafit diperluas kimiawi (CEG). Oksidasi berikutnya dengan campuran 9:1 H₂SO₄/H₃PO₄ dan KMnO₄ pada 323 K, diikuti oleh netralisasi dengan H₂O₂ dan HCl, menghasilkan flakes GO. Raman, XPS, FT-IR, dan TGA mengonfirmasi keberadaan grup fungsional yang dioksidasi dan ketebalan satu lapis (~1 nm) (Gambar 2).

Persiapan Bubuk Komposit

Bubuk komersial Ti (≥99,9 % kemurnian) dicampur dengan suspensi GO yang diencerkan dalam etanol 95 %. Slurry diultrasonik selama 10 menit, dikeringkan dalam oven vakum pada 333 K, dan di-milled selama 10 menit untuk menghasilkan campuran Ti/GO yang seragam (Gambar 4).

Konsolidasi Sintrasi Tekan Panas

Campuran dimuat ke cetakan grafit 15 mm dan disinter dalam arus argon pada 1073 atau 1473 K, dengan laju pemanasan 15 K min⁻¹, tinggal 30 menit, dan tekanan 50 MPa. Sampel dikeringkan pada <20 K min⁻¹. Kompadat yang dihasilkan dipotong menjadi kupon pengujian dan dipoles hingga 1 µm.

Karakterisasi

Analisis fase dilakukan oleh XRD; mikrostruktur oleh SEM, TEM, dan EDS; ketebalan GO oleh AFM. Kekeras (Vickers, 250 g, 10 s), kekuatan tekan (MTS 858), dan konduktivitas termal (Netzsch LFA 457) diukur. TGA mengukur suhu dekomposisi GO.

Hasil dan Pembahasan

Struktur Grafena Oksida

Spektrum Raman menampilkan pita D (1347 cm⁻¹) dan G (1582 cm⁻¹) dengan I_D/I_G = 1,46, yang menunjukkan oksidasi yang signifikan. Puncak XPS C 1s sesuai dengan sp² C, C–O, C=O, dan grup O–C=O. FT-IR mengonfirmasi getaran O–H, C–O–C, dan C=O. TGA menunjukkan penurunan berat utama antara 433–493 K, yang disebabkan oleh kehilangan grup oksigen yang labile (Gambar 2).

Mikrostruktur dan Evolusi Fase

Citra SEM dari bubuk Ti/GO (Gambar 4) mengungkapkan dispersi yang seragam flakes GO hingga 2,5 berat %; sampel 5 berat % menunjukkan aglomerasi ringan. Setelah sintrasi pada 1073 K, partikel Ti terikat dengan jaringan lapis GO seperti tirak, namun celah muncul karena difusi terbatas grup oksigen (Gambar 5). EDS memetakan nanopartikel TiC pada antarmuka GO–Ti, mengonfirmasi reaksi in situ. Pada 1473 K, matriks menjadi lebih padat, celah berkurang, dan kepadatan TiC meningkat (Gambar 7). TEM dari sampel 2,5 berat % menunjukkan flakes GO dipertahakan sebagai lamela, partikel TiC 20–200 nm, dan densitas dislokasi yang tinggi di batas butir, konsisten dengan penguatan tipe Orowan (Gambar 8).

Analisis XRD

Semua sampel menunjukkan puncak α-Ti dominan (100, 002, 101). Dengan penambahan GO, refleksi TiO₂ dan TiC lemah muncul, meningkat pada beban GO dan suhu yang lebih tinggi, yang menunjukkan pembentukan TiC yang progresif (ΔG ≈ −178 kJ mol⁻¹ pada 1073 K). Perlebaran puncak dan pergeseran ke 2θ yang lebih tinggi mengimplykan penyempurnaan butir (Gambar 9).

Properti Mekanis

Kekeras meningkat dari 250 HV (Ti murni) menjadi 457 HV (5 berat % GO pada 1473 K), peningkatan sebesar 48 %. Tegangan leleh tekan meningkat dari 702 MPa (Ti murni) menjadi 1294 MPa (2,5 berat % GO pada 1473 K), peningkatan sebesar 63 %. Sampel 5 berat % menunjukkan penurunan ringan karena aglomerasi GO (Gambar 10, 11). Suhu sintrasi yang lebih tinggi meningkatkan kepadatan, pembentukan TiC, dan aktivitas dislokasi, yang lebih meningkatkan kekuatan.

Fraktografi

Ti murni menunjukkan cekungan yang indikatif dari kegagalan ductile. Komposit yang direstorasi GO menunjukkan bidang quasi-cleavage dan mikroretakan, yang menjadi lebih terpronis pada 1473 K di mana celah berkurang (Gambar 12).

Konduktivitas Termal

Penambahan GO mengurangi konduktivitas dari 22 W m⁻¹ K⁻¹ (Ti murni) menjadi 16 W m⁻¹ K⁻¹ (5 berat % GO) pada 873 K, karena konduktivitas termal GO yang rendah dan celah antarmuka. Namun, konduktivitas meningkat dengan suhu sintrasi karena mikrostruktur menjadi lebih padat dan lebih banyak GO direduksi menjadi grafena (Gambar 13).

Mekanisme Penguatan

Penyempurnaan butir (Hall-Petch), penguatan larutan padat oleh atom C dan O, dan penguatan dispersi dari TiC dan GO diidentifikasi sebagai kontributor utama. Densitas dislokasi yang tinggi, digabungkan dengan membungkuk Orowan di sekitar lamela GO, lebih meningkatkan tegangan leleh.

Kesimpulan

1. GO menyebar secara seragam dalam Ti hingga 5 berat %; TiC (20–200 nm) terbentuk secara in situ melalui reaksi Ti–GO, meningkat dengan kandungan GO dan suhu.
2. Kekeras dan tegangan leleh meningkat tajam: 457 HV (48 %) dan 1294 MPa (63 %) relatif terhadap Ti murni pada 1473 K.
3. Mode retakan berubah dari ductile ke quasi-cleavage; konduktivitas termal menurun dengan GO namun meningkat pada suhu sintrasi yang lebih tinggi.
4. Peningkatan kekuatan timbul dari penyempurnaan butir, efek larutan padat, dan dispersi TiC dan GO.

Singkatan

AFM

Mikroskopi Gaya Atom

BCC

Kubik Tubuh-Tengah

CEG

Grafit Diperluas Kimiawi

CTE

Koefisien Perluasan Termal

EDS

Spektrometer Energi-Dispersi

FCC

Kubik Muka-Tengah

FT-IR

Spektroskopi Inframerah Transform Fourier

GIC

Kompu Interkalasi Grafit

GNFs

Nanoflakes Grafena

GO

Grafena Oksida

HCP

Penampatan Heksagonal Tertutup

MMCs

Komposit Matriks Logam

SEM

Mikroskop Elektron Pemindai

TEM

Mikroskop Transmisi Elektron

TGA

Analisis Termogravimetri

TMCs

Komposit Matriks Titanium

XPS

Spektroskopi Fotoelektron Sinar X

XRD

Difraksi Sinar X