Apa itu Material Grafit?
Grafit adalah alotrop karbon dalam bentuk kristal dengan struktur kisi yang heksagonal. Terjadi secara alami, ia membentuk lapisan grafena dan dalam kondisi umum membentuk bentuk karbon yang paling stabil. Berlian terbentuk dengan memaparkan grafit pada suhu dan tekanan tinggi.
Jenis Grafit Sintetis
Kondisi proses untuk memproduksi grafit sintetis dapat disesuaikan. Oleh karena itu, berbagai bentuk atau jenis grafit sintetis dapat diperoleh. Beberapa bahan grafit sintetis yang umum diproduksi meliputi:
Grafit pirolitik diproduksi melalui pengendapan uap kimia. Proses ini melibatkan pengendapan atom karbon ke substrat pada suhu tinggi di bawah lingkungan gas hidrokarbon. Hal ini menghasilkan pembentukan grafit yang sangat berorientasi dan kristal. Grafit yang diproduksi melalui proses pengendapan uap kimia memiliki sangat sedikit pengotor. Grafit pirolitik bersifat anisotropik dan menunjukkan konduktivitas termal yang luar biasa secara lateral. Grafit ini juga memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah yang berguna dalam memberikan stabilitas dimensi pada rentang suhu yang luas.
Grafit sintetis ini dibentuk dengan memadatkan bahan mentah secara dingin dalam bentuk balok-balok dalam mesin pres isostatik. Di sini, terdapat penerapan tekanan yang seragam dari semua arah, sehingga menghasilkan kepadatan dan sifat material yang seragam. Di antara grafit sintetis, grafit isostatik memiliki ukuran butiran terkecil. Bubuk grafit halus dalam cetakan fleksibel dikenai tekanan tinggi dalam mesin pres isostatik dari cairan khusus. Grafit isostatik bersifat isotropik dengan sifat yang konsisten secara menyeluruh dan mampu menghasilkan grafit dengan kemurnian tinggi. Material grafit memiliki struktur mikro yang homogen, dengan kontrol dimensi yang presisi dan kinerja yang dapat ditentukan. Grafit isostatik digunakan dalam sintering industri, aplikasi suhu tinggi, dan produksi komponen semikonduktor.
Grafit cetak diproduksi melalui proses pencetakan di mana partikel grafit dipadatkan dalam cetakan. Setelah menempatkan bubuk grafit dalam cetakan dengan bentuk yang diinginkan, tekanan diberikan untuk memadatkan bubuk. Proses pemanasan cetakan mengikuti sintering partikel grafit menjadi padatan. Grafit cetak dapat memiliki sifat terarah tetapi memungkinkan produksi komponen grafit dalam berbagai bentuk. Dibandingkan dengan pengepresan isostatik, pencetakan grafit lebih hemat biaya karena kemampuan untuk membuat bentuk dan ukuran khusus. Grafit cetak digunakan dalam industri pengecoran untuk memproduksi komponen seperti wadah peleburan. Grafit juga digunakan dalam aplikasi pengecoran kontinyu untuk memproduksi komponen logam.
Grafit yang digetarkan diproduksi melalui pencetakan getaran yang melibatkan penggunaan mekanisme getar untuk memadatkan dan membentuk partikel grafit. Partikel grafit dalam bentuk bubuk mengalami getaran dalam cetakan yang menyebabkan partikel grafit memadat. Bentuk grafit ini dapat menunjukkan sifat arah tergantung pada orientasi pencetakan. Selain itu, grafit dapat memiliki kepadatan yang bervariasi. Grafit yang dicetak dengan getaran berguna dalam aplikasi pengecoran kontinyu dan diapresiasi karena keserbagunaannya dalam pembentukan.
Jenis grafit sintetis ini diproduksi melalui proses ekstrusi. Di sini, campuran serbuk grafit dan pengikat dipaksa melalui cetakan untuk menciptakan profil yang berkesinambungan. Setelah itu, material tersebut diolah dengan panas untuk menghilangkan pengikat dan menyinter partikel grafit menjadi gumpalan yang padat dan kohesif. Cetakan biasanya dibentuk pada penampang yang diinginkan dan produk dipotong menjadi panjang yang diinginkan. Grafit yang diekstrusi memiliki kepadatan sedang dan dapat menunjukkan sifat anisotropik. Lebih jauh, dengan proses ekstrusi, dimungkinkan untuk menghasilkan profil yang seragam dan berkesinambungan.
Rumus Material Grafit dan Simbol Grafit
Sebagai alotrop karbon, grafit dilambangkan dengan C dengan simbol Gr dari International Mineralogical Association (IMA). Grafit ditemukan dalam bentuk murni dan terdapat dalam lapisan-lapisan yang berbeda dengan ikatan-ikatan lemah yang disebut sebagai grafena. Ada dua bentuk unsur mineral ini berdasarkan struktur kisi, alfa dan beta.
Material Grafit Alami vs. Grafit Sintetis
Grafit alami terbentuk secara alami melalui kombinasi berbagai proses geologis berkelanjutan yang berlangsung selama jutaan tahun. Grafit ini diperoleh melalui penambangan yang terjadi dalam tiga bentuk utama: grafit serpihan kristal, grafit amorf, dan grafit urat/gumpalan.
Grafit alam memiliki struktur berlapis-lapis yang tidak teratur dan mungkin mengandung kotoran seperti silikon, sulfur, atau beberapa unsur lainnya.
Grafit sintetis diproduksi dengan memasukkan senyawa karbon seperti batu bara dan pengikat ke dalam proses suhu tinggi. Ada berbagai bentuk grafit sintetis seperti grafit pirolitik dan grafit isotropik. Dengan jenis grafit ini, Anda dapat memperoleh struktur terkendali dengan kemurnian tinggi.
Grafit sintetis dapat bersifat isotropik atau anisotropik tergantung pada proses pembuatannya. Karena dibuat dalam kondisi tertentu, sifat-sifat grafit sintetis dapat direkayasa dan ditentukan selama proses pembuatannya.
Grafit sebagai unsur karbon memiliki beberapa sifat unik yang memengaruhi penggunaannya dalam berbagai aplikasi.
Sifat Mekanik
Meskipun kekerasannya tidak sebanding dengan kekerasan berlian, grafit menunjukkan kekuatan mekanis yang relatif sedang. Kekuatan mekanisnya ditentukan oleh struktur kisi dan gaya antarlapisan yang lemah.
Dengan gaya-gaya lemah ini, grafit menunjukkan fleksibilitas yang memungkinkan deformasi terbatas di bawah tekanan dan mampu menahan beberapa beban mekanis. Sifat mekanis grafit bervariasi sesuai arah penerapan gaya, mudah bergeser ke samping tetapi tahan terhadap tekanan tegak lurus.
Sifat Termal
Grafit memiliki konduktivitas termal yang tinggi berkat strukturnya yang memfasilitasi perpindahan panas yang efektif sepanjang sumbu planar. Bentuk karbon ini juga memiliki titik leleh tinggi yang melebihi 3.000 °C sehingga memungkinkan aplikasi panas tinggi seperti pada tungku.
Grafit berubah wujud dari padat menjadi gas dan mengalami deformasi dalam atmosfer gas inert pada suhu lebih dari 2450 °C. Sublimasi juga dapat terjadi pada suhu 3750 °C tanpa adanya oksigen. Kapasitas kalor jenis grafit yang rendah memungkinkannya untuk bereaksi cepat terhadap perubahan suhu.
Grafit juga mengalami ekspansi dan kontraksi minimal dengan perubahan suhu ini yang diakibatkan oleh koefisien ekspansi yang rendah. Ini khususnya berguna jika stabilitas dimensi menjadi kuncinya. Stabilitas termal yang ditunjukkan oleh grafit dalam lingkungan reduksi atau suhu tinggi juga tangguh.
Grafit menunjukkan konduktivitas termal anisotropik dengan perpindahan efektif sepanjang kisi, bukan tegak lurus. Saat grafit mengalami perubahan suhu, grafit bereaksi tanpa retak berkat ketahanannya terhadap guncangan termal.
Sifat Listrik
Grafit memiliki elektron terdelokalisasi dalam struktur kisi yang memungkinkan terjadinya konduksi listrik. Atom karbon dalam grafit membentuk empat elektron valensi dengan hanya tiga yang mampu berikatan. Elektron keempat yang bebas memungkinkan terjadinya konduktivitas.
Sifat Kimia
Grafit sangat tahan terhadap bahan kimia dan tidak bereaksi dengan sebagian besar bahan kimia. Sifatnya yang lembam ini membuatnya ideal untuk kondisi yang membutuhkan kestabilan kimia atau di lingkungan yang korosif.
Pelumasan alami grafit memungkinkan penggunaan dalam pengurangan gesekan di mana pelumas cair tidak praktis, sebagai pelumas padat. Hal ini berkat lapisan karbon yang terikat lemah yang mudah bergeser satu sama lain.
Proses pembuatan grafit sintetis melibatkan proses suhu tinggi. Selain itu, kontrol parameter yang tepat dilakukan untuk mencapai tingkat kemurnian dan sifat material yang diinginkan.
Produksi grafit sintetis menggunakan kokas atau batu bara sebagai bahan baku utama bersama pengikat pitch. Ada dua proses produksi yang umum digunakan: proses Acheson dan perlakuan suhu tinggi terhadap senyawa karbon.
Proses Acheson
Dalam proses ini, kokas dan grafit yang digiling halus dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu lebih dari 2450 °C. Reaksi kimia terjadi yang mengubah sebagian karbon menjadi grafit bersama silikon karbida. Grafit didinginkan dan kemudian dihancurkan untuk mencapai ukuran yang diinginkan.
Perawatan Suhu Tinggi
Senyawa karbon seperti kokas atau batu bara mengalami suhu tinggi berkisar antara 2400-3000 °C. Proses yang disebut pirolisis mengubah kandungan karbon menjadi grafit. Prosedur pendinginan dan penghancuran dilakukan untuk mencapai konsistensi artikel yang diinginkan.
Grafitisasi
Dalam proses ini, material karbon mengalami suhu tinggi yang melebihi 2500 °C dalam kondisi yang terkendali. Hasilnya adalah penataan ulang atom karbon menjadi struktur kisi heksagonal.
Perawatan
Pengolahan grafit yang terbentuk dapat dilakukan untuk menentukan tingkat kemurnian atau memodifikasi sifat permukaan partikel. Grafit juga dapat dicampur dengan senyawa lain untuk mengubah sifat material secara keseluruhan.
Setelah menghasilkan grafit sintetis, grafit dapat dibentuk melalui berbagai cara seperti pencetakan, ekstrusi, dan permesinan.
Pemesinan Grafit
Proses pemesinan grafit melibatkan pembentukan dan penyelesaian material grafit untuk mencapai hasil akhir dan tampilan yang diinginkan. Berbagai alat digunakan seperti alat berlian atau karbida. Saat pemesinan grafit, pertimbangkan kerapuhan dan anisotropinya.
Penggilingan Grafit
Saat menggiling grafit, Anda membuang material dari benda kerja menggunakan pemotong putar seperti mesin penggiling untuk mendapatkan bentuk tertentu. Perkakas karbida pada mesin tersebut digunakan karena ketahanan aus dan kekerasannya.
Untuk mencapai penghilangan material yang efisien, digunakan pemesinan berkecepatan tinggi. Karena grafit menghasilkan partikel halus, pengendalian debu sangat penting untuk memastikan proses yang lancar dan mengurangi bahaya kesehatan.
Memutar Grafit
Saat memutar benda kerja grafit, benda tersebut diputar terhadap alat pemotong, biasanya untuk membuat profil silinder. Pembubutan adalah proses manufaktur subtraktif karena memerlukan pembuangan material. Mesin bubut CNC banyak digunakan dalam pembubutan grafit yang menawarkan presisi dan otomatisasi tinggi.
Perkakas pemotong pada mesin bubut yang digunakan untuk grafit memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang tinggi. Perkakas ini meliputi perkakas berlapis berlian dan karbida. Kecepatan pemotongan, laju umpan, dan kedalaman pemotongan adalah beberapa aspek yang perlu dipertimbangkan saat membubut grafit.
Karena grafit bersifat getas, meminimalkan getaran dan menyediakan dukungan benda kerja yang memadai diperlukan untuk mencegah kerusakan alat dan terkelupasnya. Pembubutan grafit dapat digunakan dalam pembuatan bantalan dan segel grafit.
Penggilingan Grafit
Penggilingan grafit menggunakan alat abrasif untuk menghilangkan material guna memperoleh hasil akhir permukaan dan/atau dimensi yang diinginkan. Umumnya digunakan sebagai operasi finishing dengan menggunakan roda gerinda dengan partikel abrasif.
Bahan abrasif yang umum digunakan adalah boron nitrida kubik dan intan. Saat menggiling grafit, ketelitian sangat penting untuk mendapatkan hasil akhir permukaan yang halus dan toleransi yang ketat. Penggunaan cairan pendingin tidak diperlukan karena risiko kontaminasi.
Pengeboran Grafit
Pembuatan lubang pada benda kerja grafit dapat dilakukan dengan pengeboran menggunakan mata bor. Bor ini dapat dikontrol secara numerik dengan komputer atau manual, yang pertama menawarkan presisi yang lebih tinggi. Saat mengebor grafit, Anda perlu mengamankan benda kerja untuk mencegah pergerakan selama operasi pengeboran.
Ada beberapa metode pengeboran seperti pemboran putar, pemboran pasak, pemboran tengah, dan pemboran balik serta pemboran tenggelam. Saat melakukan pengeboran, Anda mempertimbangkan aspek-aspek seperti kedalaman dan ukuran lubang. Hal-hal ini akan dipengaruhi oleh mata bor dan kecepatan.
Berkat sifat-sifat grafit yang luar biasa, termasuk sifat pelumasan, konduktivitas listrik, dan toleransi termal, grafit memiliki beberapa kegunaan di berbagai industri. Beberapa kegunaan tersebut adalah sebagai berikut:
Grafit dalam Industri Nuklir
Salah satu aplikasi utama grafit dalam industri nuklir adalah penggunaannya di beberapa reaktor sebagai bahan moderator. Dalam perannya ini, grafit memperlambat pergerakan neutron sehingga memungkinkan terjadinya reaksi nuklir berkelanjutan.
Casing untuk saluran bahan bakar dalam reaktor berpendingin gas canggih dibuat dari grafit. Material ini tahan terhadap suhu tinggi dan kondisi iradiasi sekaligus memberikan stabilitas dan dukungan mekanis.
Lebih jauh lagi, grafit menawarkan perlindungan radiasi karena dapat meredam efek radiasi. Properti ini memungkinkannya digunakan dalam pembuatan peralatan pelindung diri dan juga penyimpanan limbah nuklir jangka panjang.
Grafit dalam Metalurgi
Stabilitas grafit terhadap suhu tinggi dan kelembaman kimianya membuat grafit sangat cocok digunakan sebagai bahan tahan api dalam metalurgi. Bahan tahan api pada dasarnya tahan terhadap panas atau dekomposisi kimia. Sebaliknya, bahan tersebut mempertahankan sifat fisik dan strukturnya.
Grafit dapat digunakan untuk membuat batu bata tahan api sendiri atau bila dicampur dengan magnesium. Penggunaannya menonjol dalam pengecoran baja kontinyu dan meluas hingga pembuatan wadah peleburan dan cetakan yang digunakan untuk menampung logam cair.
Dalam pengecoran baja kontinyu, grafit dipadukan bersama zirkonia dan alumina serta zirkonia untuk membuat nosel, batang penghenti, dan sendok. Ini membantu mengatur aliran baja cair sekaligus melindungi dari oksidasi.
Blok grafit juga digunakan dalam produksi besi untuk melapisi tanur sembur. Ketahanan termalnya yang tinggi dan ekspansi termal yang rendah merupakan beberapa faktor yang mendukung penggunaannya dengan cara ini. Blok ini juga digunakan dalam tanur metalurgi sebagai elektroda.
Grafit dalam Industri Kimia
Penggunaan grafit dalam industri kimia disebabkan oleh sifatnya yang inert secara kimia dan stabilitas termal yang membuatnya tidak terpengaruh oleh reaksi eksotermik sekalipun. Grafit digunakan dalam pembuatan peralatan tahan korosi yang digunakan untuk proses kimia seperti bejana reaksi yang digunakan di laboratorium.
Sistem perpipaan di pabrik kimia menggunakan pipa dan fitting grafit untuk mengangkut cairan korosif seperti asam dan larutan basa. Selain itu, material grafit digunakan dalam pembuatan segel dan gasket kimia untuk mencegah kebocoran.
Elektrolisis air garam menghasilkan hidrogen, klorin, dan natrium hidroksida dengan grafit yang digunakan sebagai elektroda. Proses elektrokimia lainnya seperti pelapisan listrik juga menggunakan elektroda grafit. Lebih jauh, dalam reaksi yang menggunakan katalis, grafit dapat bertindak sebagai bahan pendukung.
Grafit dalam Industri Listrik
Grafit banyak digunakan dalam industri listrik, dengan bahan yang umum digunakan dalam elektroda baterai, misalnya baterai lithium-ion. Di sini, grafit digunakan sebagai bahan anoda. Grafit juga mampu menghantarkan listrik dengan resistivitas rendah.
Sifat listriknya memungkinkan penggunaannya dalam motor dan generator listrik untuk membuat sikat dan kontak. Sikat grafit menawarkan jalur konduktif antara rotor dan bagian stasioner yang memastikan tidak ada gangguan dalam aliran listrik.
Selain itu, pelumasan grafit sangat penting dalam mengurangi gesekan sehingga mencegah keausan dan kelancaran konduktivitas listrik. Hal ini dicontohkan dalam kontak listrik geser seperti yang terlihat pada resistor variabel, sakelar, dan potensiometer.
Toleransi termal grafit yang tinggi memungkinkan penggunaannya dalam manajemen panas untuk perangkat elektronik yang mencegah panas berlebih. Memanfaatkan material grafit sebagai material antarmuka termal atau sebagai penyerap panas membantu komponen elektronik dalam menghilangkan panas yang dihasilkan.
Termokopel yang digunakan di lingkungan bersuhu tinggi menggunakan material grafit sebagai material pelindung. Sifat inert kimia material tersebut melindungi termokopel dari gas korosif sehingga menghasilkan pengukuran suhu yang akurat.
Karena sifat pelumasnya, grafit digunakan sebagai pelumas kering saat pelumas cair tidak cocok. Misalnya, bantalan grafit dapat beroperasi tanpa perlu pelumasan. Grafit juga dapat digunakan untuk menambah sifat termal pada material komposit yang digunakan di bidang otomotif dan kedirgantaraan.
Material ini digunakan pada ring piston dan liner silinder mesin berperforma tinggi karena dapat mengurangi gesekan dan tahan aus. Kemampuan mesin grafit dan stabilitas suhu memungkinkan produksi cetakan dan die untuk pengecoran logam.
Penggunaan Grafit dalam Industri Otomotif dan Dirgantara
Kampas dan lapisan rem kendaraan dan pesawat menggunakan bahan grafit karena sifat gesekannya yang unggul sehingga meningkatkan kinerja pengereman. Kestabilannya terhadap suhu tinggi dan ketahanan kimianya memungkinkan untuk diaplikasikan pada gasket dan seal mesin otomotif.
Saat mengembangkan material komposit untuk komponen dan suku cadang pesawat seperti badan pesawat, grafit digunakan karena kualitas termal dan ketahanan kimianya. Material ini juga digunakan pada nosel roket pesawat dan ruang dorong karena stabilitas termal dan ketahanan korosinya.
