Keramik tingkat lanjut, juga dikenal sebagai keramik khusus, mengacu pada bahan keramik yang dibuat berdasarkan keramik tradisional menggunakan teknologi kimia dan fisik canggih, dengan sifat unggul di bidang mekanika, termal, optik, akustik, dan listrik. Dibandingkan dengan material logam dan polimer, material keramik tingkat lanjut memiliki sifat struktural yang tak tertandingi seperti kekerasan tinggi, modulus tinggi, ketahanan-suhu tinggi, dan ketahanan terhadap korosi, serta sifat fungsional yang sangat baik seperti isolasi listrik, transmisi cahaya, dan transparansi gelombang. Oleh karena itu, mereka semakin banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, teknologi informasi, industri pertahanan dan militer nasional, biomedis, dan bidang energi baru.
Proses preparasi keramik tingkat lanjut terutama meliputi preparasi bubuk, pembentukan bodi hijau, dan sintering. Diantaranya, pembentukan dan sintering merupakan faktor langsung yang menentukan sifat produk keramik. Pembentukan mengacu pada pembuatan serbuk menjadi benda hijau dengan dimensi dan bentuk tertentu serta kekuatan mekanik tertentu. Sintering mengacu pada proses di mana benda hijau, pada suhu tinggi di bawah titik lelehnya, menghilangkan pori-pori, memadatkan, dan membentuk benda sinter dengan kekuatan tertentu.
01 Persiapan Bubuk
Metode persiapan bubuk keramik tingkat lanjut pada dasarnya dapat diringkas menjadi tiga kategori: metode fase-padat, metode fase-cair, dan metode fase-gas.
Metode-fase padat menggunakan zat padat sebagai bahan baku awal untuk membuat bubuk keramik ultrahalus. Contohnya meliputi reaksi keadaan padat-suhu tinggi, reduksi karbotermal, reaksi gas-padat, dekomposisi termal garam, dan sintesis pembakaran-suhu tinggi yang merambat sendiri. Hal ini ditandai dengan cocok untuk produksi massal dan biaya yang relatif rendah, namun terkadang terdapat pengotor.
Metode fase-cair ditandai dengan kontrol komposisi kimia yang mudah, pencampuran seragam pada skala ionik atau molekuler, dan kemampuan untuk menyiapkan bubuk keramik skala nano- dan submikron-dengan kemurnian tinggi dan aktivitas sintering yang baik. Sangat cocok untuk mensintesis serbuk oksida-atau komposit-tunggal untuk keramik struktural dan keramik fungsional, dan oleh karena itu digunakan secara luas. Metode fase-cair yang umum meliputi pengendapan kimia, metode hidrotermal, dan metode sol-gel.
Metode fase-gas mensintesis bubuk keramik yang diinginkan melalui reaksi kimia gas reaktan dalam lingkungan bersuhu-tinggi secara lokal. Ini mencakup deposisi uap kimia, sintesis-fase gas plasma, dan lain-lain. Serbuk yang disintesis dengan metode fase-gas memiliki luas permukaan spesifik yang besar dan mudah menyerap uap air atau aglomerat, sehingga tidak cocok untuk sintering keramik struktural berdensitas tinggi dan material keramik elektronik. Selain itu, bahan mentah dan peralatan sintesis reaksi yang digunakan dalam metode fase-gas mahal dan memiliki kapasitas produksi yang sangat kecil, sehingga mengakibatkan biaya persiapan bubuk yang tinggi.
02 Proses Pembentukan
Menurut aliran dan sifat reologi benda, metode pembentukan dapat dibagi menjadi tiga kategori: pembentukan benda kering, pembentukan benda plastis, dan pembentukan bubur.
Pembentukan tekan, juga disebut cetakan kompresi, melibatkan penambahan sejumlah kecil pengikat ke bubuk (kadar air dikontrol pada 4% –7%, atau bahkan serendah 1% –4%) untuk granulasi, kemudian menempatkan bubuk butiran ke dalam cetakan dan menekannya di bawah tekanan untuk membentuk badan hijau dengan bentuk tertentu. Pembentukan pers dibagi menjadi pengepresan kering dan pengepresan isostatik.
Pembentukan plastik menggunakan badan plastik sebagai bahan awal dan memanfaatkan tekanan yang dihasilkan oleh pergerakan cetakan untuk mengubah bentuk badan secara plastis menjadi badan hijau. Bahan plastik terutama terdiri dari bubuk keramik, pengikat, pemlastis, dan pelarut, dan proses persiapan bahan bakunya sangat sulit. Badan plastik mengandung bahan pembentuk dalam jumlah yang relatif besar, tetapi umumnya tidak lebih dari 30%. Metode pembentukan plastik antara lain ekstrusi, tape calendering, injection molding, dan lain-lain.
Pembentukan bubur menggunakan suspensi keramik yang dapat mengalir sebagai bahan bakunya. Selain partikel bubuk, slurry juga mengandung air dan dispersan. Pembentukan slurry terutama meliputi slip casting, gelcasting, tape casting, dan lain-lain.
Baik pembentukan plastik maupun pembentukan bubur termasuk dalam proses pembentukan basah. Dibandingkan dengan pembentukan kering, proses basah dapat lebih mudah mengontrol aglomerasi serbuk dan mengurangi kandungan pengotor, sehingga menghasilkan produk keramik dengan bentuk yang kompleks.
Seiring dengan berkembangnya bidang penerapan keramik tingkat lanjut, teknologi baru seperti deposisi sentrifugal, deposisi elektroforesis, pengecoran koagulasi langsung, dan fabrikasi bentuk bebas padat telah bermunculan satu demi satu.
03 Proses Sintering
Badan keramik hijau perlu disinter untuk mendapatkan struktur mikro yang padat. Pada dasarnya, sintering adalah proses difusi timbal balik antar komponen bubuk yang berbeda. Dengan memperkuat ikatan antar partikel, bahan keramik memiliki struktur mikro yang seragam, bentuk yang stabil, dan kekuatan mekanik yang relatif tinggi. Proses sintering yang umum meliputi sintering tanpa tekanan, sintering pengepresan isostatik panas, sintering plasma percikan, dan lain-lain.
Sintering tanpa tekanan adalah sintering material di bawah tekanan atmosfer tanpa memberikan tekanan. Metode ini umumnya dilakukan di bawah oksigen atau atmosfer gas khusus. Selama sintering tanpa tekanan, benda hijau yang terbentuk tidak terkena tekanan eksternal; agregat partikel bubuk hanya dipanaskan di bawah tekanan atmosfer dan diubah menjadi badan butiran yang terikat.
Sintering tekanan gas mengacu pada penerapan tekanan gas tertentu selama sintering keramik bersuhu tinggi, dalam kisaran 1–10 MPa (yaitu 10–100 atm), untuk menekan dekomposisi dan penurunan berat bahan keramik pada suhu tinggi. Hal ini dapat meningkatkan suhu sintering, meningkatkan pemadatan lebih lanjut, dan menghasilkan produk keramik dengan kepadatan tinggi.
Sintering-panas adalah proses pemadatan yang menggabungkan tekanan mekanis dan suhu tinggi. Dengan menerapkan tekanan aksial dan pemanasan secara bersamaan dalam cetakan, hal ini secara signifikan meningkatkan kekuatan penggerak sintering. Proses ini memiliki tiga keuntungan inti: mencapai densifikasi yang cepat, memperpendek siklus sintering, dan meningkatkan sifat mekanik material secara signifikan. Sangat cocok untuk menyiapkan keramik-berperforma tinggi.
Sintering pengepresan isostatik panas menggunakan gas inert sebagai medianya dan mencapai pemadatan keramik pada suhu tinggi dan tekanan tinggi konstan. Untuk beberapa bahan keramik dengan koefisien difusi diri-rendah yang sulit dipadatkan dengan sintering konvensional, sintering pengepresan isostatik panas dapat digunakan untuk meningkatkan gaya penggerak difusi. Sintering pengepresan isostatik panas memenuhi kondisi-tekanan tinggi dan-suhu tinggi yang diperlukan untuk sintering keramik transparan dan memiliki keunggulan unik dalam sintering badan hijau keramik transparan.
Spark plasma sintering (SPS) menggunakan pemanasan Joule langsung yang dihasilkan oleh arus searah berdenyut, dibantu oleh tekanan mekanis. Karena karakteristik sinteringnya, keramik ini dapat digunakan untuk menyiapkan keramik bersuhu ultra-tinggi-dengan cepat. Untuk keramik bersuhu sangat-tinggi-seperti Ta2AlC, TaC, dan ZrB2-SiC, proses SPS dapat mencapai waktu sintering yang singkat, efek penguatan butiran halus yang jelas, peningkatan sifat mekanik secara signifikan, dan peningkatan ketahanan oksidasi.
Proses sintering dingin, di bawah tekanan tinggi, menambahkan pelarut sementara ke dalam bubuk untuk mendorong penataan ulang dan difusi partikel, sehingga mendorong pemadatan bubuk keramik pada suhu yang relatif rendah dan dalam waktu yang relatif singkat. Proses ini menciptakan kemungkinan sintering-suhu rendah untuk menyiapkan keramik struktural dan fungsional-berperforma tinggi. Saat ini, proses ini telah berhasil diterapkan pada persiapan dan sintering berbagai bahan, termasuk keramik oksida khas, komposit keramik/keramik, keramik dielektrik gelombang mikro, keramik feroelektrik dan piezoelektrik, elektrolit padat, bahan termoelektrik, dan komposit bahan nano keramik/2D.
Teknologi sintering tekanan osilasi didasarkan pada sintering-panas dan mengubah tekanan konstan menjadi tekanan dinamis. Melalui penataan ulang partikel yang disebabkan oleh tekanan osilasi terus menerus, hal ini meningkatkan kepadatan pengepakan bubuk sebelum sintering. Pada saat yang sama, tekanan osilasi memberikan kekuatan pendorong sintering yang lebih besar untuk sintering bubuk, membantu mendorong rotasi butir dan aliran plastis dan geser di dalam badan sinter, sehingga mempercepat pemadatan badan hijau. Proses ini telah digunakan dalam pembuatan berbagai keramik struktural, dan material keramik berperforma tinggi seperti ZrO2, Al2O3, dan Si3N4 telah berhasil dikembangkan.