Reinforcement-Matrix Interface

1. Reinforcement-Matrix Interface • Beban yang diterima oleh matriks akan dipindahkan kepada bahan tetulang melalui antaramuka/antarafasa • Oleh itu antaramuka di antara bahan tetulang dan matriks mestilah baik • Antaramuka yang baik-menghasilkan kekakuan dan kekuatan yang baik tapi keliatan yang rendah • Antaramuka yang lemah-menghasilkan kekakuan dan kekuatan yang rendah tapi keliatan yang tinggi

2. Kebolehbasahan/Wettability • Didefinasikan sebagai keupayaan cecair untuk membasahi permukaan pepejal • Ini kerana semasa pemprosesan, matriks seharusnya berada dlm keadaan cecair dan matriks harus berupaya membasahi permukaan tetulang (pepejal)

3. Kebolehbasahan/Wettability Drops of water on a hydrophobic surface

4. Kebolehbasahan (Wettability) • Pembasahan akan berlaku apabila kelikatan matriks tidak terlalu tinggi • - Kaitan antara pembasahan dengan tenaga permukaan, pertimbangkan filem cecair yang nipis pada permukaan pepejal Figure

5. Kebolehbasahan (Wettability) • Setiap permukaan ada tenaga, dan tenaga bebas pada setiap permukaan ialah γSG, γLG dan γSL • γSG = γLG cos θ + γSL • θ adalah sudut sentuhan dan boleh digunakan untuk mengukur darjah kebolehbasahan

6. Kebolehbasahan (Wettability) • cos θ = (γSG – γSL)/ γLG • - jika θ = 180º, drop berbentuk sfera, tiada pembasahan berlaku • θ = 0, pembasahan sempurna berlaku. • - 0º<θ<180º, darjah kebolehbasahan meningkat dengan berkurangnya θ. • Kebiasaannya cecair tidak akan membasahi pepejal sekiranya θ>90º

7. These three quantities determine whether the liquid spreads over the solid, or not; whether it "wets" it. • This is judged by the contact angle, . Drops of water on a textile surfacebefore and after addition of wetting agent

8. Soalan 2002/2003 • Kenalpasti dengan menggunakan kaedah pengiraan untuk menentukan samada gentian alumina boleh digunakan sebagai bahan tetulang dalam resin epoksi dan polietilena. Di dapati tenaga antara muka bagi resin epoksi ialah 40 mJ/m2 dan polietilena ialah 30 mJ/m2, sementara bagi gentian alumina ialah 1100 mJ/m2. Andaikan tenaga permukaan bagi alumina dengan epoksi ialah 1071.7 mJ/m2 manakala bagi alumina dengan polietilena ialah 1105.21 mJ/m2

9. 2 Mode Kegagalan pada Antarafasa • Sukar untuk mengukur kekuatan antarafasa kerana terdapat kemungkinan kegagalan berlaku pada antarafasa atau tidak • 1) Kegagalan adhesif- kegagalan yg berlaku pada antarafasa • 2) Kegagalan Kohesif- kegagalan berlaku pada gentian atau matriks

11. Ikatan pada Antarafasa • Beban yg dikenakan pada bahan komposit akan dipindahkan drp matriks kepada bahan tetulang melalui antarafasa yg sempurna • Antarafasa yg sempurna diperlukan dlm PMC dan MMC – bagi memperolehi kebaikan kekakuan dan ‘load –bearing capacity’ yg ada pada bahan tetulang • Dlm CMC, antarafasa yg lemah diperlukan- utk meningkatkan keliatan

12. Dlm PMC, permukaan gentian dirawat utk meningkatkan pelekatan • Sbg cth., gentian kaca dirawat dengan gelatin, starch gum, hydrogented vegetable oil, dll utk melindungi gentian drp persekitaran & memudahkan pengendalian. Kaedah ini dipanggil ‘sizing’ • Agen pengkupel juga diperkenalkan utk meningkatkan ikatan pada antarafasa

13. Factors leading to good polymer-filler bonding

14. Jenis-jenis ikatan pada antafasa • Ikatan mekanikal • Ikatan elektrostatik • Ikatan kimia • Ikatan tindakbalas (reaction)

15. Ikatan mekanikal • - Penguncian mekanikal (Mechanical interlocking) • antara 2 permukaan seperti dalam gambarajah di • bawah menghasilkan jenis ikatan ini. • Permukaan yang tidak licin (rough) akan • meningkatkan ikatan mekanikal ini

16. Ikatan mekanikal ini lebih efektif sekiranya daya dikenakan selari dengan antarafasa (daya ricih) • Sekiranya daya tegangan dikenakan, kekuatannya adalah rendah melainkan wujud bentuk “A” yang banyak pada antarafasa tersebut • Kebiasannya ikatan mekanikal akan wujud barsama-sama dengan ikatan-ikatan lain pada antarafasa.

17. Ikatan Elektrostatik • -Ikatan yang terbentuk apabila satu permukaan bercas • positif dan satu permukaan lagi bercas negatif (rujuk • Rajah di atas) • Ikatan ini terbentuk dalam julat yang pendek di mana • Ianya efektif dalam jarak yang dekat sahaja • - Gas-gas yang terperangkap dan pencemaran • permukaan (surface contamination) akan • mengurangkan keberkesanan ikatan ini

18. Ikatan Kimia • Merupakan ikatan yang terbentuk di antara kumpulan2 kimia pada permukaan bahan tetulang (X) dan kumpulan2 compatible pada permukaan matriks (R) • Kekuatan ikatan kimia ini bergantung kepada bilangan ikatan per unit luas

19. Ikatan kimia kebiasaannya terbentuk disebabkan penggunaan agen pengkupel. Sebagai contoh, silane digunakan utk meningkatkan ikatan di antara kumpulan oksida (pada permukaan kaca) dengan molekul dalam matriks polimer.

20. Contoh ikatan kimia yang terbentuk apabila menggunakan agen pengkupel silane

21. Coupling Agents • To improve interaction between filler and polymer, by modifying filler surfaces • Used in low concentration (e.g. 0.1%), silane coupling agent- give rise to significant improvements in mechanical properties

22. Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling agent (3APTES)

23. Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling agent (3APTES) Flexural Properties of Treated and Untreated Ag/Epoxy Composites

24. Silver (Ag) filled epoxy composites; with the addition of silane coupling agent (3APTES) • After surface treatment of Ag, the dispersivity of Ag nanoparticles in epoxy system is remarkably improved. 155× 155× (a). 5 vol.% of untreated system (b). 5 vol.% of treated system Light microscopy micrographs reveal the degree of dispersivity Ag in epoxy matrix before and after chemical treatment of Ag

25. Ikatan tindakbalas • Berlaku di mana atom atau molekul pada permukaan • matriks dan bahan tetulang akan meresap (interdiffuse) • Bagi antarafasa yang melibatkan polimer, molekul2 • yang mengalami intertwining/ entanglement akan • Mempengaruhi ikatan ini

26. Contoh dalam sistem yang melibatkan logam dan seramik, interdiffusion spesis2 akan menghasilkan lapisan antaramuka (rujuk g/rajah) • Dalam MMC, lapisan antaramuka kebiasaannya adalah lebih rapuh, dikenali sebagai intermetallic compound • Lapisan antaramuka wujud dalam matriks seramik dan logam kerana pepmprosesan yang digunakan adalah pada suhu tinggi dan kadar resapan adalah tinggi pada suhu tinggi (Arrhenius equation)

27. Kaedah untuk mengukur kekuatan ikatan antarafasa • Ujian Gentian tunggal • Ujian Tarikan Keluar Gentian (a) • Prinsip mudah tetapi sukar dilakukan terutama utk gentian halus dan rapuh • Drp keputusan plot tegasan & terikan, kekuatan antarafasa, tenaga debonding dan tenaga pull-out dapat dikenalpasti

28. Ujian Tarikan Keluar Gentian (a)

29. Ujian Mampatan utk Kekuatan Ricih a/fasa (b) • Kekuatan ricih antarafasa (ζ1) dapat dikenalpasti dengan specimen spt g/r (b) • Apabila specimen dikenakan ujian mampatan, tegasan ricih terbentuk dihujung2 gentian kerana perbezaan elastik gentian & matriks • Debonding pada hujung gentian berlaku akibat tegasan ricih • ζ1 ~ 2.5 σc (σc ditentukan apb debonding mula berlaku pd hujung gentian- mudah sekiranya menggunakan matriks transparent)

31. Ujian Mampatan utk Kekuatan Tegangan a/fasa (c) • Debonding disebabkan oleh tegasan tegangan diperolehi dengan menggunakan spesimen (c) • Pada tegasan mampatan σc , kekuatan tegangan pada antaramuka σ1dicapai dan debonding berlaku • σ1 = Cσc , C adalah constant bergantung kepada nisbah Poisson dan Young Modulus gentian & matriks

32. Ujian Pukal Kaedah yang paling mudah & digunakan secara meluas B = lebar D = tebal S = pjg span

33. Pada beban, P, max tegasan tegangan σ pada bahagian bawah sampel diberi oleh • σ = 3PS/2D2B………(1) P= Beban, S=Pjg span, D= tebal B=lebar • Utk mengenalpasti kekuatan tegangan pd antarafasa, gentian dlm bentuk serenjang dengan pjg sampel digunakan. • Kekuatan tegangan pd antarafasa dikira dengan memasukkan nilai beban gagal kedlm formula (1)

34. Sampel yang mempunyai gentian yang selari dengan pjg sampel akan gagal dalam keadaan ricih pd antarafasa. • Tegasan ricih adalah maximum pd tengah sampel, ζ = ¾( P/BD)…………..(2) • Gabungkan formula (1) dan (2), ζ/σ = D/2S • Sampel yang pendek dan tebal meningkatkan kegagalan ricih • Ujian ini dikenali sbg short-beam bend test atau interlaminar shear test (ILSS)

35. Ujian Micro-indentation • Menggunakan ujian kekerasan micro-indentation • Mudah kerana tidak memerlukan penyediaan sampel • Indentor ditekankan menggunakan beban tertentu, P pada tengah gentian, menyebabkan gentian mengelincir sepanjang antarafasa • Sesuai digunakan utk CMC

36. Sifat-Sifat Komposit Ketumpatan dan Heat Capacity • Kedua-dua sifat ini boleh dijangkakan dengan Hukum Percampuran. • Ketumpatan, ρc = ρmVm + ρfVf • Heat Capacity,Cc =(CmρmVm + CfρfVf )/ ρc • V= pecahan isipadu, m=matriks, c=komposit, f= gentian, C= heat capacity

37. Modulus Elastik • Terdapat 2 Model utk menjangkakan sifat modulus elastik bagi komposit • (1) Keadaan Sama Terikan (Isostrain condition) - Beban dikenakan dalam arah gentian, assume equal deformation in the components (2) Keadaan Sama Tegasan (Isostress condition) - Gentian berada dalam keadaan perpendicular dengan tegasan yang dikenakan

38. Modulus Elastik vs Vf dibawah keadaan isostress dan isostrain, perhatikan bahan yg dibebankan dlm keadaan isostrain menunjukkan modulus yg tinggi

39. Kekuatan • Nilai kekuatan sukar utk dijangkakan dengan menggunakan Hukum Percampuran, ini kerana kekuatan merupakan sifat yang sangat sensitif terhadap struktur - Sebagai contoh, struktur matriks dan gentian boleh berubah sewaktu pemprosesan

40. Keliatan • Keliatan bergantung kepada beberapa faktor: • Komposisi dan mikrostruktur matriks • Jenis, saiz dan orientasi gentian • Pemprosesan yg dilakukan ke atas komposit, yg memberi kesan ke atas mikrostruktur, spt keliangan, taburan gentian, dll

41. Kegagalan dalam Komposit • Dalam mengenalpasti kegagalan komposit, mikrostruktur sgt penting • Pertimbangkan komposit dengan terikan kegagalan gentian kurang daripada terikan kegagalan matriks. • Terdapat 2 jenis kegagalan dlm komposit ini • Kegagalan tunggal • Kegagalan Banyak (multiple)

42. Kegagalan tunggal • Apabila gentian gagal, matriks tidak berupaya untuk menanggung beban, jadi komposit akan gagal dalam satu satah

43. 2) Kegagalan Banyak (multiple) • Berlaku apabila gentian akan gagal dalam beberapa segmen sehingga terikan kegagalan matriks dicapai

44. Common structural defect in composites • Matrix-rich (fiber-poor) regions • Voids • Micro-cracks (may be due to thermal mismatch between the components, curing stresses, or absorption of moisture during processing) • Debonded regions • Delamination regions • Variation in fiber alignment