Material Keramik

Pengertian Keramik

Keramik berasal dari bahasa Yunani Keramos yang berarti periuk atau belanga yang terbuat dari tanah (Astuti, 1997 dalam Trisnawanti, 2008). Keramik adalah semua benda-benda yang terbuat dari tanah liat/lempung yang mengalami suatu proses pengerasan dengan pembakaran suhu tinggi. Pengertian keramik yang lebih luas dan umum adalah “Bahan yang dibakar tinggi” termasuk didalamnya semen, gips, metal dan lainnya. Sebelum diproses menjadi keramik, segi penting sifat bubuk mineralnya adalah ukuran partikel (yang mengganti sifat akhir) serta distribusi sifat partikel (mempengaruhi rapatan). Adapun sifat keramik antara lain:

a.    Tidak korosif

b.    Ringan

c.    Keras

d.   Stabil pada suhu tinggi.

Keramik memiliki struktur organik dan non organik  seperti gelas  tetapi kebanyakan memiliki struktur kristal. Struktur mikro keramik selalu kompleks dan dibedakan oleh adanya batas butir (grain boundaries), renik (pores), ketidakmurnian dan kondisi multifasa yang membuatnya lebih bervariasi. Pada daerah batas butir energi bertambah sehingga ketidakmurnian cenderung berkumpul di  sana. Ketidakmurnian merupakan fasa kedua dan ketiga, antara partikel  penyusun (konstituen)  ke dalam batas butir. Dengan adanya penambahan ketidakmurnian dan zat aditif lainnya, mikrostruktur dapat berubah, jika diamati pada batas butirnya maupun  porositasnya. Kondisi mikrostruktur ini menggambarkan keadaan terhadap sifat fisis dan kimia dari keramik.

 

Bahan Dasar Keramik

Pada dasarnya bahan dasar keramik antara lain :

1. Tanah Liat (lempung)

Tanah liat (lempung) sebagai bahan pokok untuk pembuatan keramik, merupakan salah satu bahan yang kegunaannya sangat menguntungkan bagi manusia karena bahannya yang mudah didapat dan pemakaian hasilnya yang sangat luas. Kira-kira 70% atau 80% dari kulit bumi terdiri dari batuan merupakan sumber tanah liat. Tanah liat banyak ditemukan di areal pertanian terutama persawahan. Dilihat dari sudut ilmu kimia, tanah liat termasuk hidrosilikat alumina dan dalam keadaan murni mempunyai rumus: Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O  dengan perbandingan berat dari unsur-unsurnya: Oksida Silinium (SiO₂) 47%, Oksida Aluminium (Al₂O₃) 39%, dan Air (H₂O) 14% (Gatot, 2003 dalam Abdullah, 2005).

Bentuknya seperti lempengan kecil-kecil hampir berbentuk segi enam dengan permukaan yang datar. Bentuk kristal; seperti ini menyebabkan tanah liat bila dicampur dengan air mempunyai sifat liat (plastis), mudah dibentuk karena kristal-kristal ini meluncur di atas satu dengan yang lain denga air sebagai pelumasnya (Astuti, 1997 dalam Trisnawanti, 2008).

Mineral liat terbentuk dari hasil hancuran iklim terhadap mineral primer atau batuan yang mengandung mineral  feldspar, mika, piroksin dan eamfibol. Pada dasarnya mineral liat dapat dibedakan atas 2 kelompok senyawa, yaitu liat silikat dan liat bukan silikat. Liat silikat kemudian dibedakan pila dalam 3 tipe yaitu : tipe 1:1, 2:1, dan tipe 2:2. Tipe dalam hal ini menunjukkan perbandingan antara Si-tetraeder dengan Al-oktaeder. Dengan mengetahui tipe mineral liat juga dapat ditentukan tingkat hancuran suatu tanah. Tanah yang mengandung liat 1:1 menunjukkan suatu tanah yang lebih tua daripada tanah berliat tipe 2:1. Karena Si telah habis tercuci. Disamping liat silikat amorfus, yaitu alofan. Liat bukan silikat merupakan kelompok senyawa hidrus oksida besi dan aluminum. Nama hidrus oksida mencerminkan asosiasi antara molekul air dan oksida (Hakim, 1986).

Tanah liat memiliki sifat-sifat yang khas yaitu bila dalam keadaan basah  mempunyai sifat plastis tetapi bila dalam keadaan kering akan menjadi keras, sedangkan bila dibakar akan menjadi padat dan kuat. Pada umumnya, masyarakat memanfaatkan tanah liat (lempung) sebagai bahan baku pembuatan bata dan gerabah. 

2. Kuarsa (SiO₂ )

Kuarsa (mineral silika) adalah salah satu komponen utama dalam pembentukan keramik dan banyak terdapat di permukaan bumi (sekitar 60%). Bentuk umum fasa kristal kuarsa adalah tridimit, quartz dan kristobalit, tergantung pada temperaturnya. Jenis kristal silika yang ada di alam adalah kuarsa, sedangkan tridimit dan kristobalit jarang dijumpai. Kuarsa memiliki keplastisan rendah dan titik lebur tinggi sekitar 1728°C, tetapi hasil pembakarannya kuat dan keras. Bahan baku kuarsa dapat diperoleh dari batuan atau pasir kuarsa dengan kandungan silika tinggi.

3. Feldspar

Feldspar adalah suatu kelompok mineral yang berasal dari batu karang yang ditumbuk dan dapat memberikan sampai 25 % flux (pelebur) pada badan keramik. Bila keramik dibakar, feldspar akan meleleh (melebur) dan membentuk leburan gelas yang menyebabkan partikel tanah dan bahan lainnya melekat satu sama lain. Pada saat membeku, bahan ini memberikan kekuatan pada badan keramik. Feldspar tidak larut dalam air, mengandung alumina, silika dan flux yang digunakan untuk membuat gelasir suhu tinggi.

Feldspar pada saat ini nerupakan group mineral dengan jumlah mineral yang paling besar di kerak bumi, membentuk sekitar 60% batuan terrestrial (Indiani, 2009). Kebanyakan feldspar yang tersedia berupa sodium feldspar, potassium feldspar dan feldspar campuran. Feldspar kebanyakan digunakan pada aplikasi-aplikasi industri yang membutuhkan kandungan feldspar yang berupa alumina dan alkali.

Rumus kimia feldspar secara umum adalah XAl(Al,Si)Si₂O₈ dengan X adalah potassium, sodium, kalsium atau barium. Secara khusus rumus kimia feldspar dapat dilihat pada Tabel 1.

Jenis Feldspar	Rumus Kimia
Albite	Na(Si,Al)O
Anorthite	Ca(Si,Al)O
Orthoclase	K(Si,Al)O
Celsian	Ba(Si,Al)O

Table 2.1. Jenis-jenis feldspar Sumber: K. McPhee (1959) dalam Indiani (2009)

4. Serbuk Kaca/Cullet

Cullet adalah serbuk kaca yang sangat kecil. Kaca biasanya dihasilkan dari campuran silicon atau bahan dioksida (SiO₂) yang merupakan benda amorf, dibentuk melalui prosesan pemadatan dari peleburan tanpa kristalisasi. Kaca kadang-kadang dianggap sebagai cairan kental (viskos) kareana bukan kristalin atau amorf. Akan tetapi hanya beberapa cairan yang dapat membentuk kaca. Pada suhu tinggi, kaca merupakan cairan sejati, dan pada fase cair ini struktur dari bahan-bahan anorganik belum beraturan dan atom-atomnya selalu bergerak terus-menerus.

Sifat-Sifat Keramik

Sifat-sifat dari keramik dipengaruhi oleh perubahan mikrostruktur pada batas butiran maupun pada porositasnya. Sifat-sifat keramik antara lain :

1.    Keras, kuat, tetapi bersifat getas atau mudah pecah.

2.    Tahan terhadap korosi.

3.    Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.

4.    Sifat listriknya dapat menjadi isolator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor.

5.    Dapat bersifat magnetik dan non magnetik.

Jenis Bahan Keramik Menurut Kepadatan (Anonim, 2007)

 Gerabah (Earthenware)

Dibuat dari semua jenis bahan tanah liat yang plastis dan mudah dibentuk dan dibakar pada suhu maksimum 1000°C. Keramik jenis ini struktur dan teksturnya sangat rapuh, kasar dan masih berpori. Agar supaya kedap air, gerabah kasar harus dilapisi glasir, semen atau bahan pelapis lainnya. Gerabah termasuk keramik berkualitas rendah apabila dibandingkan dengan keramik batu (stoneware) atau porselin. Bata, genteng, paso, pot, anglo, kendi, gentong dan sebagainya termasuk keramik jenis gerabah. Genteng telah banyak dibuat berglasir dengan warna yang menarik sehingga menambah kekuatannya. 

Keramik Batu (Stoneware) 

Dibuat dari bahan lempung plastis yang dicampur dengan bahan tahan api sehingga dapat dibakar pada suhu tinggi (1200°-1300°C). Keramik jenis ini mempunyai struktur dan tekstur halus dan kokoh, kuat dan berat seperti batu. Keramik jenis termasuk kualitas golongan menengah.

Porselin (Porcelain)

Porselin adalah jenis keramik bakaran suhu tinggi yang dibuat dari bahan lempung murni yang tahan api, seperti kaolin, alumina dan silika. Oleh karena badan porselin jenis ini berwarna putih bahkan bisa tembus cahaya, maka sering disebut keramik putih. Pada umumnya, porselin dipijar sampai suhu 1350°C atau 1400°C, bahkan ada yang lebih tinggi lagi hingga mencapai 1500°C. Porselin yang tampaknya tipis dan rapuh sebenarnya mempunyai kekuatan karena struktur dan teksturnya rapat serta keras seperti gelas. Oleh karena keramik ini dibakar pada suhu tinggi maka dalam bodi porselin terjadi penggelasan atau vitrifikasi. Secara teknis keramik jenis ini mempunyai kualitas tinggi dan bagus, disamping mempunyai daya tarik tersendiri karena keindahan dan kelembutan khas porselin. Juga bahannya sangat peka dan cemerlang terhadap warna-warna glasir.

Keramik Baru (New Ceramic)

Adalah keramik yang secara teknis, diproses untuk keperluan teknologi tinggi seperti peralatan mobil, listrik, konstruksi, komputer, cerobong pesawat, kristal optik, keramik metal, keramik multi lapis, keramik multi fungsi, komposit keramik, silikon, bioceramic, dan keramik magnit. Sifat khas dari material keramik jenis ini disesuaikan dengan keperluan yang bersifat teknis seperti tahan benturan, tahan gesek, tahan panas, tahan karat, tahan suhu kejut seperti isolator, bahan pelapis dan komponen teknis lainnya. 

Tahap Pembuatan Keramik

Ada beberapa tahapan proses yang harus dilakukan untuk membuat suatu produk keramik, yaitu:

1. Pengolahan bahan

Tujuan pengolahan bahan ini adalah untuk mengolah bahan baku dari berbagai material yang belum siap pakai menjadi badan keramik plastis yang telah siap pakai. Pengolahan bahan dapat dilakukan dengan metode basah maupun kering, dengan cara manual ataupun masinal. Didalam pengolahan bahan ini ada proses-proses tertentu yang harus dilakukan antara lain pengurangan ukuran butir, penyaringan, pencampuran, pengadukan (mixing), dan pengurangan kadar air. Pengurangan ukuran butir dapat dilakukan dengan penumbukan atau penggilingan dengan ballmill. Penyaringan dimaksudkan untuk memisahkan material dengan ukuran yang tidak seragam. Ukuran butir biasanya menggunakan ukuran mesh. Ukuran yang lazim digunakan adalah 60 – 100 mesh. Pencampuran dan pengadukan bertujuan untuk mendapatkan campuran bahan yang homogen/seragam. Pengadukan dapat dilakukan dengan cara manual maupun masinal dengan blunger maupun mixer. Pengurangan kadar air dilakukan pada proses basah, dimana hasil campuran bahan yang berwujud lumpur dilakukan proses lanjutan, yaitu pengentalan untuk mengurangi jumlah air yang terkandung sehingga menjadi badan keramik plastis. Proses ini dapat dilakukan dengan diangin-anginkan diatas meja gips atau dilakukan dengan alat filterpress. Tahap terakhir adalah pengulian. Pengulian dimaksudkan untuk menghomogenkan massa badan tanah liat dan membebaskan gelembung-gelembung udara yang mungkin terjebak. Massa badan keramik yang telah diuli, disimpan dalam wadah tertutup, kemudian diperam agar didapatkan keplastisan yang maksimal.

2. Pembentukan

Tahap pembentukan adalah tahap mengubah bongkahan badan tanah liat plastis menjadi benda-benda yang dikehendaki. Ada tiga keteknikan utama dalam membentuk benda keramik: pembentukan tangan langsung (handbuilding), teknik putar (throwing), dan teknik cetak (casting). 

Dalam membuat keramik dengan teknik pembentukan tangan langsung, ada beberapa metode yang dikenal selama ini: teknik pijit (pinching), teknik pilin (coiling), dan teknik lempeng (slabbing).

Pembentukan dengan teknik putar adalah keteknikan yang paling mendasar dan merupakan kekhasan dalam kerajinan keramik. Karena kekhasannya tersebut, sehingga keteknikan ini menjadi semacam icon dalam bidang keramik. Dibandingkan dengan keteknikan yang lain, teknik ini mempunyai tingkat kesulitan yang paling tinggi. Seseorang tidak begitu saja langsung bisa membuat benda keramik begitu mencobanya. Diperlukan waktu yang tidak sebentar untuk melatih jari-jari agar terbentuk ’feeling’ dalam membentuk sebuah benda keramik. Keramik dibentuk diatas sebuah meja dengan kepala putaran yang berputar. Benda yang dapat dibuat dengan keteknikan ini adalah benda-benda yang berbentuk dasar silinder: misalnya piring, mangkok, vas, guci dan lain-lain. Alat utama yang digunakan adalah alat putar (meja putar). Meja putar dapat berupa alat putar manual mapupun alat putar masinal yang digerakkan dengan listrik. Secara singkat tahap-tahap pembentukan dalam teknik putar adalah: centering (pemusatan), coning (pengerucutan), forming (pembentukan), rising (membuat ketinggian benda), refining the contour (merapikan).

Dalam keteknikan ini, produk keramik tidak dibentuk secara langsung dengan tangan; tetapi menggunakan bantuan cetakan/mold yang dibuat dari gipsum. Teknik cetak dapat dilakukan dengan 2 cara: cetak padat dan cetak tuang (slip). Pada teknik cetak padat bahan baku yang digunakan adalah badan tanah liat plastis sedangkan pada teknik cetak tuang bahan yang digunakan berupa badan tanah liat slip/lumpur. Keunggulan dari teknik cetak ini adalah benda yang diproduksi mempunyai bentuk dan ukuran yang sama persis. Berbeda dengan teknik putar atau pembentukan langsung,

3. Pengeringan

Setelah benda keramik selesai dibentuk, maka tahap selanjutnya adalah pengeringan. Tujuan utama dari tahap ini adalah untuk menghilangkan air plastis yang terikat pada badan keramik. Ketika badan keramik plastis dikeringkan akan terjadi 3 proses penting: (1) Air pada lapisan antarpartikel lempung mendifusi ke permukaan, menguap, sampai akhirnya partikel-partikel saling bersentuhan dan penyusutan berhenti; (2) Air dalam pori hilang tanpa terjadi susut; dan (3) air yang terserap pada permukaan partikel hilang. Tahap-tahap ini menerangkan mengapa harus dilakukan proses pengeringan secara lambat untuk menghindari retak/cracking terlebih pada tahap 1 (Norton, 1975/1976). Proses yang terlalu cepat akan mengakibatkan keretakkan dikarenakan hilangnya air secara tiba-tiba tanpa diimbangi penataan partikel tanah liat secara sempurna, yang mengakibatkan penyusutan mendadak. Untuk menghindari pengeringan yang terlalu cepat, pada tahap awal benda keramik diangin-anginkan pada suhu kamar. Setelah tidak terjadi penyusutan, pengeringan dengan sinar matahari langsung atau mesin pengering dapat dilakukan.

4. Pembakaran

Pembakaran merupakan inti dari pembuatan keramik dimana proses ini mengubah massa yang rapuh menjadi massa yang padat, keras, dan kuat. Pembakaran dilakukan dalam sebuah tungku/furnace suhu tinggi. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi hasil pembakaran: suhu sintering/matang, atmosfer tungku dan tentu saja mineral yang terlibat (Magetti, 1982). Selama pembakaran, badan keramik mengalami beberapa reaksi-reaksi penting, hilang/muncul fase-fase mineral, dan hilang berat (weight loss). Secara umum tahap-tahap pembakaran maupun kondisi api furnace dapat dirinci dalam tabel.

Pembakaran biscuit

Pembakaran biskuit merupakan tahap yang sangat penting karena melalui pembakaran ini suatu benda dapat disebut sebagai keramik. Biskuit (bisque) merupakan suatu istilah untuk menyebut benda keramik yang telah dibakar pada kisaran suhu 700 – 1000oC. Pembakaran biskuit sudah cukup membuat suatu benda menjadi kuat, keras, kedap air. Untuk benda-benda keramik berglasir, pembakaran biskuit merupakan tahap awal agar benda yang akan diglasir cukup kuat dan mampu menyerap glasir secara optimal.

5. Pengglasiran
Pengglasiran merupakan tahap yang dilakukan sebelum dilakukan pembakaran glasir. Benda keramik biskuit dilapisi glasir dengan cara dicelup, dituang, disemprot, atau dikuas. Untuk benda-benda kecil-sedang pelapisan glasir dilakukan dengan cara dicelup dan dituang; untuk benda-benda yang besar pelapisan dilakukan dengan penyemprotan. Fungsi glasir pada produk keramik adalah untuk menambah keindahan, supaya lebih kedap air, dan menambahkan efek-efek tertentu sesuai keinginan.

Aplikasi Keramik Dalam Kehidupan Sehari-Hari 

 
1. Komponen Dapur/Oven (furnace) : Refraktori padat, Isulator, Refraktori cor, Penanganan logam cair, Elemen pemanas, Perkakas oven;
2. Komponen Mesin Otomotif : Busi, Sil pompa, Katup, Rotor turbocharger, piston;
3. Komponen Gas Turbin : Ruang Bakar, Sudu-sudu turbin, Pemindah panas;
4. Penahan Panas : Dinding pesawat ulang alik, Isolator panas, Lapisan penahan panas, Bahan tahan api;
5. Komponen tahan aus : Alat-alat potong, Penempa (die), Kran (nozzle), Sil dan plunyer pompa, Lining dan alat Miling, Abrasif, Pelumas padat, Alat ukur standar;
6. Keramik Tangguh : benang (fiber), Whisker (fiber), Peralatan golf, Lempengan tahan peluru, Bantalan, pisau dan gunting;
7. Keramik Optik : benang optic, Lensa, Laser, Alumina translusen, Dioda, Keramik luminesen;
8. Pelapis Keramik: Tahan aus, Tahan korosi, Penghalang panas, Dielektrik, Pelumas, Katalis;
9. Keramik Elektromagnetik: Elemen magnet, Kapasitor, Resistor, IC substrat, Sensor oksigen, Sel bahan baker, Pompa oksigen, Superkonduktor, Elektroda, Varistor, Pizoelektrik, Isulator, Termistor, Semikonduktor, Konduktor ion;
10. Keramik Bangunan : Atap, lantai, Kaca jendela, Semen dan Beton, Gelas keramik, Terakota, Gerabah, Batu bata;
11. Biokeramik: Pengganti tulang, Pengganti gigi, Katup jantung, Porselin gigi;
12. Saringan dan Selaput Keramik : Selaput pemisah cairan, Selaput pemisah gas, Saringan logam cair;
13. Keramik Nuklir : Bahan bakar nuklir, Moderator, Pelindung, Kapsul gelas, Pembungkus bahan bakar nuklir.