Material Science: Fiber Reinforced Polymers (FRP)

Composite Materials

Fiber Reinforced Polymers (FRP)

• A composite material consisting of fibers embedded in a polymer matrix
• Fibers provide strength and stiffness, while the matrix binds the fibers together and distributes loads
• Common fiber types:
  • Carbon fibers (high strength, low weight, high cost)
  • Glass fibers (high strength, low cost, moderate weight)
  • Aramid fibers (high strength, high toughness, moderate cost)
• Common polymer matrices:
  • Thermoset polymers (e.g. epoxy, polyester) - cross-linked, cannot be melted and reshaped
  • Thermoplastic polymers (e.g. polypropylene, nylon) - can be melted and reshaped
• Applications:
  • Aerospace (aircraft, spacecraft)
  • Automotive (body panels, chassis)
  • Sports equipment (bicycles, golf clubs)
  • Construction (bridges, buildings)

Sandwich Structures

• A composite material with three layers:
  1. Thin, stiff facings (skins) - typically FRP or metal
  2. Thick, lightweight core - typically foam, honeycomb, or balsa wood
  3. Thin, stiff facings (skins)
• The core provides shear stiffness and compressive strength, while the facings provide tensile strength and compressive strength
• Advantages:
  • High strength-to-weight ratio
  • Good thermal insulation
  • Reduced material usage
• Applications:
  • Aerospace (aircraft, spacecraft)
  • Marine (boat hulls, ship decks)
  • Construction (building walls, roofs)

Hybrid Materials

• A composite material combining two or more different types of fibers or matrices
• Examples:
  • Carbon-glass fiber hybrid (combines high strength of carbon fibers with low cost of glass fibers)
  • Thermoset-thermoplastic hybrid (combines high temperature resistance of thermoset with recyclability of thermoplastic)
• Advantages:
  • Optimized performance and cost
  • Improved damage tolerance
  • Enhanced multifunctionality
• Applications:
  • Aerospace (aircraft, spacecraft)
  • Automotive (engine components, body panels)
  • Sports equipment (bicycles, golf clubs)

Laminates

• A composite material consisting of layers (plies) of material bonded together
• Each ply can have different properties, such as fiber orientation or matrix type
• Examples:
  • Unidirectional laminates (all plies have fibers in same direction)
  • Multidirectional laminates (plies have fibers in different directions)
• Advantages:
  • Tailored properties and performance
  • High strength-to-weight ratio
  • Good fatigue resistance
• Applications:
  • Aerospace (aircraft, spacecraft)
  • Automotive (body panels, chassis)
  • Sports equipment (bicycles, golf clubs)

Bahan Komposit

Polimer yang Diperkuat dengan Serat (FRP)

• Bahan komposit yang terdiri dari serat yang tertanam dalam matriks polimer
• Serat menyediakan kekuatan dan kekakuan, sedangkan matriks mengikat serat bersama dan mendistribusikan beban
• Jenis serat yang umum:
  • Serat karbon (kekuatan tinggi, berat rendah, biaya tinggi)
  • Serat kaca (kekuatan tinggi, biaya rendah, berat sedang)
  • Serat aramid (kekuatan tinggi, kekakuan tinggi, biaya sedang)
• Jenis matriks polimer yang umum:
  • Polimer termoset (misalnya epoksi, poliester) - Bersifat cross-linked, tidak dapat dilelehkan dan dibentuk ulang
  • Polimer termoplastik (misalnya polipropilena, nilon) - dapat dilelehkan dan dibentuk ulang
• Aplikasi:
  • Industri aerospace (pesawat, wahana antariksa)
  • Industri otomotif (panel bodi, chassis)
  • Peralatan olahraga (sepeda, klub golf)
  • Konstruksi (jembatan, bangunan)

Struktur Sandwich

• Bahan komposit dengan tiga lapisan:
  • Lapisan kulit (facings) yang tipis dan kaku - biasanya FRP atau metal
  • Lapisan inti yang tebal dan ringan - biasanya busa, sarang lebah, atau kayu balsa
  • Lapisan kulit (facings) yang tipis dan kaku
• Lapisan inti menyediakan kekakuan geser dan kekuatan kompresi, sedangkan lapisan kulit menyediakan kekuatan tarik dan kompresi
• Kelebihan:
  • Rasio kekuatan-berat yang tinggi
  • Isolasi termal yang baik
  • Penggunaan material yang efisiensi
• Aplikasi:
  • Industri aerospace (pesawat, wahana antariksa)
  • Industri maritim (badan kapal, dek kapal)
  • Konstruksi (dinding bangunan, atap)

Bahan Hybrid

• Bahan komposit yang menggabungkan dua atau lebih jenis serat atau matriks yang berbeda
• Contoh:
  • Hybrid serat karbon-kaca (menggabungkan kekuatan tinggi serat karbon dengan biaya rendah serat kaca)
  • Hybrid termoset-termoplastik (menggabungkan resistensi suhu tinggi termoset dengan kekuatan daur ulang termoplastik)
• Kelebihan:
  • Performa dan biaya yang optimal
  • Toleransi kerusakan yang lebih baik
  • Multifungsi yang lebih baik
• Aplikasi:
  • Industri aerospace (pesawat, wahana antariksa)
  • Industri otomotif (komponen mesin, panel bodi)
  • Peralatan olahraga (sepeda, klub golf)

Laminat

• Bahan komposit yang terdiri dari lapisan (plies) material yang dijalin bersama
• Setiap lapisan dapat memiliki sifat yang berbeda, seperti orientasi serat atau jenis matriks
• Contoh:
  • Laminat unidirectional (semua lapisan memiliki serat dalam arah yang sama)
  • Laminat multidirectional (lapisan memiliki serat dalam arah yang berbeda)
• Kelebihan:
  • Sifat dan performa yang dapat disesuaikan
  • Rasio kekuatan-berat yang tinggi
  • Resistensi kelelahan yang baik
• Aplikasi:
  • Industri aerospace (pesawat, wahana antariksa)
  • Industri otomotif (panel bodi, chassis)
  • Peralatan olahraga (sepeda, klub golf)