Concrete Up-dates

This post follows naturally from my two previous posts on CO2 reduction in Concrete manufacturing and use throughout it's life-span. The figure opposite sums-up much of what has be written previously and is taken from a full well presented article in the NYT of 11 April 2009 entitled Concrete Is Remixed With Environment in Mind.

As often quoted in my pages (Napoleon) "A good drawing is worth more than a long discourse" the reader is cordially invited to consult the figure-click to enlarge.

The article is an excellent paper for public understanding of cement and concrete. All sort of careful chemistry is going on: Some add silica fume industrial waste which improves impermeability and gives reinforced steel bars corrosion protection from road salts. Some add titanium oxide to accelerate oxidation which breaks down organic airborne pollutants so producing a permanently attractive white surface.

NYT reporter Henry Fountain, goes much further than the scientists reported in my earlier post and introduces NYT readers to the much more heartening and ambitious aim of "reversing the manufacturing CO2 emissions equation" to achieve a negative carbon emissions, or overall absorption during the "concrete life-cycle", by both reducing the emissions during production and absorption of CO2 during it's useful life.

"Some researchers want to eventually eliminate Portland cement entirely and replace it with other cements to produce zero-carbon, or even carbon-negative, concrete."

Dr. Brent R. Constantz, company founder, of Calera does not describe Calera as a cement company:

“We’re primarily driven by the need to capture large amounts of CO2 and sequester it,”

NB. The high standard fall-out from Dr. Constantz, background in cements, having made specialty products for use in orthopedic surgery. But he

Back-ground from from NYT- cement manufacture basic process:

"Portland cement is at the heart of concrete’s environmental problems. About a ton of CO2 is emitted for every ton of cement produced. The basic manufacturing process involves burning limestone and other minerals at about 2,700 degrees Fahrenheit(about 1480°C) to create an intermediate product called clinker.

“Essentially, we’re trying to make the same minerals that they did in 1825,” said Mr. Stehly, who is head of a committee addressing sustainability issues at the American Concrete Institute.

The cement industry, particularly in the United States and Europe, has reduced CO2 emissions through the use of more efficient kilns and processes, and is now allowed to add some ground unburned limestone to the clinker, reducing the actual cement in the mix. But about half of the CO2 from cement cannot be eliminated — it is produced in the reaction, called calcination, that occurs as the limestone (which consists of calcium carbonate) is being burned."



NYT points to two innovative companies, strongly engaged in this adventure:

1. Calera Corporation, is developing a process to bubble gas-fired electric power plant flue gases through seawater or other brackish water, using the CO2 in the gases to precipitate carbonate minerals for use as cement or aggregates in concrete. The process mimics, to some extent, what corals and other calcifying marine organisms do.

2. Carbon Science associated with Novacem, a British start-up, is developing a cement that does not use carbonates and can make concrete that absorbs carbon dioxide.

1. Calera Corporation,

At a site adjacent to a gas-fired electricity generation plant in Moss Landing, Calif., the Calera Corporation is developing a process to bubble power plant flue gases through seawater or other brackish water, using the CO2 in the gases to precipitate carbonate minerals for use as cement or aggregates in concrete. The process mimics, to some extent, what corals and other calcifying marine organisms do.

Calera calculates that producing a ton of these minerals consumes half a ton of CO2, so the resulting concrete could potentially be carbon negative — sequestering carbon dioxide permanently.

Brent R. Constantz, the company’s founder, has a background in cements, having made specialty products for use in orthopedic surgery. But he does not describe Calera as a cement company. “We’re primarily driven by the need to capture large amounts of CO2 and sequester it,” he said.

The company probably will begin by making aggregate, because the barriers to making a commercially acceptable product are lower than with cement. Even with aggregate, any new product must meet standards and must be accepted by the concrete industry, which can be conservative. “Any time you introduce anything new,” Dr. Constantz said, “it’s a challenge.”

More about Calera in Scientific American[pdf].

2. Carbon Science associated with Novacem, a British start-up, is developing a cement that does not use carbonates and can make concrete that absorbs carbon dioxide.


"To reduce concrete’s carbon footprint to near zero or less, different approaches are needed. Novacem, a British start-up, is developing a cement that does not use carbonates and can make concrete that absorbs carbon dioxide. Carbon Sense Solutions, in Halifax, Nova Scotia, wants to bubble CO2 through wet cement, sequestering the gas through carbonation (a process that occurs naturally, though very slowly, under normal conditions)."

My professional house journal, Materials World, almost a year earlier (7 months ago) in their news report entitled Concrete carbonation,MW 01 Oct. 2008 described the above second highly innovative company(2) in a balance way.

The pros (a) and cons(b)
a)The pros:

Combustion flue gases will be redirected to the curing process. The resulting effluent is scrubbed of CO2 in under an hour. The gas is stored in the concrete as calcite with no further reactions occurring.

‘Calcite, otherwise known as limestone, is the process feedstock for cement. We are simply reverting it back to its natural and most stable state. You can call this cradle-to-cradle engineering,’ says Robert President of Carbon Sense Solutions. The material is said to store up to half the weight of cement as CO2.

Niven is guarded about revealing more about the process, but says, compared to previous efforts at concrete carbonation, this work involves ‘a new reactor design that achieves complete carbonation, faster processing and improved material properties [faster early strength development, lower permeability, reduced shrinkage cracking and efflorescence resistance]’.

b) The cons:

However, concrete and cement science expert Dr Charles Fentiman of Fentiman Consulting in Southwater, UK, is sceptical about the ability to achieve complete carbonation during curing. He reserves judgement until the work is taken out of the laboratory and shown to overcome the practical problems that have impeded academics and industry for decades.

He says, ‘This seems to be an idea of making concrete elements and giving a warm cure in CO2. [But] in my experience, as soon as cement hydration starts, the CO2 coats everything and blocks further hydration. It does accelerate hardening, but then ongoing strength development is low and the concrete remains porous because hydration is blocked’.

Fentiman explains that academics have previously tried to overcome this through super-critical carbonation after the concrete has cured and the cement hydrated. However, ‘this would greatly slow the manufacturing process and the extra cost would need to be covered by the end user’.

Prepare for the worst but hope for the Best.

Link: Innovation_Two Commented Videos not to be Overlooked_Your Company (profit and loss) and even Country (Survival) bottom lines in Greatest Danger!

Link
Conversations-on-Innovations: Innovation_Two Commented Videos not to be Overlooked_Your Company (profit and loss) and even Country (Survival) bottom lines in Greatest Danger

Concrete Thinkers_Putting CO2 emissions into perspective_but how sucessful are they in this?

In my previous post, I recommended, from my scant readings of non-metallic materials, The Portland Cement Association ,Concrete Thinkers _ page and mentioned in my post, what I saw as short comings in several science news releases from the scientific community.

Specifically, I felt that the scientific teams mentioned lacked commitment and resolve in setting their sights and hence their objectives to the highest levels, ie. choosing near zero-carbon emissions and not categorically "zero-carbon emissions". [Either the scientists in question appeared to lack commitment and resolve in setting their objectives or having seen how difficult getting results from the lab. to full scale in industrial ( socio-economic) practice preferred to remain modest and prudent, I did not know. But we shall see in posts to follow that more ambitious approaches seek not only to achieve zero-emissions but carbon negative standards ie. CO2 absorption rather than emissions.]

Back to Concrete Thinkers site,while it does give a good summary of the state of the art, progress and approaches which now lead to 2% or less CO2 emissions with referenced white papers, the paragraph which caught my eye for future reference was as in the title of my current post title "Putting CO2 emissions into perspective". Upon a second reading with intent to blog I found the paragraph guilty of many of the faults over and above the use of non- International standard Organisation (ISO) units. The paragraph leads the reader to believe that one will gain a much more balance view of activities leading to specific and CO2 emissions based on units and comparable chores (daily,annual etc.) Meaningless comparisons, activities are not comparable between one another, no comparable standard activity is taken when common energy units are an obvious choice and these could be related to some common daily "global" activity cf. Prof David J.C. MacKay's approach referenced below:

Read Concret Thinkers page with some specific critical comments as follows:

"The manufacture of cement produces about 0.9 pounds of CO2 for every pound of cement. Since cement is only a fraction of the constituents in concrete, manufacturing a cubic yard of concrete (about 3900 lbs) is responsible for emitting about 400 lbs of CO2.[1] The release of 400 lbs of CO2 is about equivalent to[2]" [refs.1,2 refer to papers on their site]:

* The CO2 associated with using 16 gallons of gas in a vehicle (what sort of vehicle!!!)
(16x3.79 litres = 60.64 litres and if your Limousine gives you 100 kms per 5 litres then, => 60.64 /5)x100 = 1212.8kms and say at a speed of 100km/h Then you get 12.12h driving pleasure!)

* The CO2 associated with using a home computer for a year (24h a day connected?)
* The CO2 associated with using a microwave oven in a home for a year (a few minutes or 1 h, lets say per day?)
* The CO2 saved each year by replacing 9 light bulbs (N° of W (Watts and KWh?) in an average house with compact fluorescent light bulbs (Units please?)

Other sources responsible for CO2 emissions include: [I have given the conversion factors below to play with but....

* 28,400 lbs for an average U.S. house in a year
* 26,500 lbs for two family vehicles in the U.S. in a year
* 880,000 lbs for a 747 passenger jet traveling from New York to London

The reason concrete is responsible for 1.5 to 2% of the U.S. anthropogenic CO2 (that is, due to humans) is due to the vast quantities of concrete used in the world around us.

Metrics - Conversion
lbs, US: 1 pounds (lbs) (avoirdupois) is equal to 0.45 kilograms

Yards cu: 1 cubic yards is equal to 0.76 cubic meters
1 cu yd concrete 3900lbs ( kg) => 400lbs CO2 )

gallons US: 1 gallon (US) is equal to 3.79 liters
gallons GB: 1 gallon (British) is equal to 4.55 liters

miles 1 miles (statute) is equal to 1.61 kilometers.

Concrete
400lbs/3900lbs roughly, 1/10 =10% CO2
Therefore, For every unit weight of concrete produced the weight of CO2 emissions is 1/10 or 10% of the weight of concrete produced
Cement
For every unit weight of cement produced approximately the same weight of CO2 is emitted. (or 1 unit of cement produced roughly 0.9 or 90% of CO2 emissions is also produced)

Does anyone know of a better account?

Sources and References:

1. The Portland Cement Association ,Concrete Thinkers _ page

2. A much better approach is that of Cambridge,UK, Prof. David J.C. MacKay, in his freely available ebook Without Hot Air!

What a coincidence (serendipity) I came across David MacKay's Video on light bulbs!

3. CO2 and other greenhouse gases GHG's
Global Warming Potentials (GWP) and Atmospheric Lifetimes (Years)
LINK to US Environment Protection Agency (EPA).

NB. To be fair here are a couple of graphs from references on the Thinkers Site that are more informative than the written paragraph presented by the Thinkers. All and more are referenced on the Thinker site cf. in particular the Stewardship pages

Materials Science Alerts_Cement and concrete research to reduced CO2 emissions

East vs West which is best?
It could be that the answer is...
neither of them.

The provocative punch line:

"Many scientists currently think at least 5 percent of humanity's carbon footprint comes from the concrete industry, both from energy use and the carbon dioxide (CO2) byproduct from the production of cement, one of concrete's principal components."

has been a much echoed news feed emanating from West Coast's, Washington State Univ and NSF National Science Foundation.

The accompanying news story and two news related posts are also quoted. All three are concerned with reducing concrete's (industry) carbon footprint.

When all is said and done my favourite most informative website turned out to be the last but not least "Concrete Thinking for a sustainable world." The site of the Portland Cement Association presents an extremely well documented "Technical Brief", which explains, in a simple and clear fashion all the main aspects of cement and concrete, their difference, their CO2-GHG emission and absorption, the importance of Life Cycle Assessement and Balance through time and much more. The site introduces their panel of experts called appropriately "Concrete Thinkers for Green Buildings" and the site includes a series of no less than 38 videos entitled "Recycled Inside and Out".

cf. Sources and References at the end of my post(s)

Since no lowly focused effort can make any significant impact on the CO2-GHG emissions climate change global warming issue (cf for example, DJ MacKay Cambridge Univ-ebook Without hot air" and Socolow-Pacala of Princeton Univ. Wedge approaches_many references upon request) I have added at a link to an interesting wide angled view of Carbon Cycle Science at the end of my now lengthy post.

1. West Coast's case:
Yet several studies have shown that small quantities of CO2 later reabsorb into concrete, even decades after it is layed, when elements of the material combine with CO2 to form calcite.[as most high school chemistry students and of course, all concrete materials scientists and civil engineers know full well]

A study appearing in the June 2009 Journal of Environmental Engineering suggests that the re-absorption may extend to products beyond calcite, increasing the total CO2 removed from the atmosphere and lowering concrete's overall carbon footprint.[can't wait for this, nor can the planet - brings back fond memories of my A-Level High School Chemistry Class writing all the possible chemical equations imaginable, later consolidated by a good university metallurgical grounding in chemical thermodynamics ].

While preliminary, the research by civil and environmental engineering professor Liv Haselbach of Washington State University re-emphasizes findings first observed nearly half a century ago--that carbon-based chemical compounds may form in concrete in addition to the mineral calcite-now in the light of current efforts to stem global warming.

"Even though these chemical species may equate to only five percent of the CO2 byproduct from cement production, when summed globally they become significant," said Haselbach. "Concrete is the most-used building material in the world."

Researchers have known for decades that concrete absorbs CO2 to form calcite (calcium carbonate, CaCO3) during its lifetime, and even longer if the concrete is recycled into new construction--and because concrete is somewhat permeable, the effect extends beyond exposed surfaces. [cf. video link Recycled Inside and Out in the Source and reference links below]

While such changes can be a structural concern for concrete containing rebar, where the change in acidity can damage the metal over many decades, the CaCO3 is actually denser than some of the materials it replaces and can add strength. [some may recall bad memories of 9/11 and the materials and engineering studies of why the twin towers failed in such a disastrous fashion - and may wish to confront this news feed and the related ones with these materials analysis?]

Haselbach's careful analysis of concrete samples appears to show that other compounds, in addition to calcite, may be forming. Although the compounds remain unidentified, she is optimistic about their potential.

"Understanding the complex chemistry of carbon dioxide absorption in concrete may[had better?] help us develop processes to accelerate the process in such materials as recycled concrete or pavement. ["Perhaps"?] this could help us achieve a nearly net-zero carbon footprint, for the chemical reactions at least, over the life-cycle of such products."

That is the thrust of Haselbach's current NSF-funded work, where she is now looking at evaluating the life-cycle carbon footprint of many traditional and novel concrete applications, and looking for ways to improve them.

"This work is part of the portfolio of studies that NSF is funding in this vital area," added Bruce Hamilton, director of NSF's environmental sustainability program and a supporter of Haselbach's work. "Research relating to climate change is a priority."

[Whatever the criticism sometimes harsh, I hope they are constructive and do contribute to "our shared aim of a net-zero materials carbon footprint

Widely spread news feed, here is quoted from Physorg.com

The concrete industry is a contributor to the global carbon cycle particularly with respect to the contribution of carbon dioxide in the manufacturing of cement (calcination). The reverse reaction of carbonation is known to occur in concrete, but is usually limited to exterior surfaces exposed to carbon dioxide and humidity in the air. As alternate concrete uses expand which have more surface area, such as crushed concrete for recycling, it is important to understand surface adsorption of carbon dioxide and the positive impacts it might have on the carbon cycle.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)[wikipedia html] is used in this study to evaluate carbon species on hydrated cement mortar surfaces. Initial estimates for carbon absorption in concrete using other techniques predict the potential for carbonate species to be a fraction of the calcination stoichiometric equivalent.
The XPS results indicate that there is a rapid and substantial uptake of carbon dioxide on the surfaces of these mortars, sometimes exceeding the calcination stoichiometric equivalents, indicative of carbon dioxide surface complexation species. On pure calcite, the excess is on the order of 30%. This accelerated carbon dioxide surface adsorption phenomenon may be important for determining novel and effective carbon sequestration processes using recycled concrete.

LINK to ACS Abstract

2. East Coast punch line:

"While government leaders argue about the practicality of reducing world emissions of carbon dioxide, scientists and engineers are seeking ways to make it happen."

One group of engineers at MIT decided to focus its work on the nanostructure of concrete, the world's most widely used material. The production of cement, the primary component of concrete, accounts for 5 to 10 percent of the world's total carbon dioxide emissions; the process is an important contributor to global warming.

In the January 2007 issue of the Journal of the Mechanics and Physics of Solids, the team reports that the source of concrete's strength and durability lies in the organization of its nanoparticles. The discovery could one day lead to a major reduction in carbon dioxide emissions during manufacturing.

"If everything depends on the organizational structure of the nanoparticles that make up concrete, rather than on the material itself, we can conceivably replace it with a material that has concrete's other characteristics-strength, durability, mass availability and low cost-but does not release so much CO2 into the atmosphere during manufacture," said Franz-Josef Ulm, the Esther and Harold E. Edgerton Professor of Civil and Environmental Engineering.

The work also shows that the study of very common materials at the nanoscale has great potential for improving materials in ways we might not have conceived. Ulm refers to this work as the "identification of the geogenomic code of materials, the blueprint of a material's nanomechanical behaviour."

Cement is manufactured at the rate of 2.35 billion tons per year, enough to produce 1 cubic meter of concrete for every person in the world. If engineers can reduce carbon dioxide emissions in the world's cement manufacturing by even 10 percent, that would accomplish one-fifth of the Kyoto Protocol goal of a 5.2 percent reduction in total carbon dioxide emissions.

Ulm considers this a very real possibility.

He and Georgios Constantinides, a postdoctoral researcher in materials science and engineering, studied the behavior of the nanostructure of cement. They found that at the nano level, cement particles organize naturally into the most densely packed structure possible for spherical objects, which is similar to a pyramid-shaped pile of oranges.

Refs.
The nanogranular nature of C–S–H
Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 55, Issue 1, January 2007, Pages 64-90
Georgios Constantinides, Franz-Josef Ulm
LINK: doi:10.1016/j.jmps.2006.06.003

3. Or again

"Working on the railroad? Using concrete could help environment"

In the study, May 7th, 2009 ,Robert Crawford points out that there have been long-standing concerns about environmental consequences of manufacturing railway sleepers because it involves harvesting large amounts of timber. Reinforced concrete sleepers are an alternative that offer greater strength, durability and long-term cost savings, he said. Critics of using concrete sleepers have charged that their manufacture increases greenhouse gas emissions as it involves higher consumption of fuel when compared to production of wood sleepers.

Crawford studied the greenhouse gas emissions of wooden and reinforced concrete sleepers based on one kilometer (0.62 miles) length of track over a 100-year life cycle. He found that emissions from reinforced concrete sleepers can be from two to six times lower than those from timber. “The results suggest strongly that reinforced concrete sleepers result in lower life cycle greenhouse emissions than timber sleepers,” the report states. [This begs questions on what are today's advanced rail-track practices and at the high end of the adventure of the French high speed train rail system the TGV_Train à Grande Vitesse etc. does it not? ]

Link Physorg.com

ref. “Greenhouse Gas Emissions Embodied in Reinforced Concrete and Timber Railway Sleepers”, Environmental Science & Technology

Read more on Carbon Cycle Science...

Sources and Links:
1. a. Physorg.com b. LINK to ACS Abstract
2. ref.The nanogranular nature of C–S–H, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 55, Issue 1, January 2007, Pages 64-90,Georgios Constantinides, Franz-Josef Ulm
LINK
doi:10.1016/j.jmps.2006.06.003
3. Link Physorg.com
4. Concrete Thinking for a sustainable world Technical Brief > Green in Practice 102 - Concrete, Cement, and CO2
5. Read more on Carbon Cycle Science...

Conversations-on-Innovations: F1, Formula One Racing's contribution to Innovations_20 ways F1™ is changing our world

Conversations-on-Innovations: F1, Formula One Racing's contribution to Innovations_20 ways F1™ is changing our world

Putting the Heat on Coal-Fired Power Generation_ Materials, Steels, Superalloys, Coatings to fight GHG Emissions? Information overload assistance

The heat is on in more than one sense!

One of my "Wedge-a-War" aims (in the Pacala-Socolow-S.Lam sense[pdf]) deriving from my focus on CCS-CO2 capture and storage is to bring the materials issues to the fore:

To such an end, we metallurgist, students or experience metallurgical scientists and power engineering professionals alike will be much indebted to the pragmatic materials expert Prof. T.B. Gibbons for his paper entitled Superalloys in modern power generation applications, Ed. Materials Science and Technology 2009 VOL 25 NO 2. available online to IOM3 members.

The paper opens in Tom’s typically pragmatic style recalling that;
“It is widely recognised that for the foreseeable future, coal will remain an important energy source for generation of electric power in many areas of the world. [In other words we are stuck with it and must make the best of the situation.] However, it will be essential to develop generation technologies that include the capture and storage of emissions such as CO2 to combat the harmful effects of climate change.

[One of the] "The key(s) to the successful implementation of advanced generation technologies, the ultimate aim of which is the zero emission power plant, depends heavily on the availability of suitable materials." [and perhaps more importantly on the exploration and qualification of suitable geological CO2-GHG storage sites?]

In his paper, Gibbons considers the requirements for materials with improved high temperature performance, discipline in which he is a world renowned expert. He applies his expertise in the context of three types of power generation systems being developed to operate with greatly reduced emissions and with high levels of efficiency.

(i) ultra supercritical (USC) steam power plant ( steam T> 760°C)
(ii) integrated gasification combined cycle systems (IGCC)
(iii) oxyfuel combustion (Clean Energy Systems).
whose respective merits he describes and illustrates with schematics.

The common feature in all three approaches is the drive for greater efficiency of power generation systems, since this will mean that the level of emissions per unit of power output is reduced. Thus, it is claimed that a high efficiency power plant generating 500 MW of electricity will produce 27% less CO2 than a conventional plant of similar capacity. More... cf.Gibbons Ref.1

Work is in progress worldwide to improve the efficiency of power generation technologies, which use coal as a primary energy source. Such improved efficiency requires the use of higher temperatures cf. Fig.1 click to enlarge.

World Wide Programmes referenced are:

Examples of these activities are the:
-AD700Project in Europe whose acronym means ADvanced T>700°C [pdf]and AD 700 participants. and the

-Ultragen project in USA [pdf], where the aim is to build demonstration plants operating with higher steam temperatures and hence higher efficiencies, and a US Department of Energy (DoE) Project to develop more efficient coal gasification combined cycle systems.

In Japan, efforts are in hand to retrofit older coal burning units to enable operation at
higher steam temperatures with improved efficiencies. (Gibbons Ref.4)

There is a lot of metallurgy condensed in Tom’s paper, from recommended high-temperature steels, superalloys, and coatings for plant and turbine blades-aerofoils. The limitations of existing materials are outlined and the need for materials with higher temperature capabilities and ease of manufacture are discussed from a metallurgical science and engineering perspective.
The paper is an excellent summary of the metallurgical issues facing materials engineers in order to meet the challenges of so called “clean coal” and “zero emission" technologies.
Many of the papers referenced or related may be obtained, often freely available online.

In fact Tom Gibbon’s paper is a good window into a much researched field, but perhaps one where practice lags rhetoric among the main industrial... players, who admittedly suffer from the heavily capitalised, huge inertia bound (muscle-bound?), nature of the systems in which they operate?

Brain d-rain video: Frosty the coalman for a laugh (or a cry).
Comment cf. further reading ref.3 below.
Further comments, suggestions or questions welcome.

cf. reported comments section.
All 22 conference papers presented at the Malcolm McLean Memorial Symposium: “The superalloys: from processing to performance”)by internationally recognised experts in the field have been issued in a special addition of Materials Science and Technology Vol 25 Feb 2009. [almost 200 pages on all aspects of superalloy process and product metallurgy;from R&D, through primary and secondary melting, casting and single crystal growth, hot-transformation (rolling, forging etc), critical properties at high-temperatures in stressful and corrosive environments have all been addressed to meet the highest standards and client requirements and rightly claim the conference title superalloys: from processing to performance"


Further reading on this blog:

1. Renewable and Alternative Energy Sources Ranked_Review of solutions to global warming, air pollution, energy security_Information Overload Mastered

2. Solutions to global warming, air pollution, and energy security reviewed _Parametres used to classify and rank_Follows previous post

3. New comments-Conversations with B.J. Sovacool on Nuclear Power Plant, Coal Fired Power Generation, GHG emissions

Main Reference: Materials Science and Technology Vol 25 Feb 2009

Baja pelindung Canggih (NEWS)

Published: 27 January 2009 12:10 PM

Source: The Engineer

Bahan pelindung yang sangat kuat akan memiliki proses manufaktur yang lebih mudah dan lebih murah dengan penemuan proses baru dalam pembuatan baja yang dikembangkan oleh MoD research facility.

Sebuah tim yang terdiri dari ilmuwan di Defence Science Technology Laboratory (DSTL) bekerja sama dengan Corus, telah mengembangkan jenis baja pelindung yang baru dan canggih yang disebut sebagai Bainit Super. Material ini dibuat melalui suatu proses yang disebut sebagai pengerasan isothermal. Melalui metode ini sebuah baja dipanaskan hingga mencapai temperatur 1.000^oC, didinginkan dengan media air hingga mencapai temperature 250^oC, kemudian ditahan pada temperatur tersebut selama enam jam sebelum didinginkan hingga mencapai tempertur kamar. Hasil akhir dari proses perlakuan ini adalah material baja dengan kekerasan yang sangat tinggi dan bebas retak.

“Baja dengan kekerasan yang sangat tinggi lainnya perlu didinginkan secara cepat (quenched) dan ditemper serta cnderung membutuhkan elemen – elemen tambahan tertentu untuk menghindari terjadinya retak selama proses.” Peter Brown, kepala tim peneliti DSTL, mengatakan. “proses konvensuional ini cukup efektif, namun lebih mahal, rumit dan membutuhkan lebih banyak energi daripada proses pembuatan bainit super yang kami kembangkan.”

Baja, sebuah larutan padat antara unsur besi dan karbon, telah menjadi tulang punggung perkembangan industri di masa modern selama ini. Brown mengatakan bahwa ilmuwan, pada awal pertengahan abad yang lalu, menemukan bahwa pemanasan, pendinginan, dan penambahan elemen – elemen lain seperti silicon dan mangan, akan mengubah konfigurasi atom besi pada baja. Pada bainit, konfigurasi atom – atom besi tersusun secara lebih longgar atau terbuka anatara satu dengan yang lain, yang bebeda dengan pada fase austenit dimana atom – atom besi tersusun secara labih rapat atau tertutup antara satu dengan yang lain,” Brown menambahakan. ”Baja bainit super sebagian besar akan terdiri dari fase bainit, tetapi juga mengandung sejumlah fase austenit.”

Beliau menjelaskan bahwa kadar karbon yang tinggi pada bainit super, dan proses perlakuan temperature rendah yang tidak biasa, akan mengakibatkan performa mikrosturkturnya sangat halus. “konsekuensinya, material ini akan sangat keras, yang mana menjadikannya sebagai salah satu pilihan baja pelindung,” dia menambahkan.

Brown menyatkan bahwa baja bainit super, saat ini, masih berada pada level eksperimental. “Jika dan ketika material ini telah tersedia secara komersial, maka material tersebut dapat dimanfaatkan sebagai bahan pelindung pada berbagai jenis peralatan pertahanan militer.” Dia menambahakan.

Sejumlah aplikasi sipil, mulai dari limusin hingga furnitur anti peluru, juga dapat memnafaatkan material ini. Material pelindung terhadap balistik juga harus memberikan kemudahan baik dari sisi biaya maupun proses pembuatannya. “bahan pelindung yang mahal dan sulit proses pembuatannya akan tidak berguna bagi siapapun,” Brown menyatakan. “Bainit super akan memiliki harga jual yang lebih murah, namun dengan kemampuan yang lebih baik.”

Beliau menambahkan bahwa banyak dari biaya dan kerumitan proses pembuatan baja bainit super berkurang dengan pemanfaatan software dari Universitas Cambridge. Produksi skala besar sementara dengan menggunakan simulasi software Corus, saat ini menunjukkan bahwa industri baja bainit super ini dapat mulai dibangun di Inggris. Apabila dilihat dari perspektif kebutuhan sistem pertahanan dan ketersediaan suplai material yang aman, Inggris sangat startegis untuk pengembangan industri pelindung baja berkekuatan tinggi.

Selama mengisi seminar di Universitas Cambridge, Brown mendiskusikan tentang penambahan “lubang – lubang’ pada pelindung baja. Keberadaan lubang – lubang ini ia yakini mampu memberikan manfaat yang lebih pada pelindung baja dalam mengantisipasi serangan balistik. Dia menyatakan bahwa triknya adalah dengan menganggap lubang – lubang ini lebih sebagai mata pisau melingkar. Ketika sebuah peluru menghantam mata pisau ini, peluru tersebut akan dipantulkan dan akan berubah bentuk dari sebuah proyektil yang tajam menjadi sebuah fragmen yang tumpul. Penggunaan lubang – lubang ini juga dapat mengurangi berat dan mencegah penyebaran retak. Hasilnya, pelindung baja dari bahan bainit super yang mengandung lubang – lubang tersebut akan lebih efisien.

Brown dan timnya di sisi lain juga sedang mengembangkan studi proses manufaktur terhadap material – material berperforma tinggi lainnya. Kolsterising, memiliki keistimewaan, merupakan proses baru yang dikembangkan oleh perusahaan Bodycote untuk meningkatkan kekerasan permukaan dari baja tahan karat (Stainless steel).

Ini merupakan cara baru dimana kadar karbon pada permukaan baja austenit ditingkatkan untuk mencaai kekerasan permukaan yang lebih tinggi. Material yang dihasilkan, walaupun lebih tipis dari kertas tisu, akan memiliki kekerasan dua kali lipat dibandingkan baja bainit super pada ketebalan yang sama.

Brown menyebutkan bahwa kolsterising masih berada dalam proses eksperimental, dimana membutuhkan penelitian – penelitian yang lebih lanjut mengenai kecocokanannya untuk aplikasi bahan pelindung.

Mata Ngengat Meninspirasskan Penemuan Solar Cell Yang Lebih Efisien (NEWS)

Material photovaoltaic, yang mampu mengkonversikan sinar maatahari menjadi energi listrik, telah semenjak lama digembar-gemborkan sebagai solusi yang paling menjanjikan dalam menawarkan kemungkinan pengadaan kebutuhan energi listrik yang lebih murah di masa depan. Akan tetapi, kenyataannya di lapangan tidak demikian. Material ini lebih banyak mengubah cahaya matahari yang diterimanya sebagai panas daripada sebagai energi listrik. Hal ini berarti, photovoltaic belum mampu menyokong pengadaan energi yang lebih murah seperti yang diharapkaan. Saat ini, peneliti – peneliti dari Belanda sedang mengembangkan bahan pelapis (coating) yang mampu menahan terjadinya transformasi sinar matahari menjadi panas. Bahan coating ini berbasis teknologi struktur nano yang terispirasi dari mata seekor ngengat, dimana mampu mengurangi fenomena pemantulan cahaya matahari sehingga material photovoltaic bisa lebih efisien.

James Gomez Rivas beserta kolega-koleganya dalam tim Institute AMOLF dari Eindhoven, mengatakan bahwa teknologi “mata ngengat” mereka mempunyai kemampuan yang paling baik dalam kemampuannya mengurangi efek pemantulan cahaya dibandingkan material-material lainnya. Sebagai tambahan, beliau juga menuturkan bahwa timnya juga telah mengembangkan teknologi produksi bahan coating yang lebih ekonomis dan ramah lingkungan dimana juga mampu memberikan hasil coating dengan kepresisian ketebalan pelapisan yang tinggi.

Kita tahu bahwa seringkali ngengat mencari cahaya dalam kegelapan, namun mahluk ini tidak mampu menemukannya dalam jumlah yang cukup. Untuk memaksimalkan jumlah cahaya yang masuk ke matanya, sehingga membantunya dalam mencapai penglihatan yang lebih baik, mata ngengat dilengkapi selaput tipis berskala nano. Hal ini menjadi media yang efektif dimana indeks penghamburan caahaya dari mata negengat secara berkesinambungan meningkat ketika cahaya memasuki matanya, hingga cahaya tersebut mencapai saraf optiknya. Hasilnya, nilai indeks biasnya mendekati 1 pada permukaan bagian atas mata yang pertama kali menerima cahaya dan mendekati 3,4 pada permukaan bagian bawah. Hal ini berarti hanya sedikit cahaya yang dipantulkan kembali oleh mata ngengat.

Terisnpirasi oleh striktur bio ini, Gomez Rivas dn rekan – rekannya meniru pola kerja selaput mata ngengat tersebut dengan membuat kawat – kawat nano dengan panjang yang berbeda – beda, dimana kemudian menciptakan sebuah metamaterial yang mempunyai karakteristik optik yang dapat berubah secara bertahap berdasarkan fungsi jarak. Tim ini telah melaporkan sekitar setengah tahun yang lalu, bahwa melalui penelitian tersebut diketahui terjadi sebuah pengurangan pemantulan cahaya yang signifikan melebihi sebuah lebar jangkauan cahaya dan pengaruh sudut penembakan cahaya. Hingga sekarang, hal ini masih menjadi misteri, apakah efek ini merupakan hasil dari peningkatan transmisi cahaya, atau hanyalah akibat dari penghamburan dan penyerapan cahaya pada kawat – kawat nano.

Saat ini, tim melakukan penelitian lanjutan dengan menggunakan batangan nano gallium phospid (GaP) di atas substrat GaP, kemudian mengukur nilai transmisi dan pemantulan cahaya secara simultan. Ternyata, penggunaan metode ini mengakibatkan cahaya yang ditransmisikan lebih dominan dibandingkan yang diserap maupun yang dipantulkan.

Material Komposit Untuk Kapal Selam Modern (NEWS)

Published: 11 February 2009 09:30 AM

Source: The Engineer

Dengan penggunaan material komposit, kapal selam – kapal salam masa depan akan memiliki biaya perawatan yang lebih murah, kemapuan bermanuver yang lebih baik dan kemungkinan peningkatan kemampuan untuk tidak terdeteksi radar musuh. Begitulah pemikiran insinyur – insinyur di Universitas Oxford saat ini, dalam penelitian tentang penggunaan material – material alternatif sebagai pengganti bahan metal pada lambung kapal selam.

Komposit merupakan material yang dibuat dari pencampuran dua bahan atau lebih yang secara struktural akan memiliki sifat-sifat terbaik dari elemen-elemen penyusunnya. Dalam suatu proses teknik tertentu, komposit akan lebih kuat dan lebih kaku dibandingkan logam. Apabila dibandingkan dengan baja dan alumunium, pada nilai kekuatan yang sama, komposit memiliki berat yang lebih ringan dan ketahan terhadap korosi yang lebih tinggi. Komposit menjadi perbincangan yang menarik dalam dunia angkatan laut akhir – akhir ini, karena komposit diketahui lebih stabil terhadap perlakuan – perlakuan eksternal dan internal, serta memiliki stabilitas yang lebih tinggi memepertahankan buoyancy effect (kemampuan mengapung secara alami) dimana dibutuhkan dalam sistem pertempuran yang lebih kompleks pada kapal selam – kapal selam generasi masa depan. Angkatan laut – angkatan laut dari seluruh dunia telah meningkatkan kerjasaama penelitian di bidang material guna menciptakan teknologi – teknologi kapal perang yang baru. Hal ini merupakan kebutuhan guna mengurangi biaya perawatan.

Dr. Vito Tagarielli, salah satu peneliti dalam proyek ini yang juga merupakan ahli material komposit di Oxford, sebelumnya telah meneliti penggunaan beberapa jenis komposit pada kapal perang. Keberhasilan penelitiannya pada aplikasi kapal perang kemudian membawanya pada keyakinan bahwa kesuksesan serupa juga akan mampu dicapai dalam aplikasi pada kapal selam.“Pada kapal perang, komposit menunjukkan kemampuan yang lebih baik dibandingkan material logam yang selama ini digunakan, terutama dalam kemaampuannya menahan efek ledakan.” Beliau menuturkan.

Tim dari Oxford ini yakin bahwa di masa depan, komposit akan menggantikan penggunaan paduan nikel – alumunium – perunggu yang selama ini digunakan sebagai bahan pada komponen – komponen vital kapal selam, misalanya pada katup selubung kapal selam. Paduan nikel – alumunium – perunggu digunakan pertama kali pada aplikasi kapal selam pada sekitar tahun 1960-an, setelah material paduan ini menunjukkan kekuatan, ketangguhan, dan ketahan terhadap impak (pembebanan secara tiba – tiba/benturan) yang lebih baik dibandingkan pada material logam yang sebelumnya digunakan sebagai standar bahan persenjataan. Kelebihan paling utama dari paduaan nikel – alumunium – perunggu ini adalah ketahan korosi yang lebih baik.

“Ketika Anda memiliki sebuah aplikasi material logam yang mengalami kontak secara langsung dengan air laut, Anda akan membutuhkan banyak tenaga dan biaya untuk melakukan pengecekan terhadap korosi/karat.” Tagarielli mengatakan. ”Terdapat kamapuan yang lebih baik dalam hal penghematan biaya perawatan dari material komposit karena material ini memiliki hubungan yang lebih baik dengan lingkungan air laut.

Komposit juga mampu meringankan masalah biaya operasional perjalan kapal selam mengingat penggunaan paduan nikel – alumunium – perunggu selama ini yang memiliki densitas yang tinggi, mengakibatkan kapal selam sangat boros dalam konsumsi bahan bakar. Tim Oxford berharap mampu mengembangkan struktur komposit baru dengan arsitektur serat dan hybrid yang mampu menambah ketahanan kapal selam dalam melakukan penyelaman labih lama dan lebih dalam lagi, serta punya ketahan yang lebih terhadap ledakan dalam laut. Riset akan dimulai dengan mencapai terlebih dahulu pemahaman yang matang mengenai bagaimana respon material komposit terhadap efek peregangan yang tinggi ketika menyelam dalam air.

Sebelumnya, peneliti – peneliti Oxford telah mengembangkan metode pengujian yang mensimulasikan secara eksak perilaku material terhadap pembebanan berupa ledakan. Tim peneliti akan menempatkan sampel kecil material komposit pada sebuah ujung tabung yang berisi media air. Sebuah piston luncur kemudian ditempatkan pada ujung tabung yang lain. Dengan sebuah torpedo kecepatan tinggi, sebuah proyektil akan ditembakkan pada tabung sehingga tercipta suatu gelombang ledakan pada air dalam tabung yang akan menghantam sampel komposit. Dengan nmenggunakan kamera berkecepatan tinggi, tim Oxford akan mengobservasi deformasi (perubahan bentuk) yang terjadi pada sampel komposit dan menghitung efek yang diakibatkan oleh gelombang ledakan tersebut. Pengujian akan dilakukan terhadap sejumlah sampel yang sebelumnya telah diberi variasi perlakuan lama waktu perendaman dalam media air laut. Dari penelitian ini akan dapat ditentukan pengaruh (jika ada) lama perendaman dalam media air laut terhadap sifat ketahanan terhadap ledakan dari material komposit. Dengan tambahan bantuan simulasi Komputer, Tagarelli optimis bahwa timnya akan mampu menemukan struktur material komposit yang optimal dalam jangka waktu lima tahun ke depan.

“Terdapat banyak kemungkinan mengenai struktur komposit yang optimal yang mampu direkomendasikan melaui penelitian ini,” Tagarielli menyatakan, “termasuk di dalamnya struktur penguat komposit 3D dan struktur komposit sandwich”. “Struktur sandwich”, Tagarielli menambahkan, “merupakan dua plat yang dipisahkan dengan material yang lebih lunak, misalanya foam”. “Terdapat sejumlah literatur yang menytakan bahwa pada nilai berat sampel komposit yang sama, struktur sandwich memberikan nilai kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan struktur kmposit yang solid”. Tagariaelli menyatakan. Tujuan dasar dari penelitian ini adalah menemukan material alternatif yang lebih ringan dan lebih kuat dibandingkan logam. “Kami berharap bisa menemukan material alternatif pada aplikasi kapal selam yang lebih ringan sehingga mampu meminimalkan inersia dan memaksimaalkan akselerasi dimana kemudian membuatnya lebih mudah bermanuver”. Tagarielli menyatakan.

Penggunaan komposit juga mampu memberikan keuntungan dalam strategi perang modern. “Jika kapal selam dibuat dari bahan komposit, maka ia bisa tidak terdeteksi oleh ranjau laut modern yang biasanya meledak apabila mendeteksi keberadaan tanda – tanda magnetik atau akustik yang spesifik yang berada di dekatnya”. Tagrielli menyatakan.

Proyek lima tahun Universitas Oxford ini, akan dimulai pada bulan April ini dengan dana sebesar £ 690.000 EPSRC yang diterima sebagai dukungan dari Departemen Pertahan dan Defence Science and Technology Laboratory. Selain itu, proyek ini juga mendapatkan dukungan dari Partner – partner industri termasuk BAE Systems Advanced Technology Centre, Rolls – Royce Naval Marine, Materials Modelling NPL dan Weidlinger Associates.

Klasifikasi Material

Material solid secara umum dibagi ke dalam lima jenis, yaitu logam, keramik, polimer, semikonduktor dan komposit. Apabila pengklasifikasiannya didasarkan pada jenis ikatan antar atomnya, maka hanya akan terdapat material – material yang termasuk ke dalam kelompok logam, keramik, dan polimer. Apabila klasifikasi material ditinjau dari kemampuan konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan: golongan material semikonduktor. Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material komposit.

Logam

Material – material dalam kelompok ini disusun oleh satu atau lebih unsur logam (misalnya besi, alumunium, tembaga, titanium, emas, dan nikel), dan juga seringkali mengandung unsur non logam (misalnya karbon, nitrogen dan oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom – atom pada logam dan paduannya mempunyai ciri – ciri tersusun secara sangat teratur, dan apabila dibandingkan dengan keramik dan polimer susunan antar atom – atomnya cenderung lebih rapat. Karakteristik susunan antar atomnya yang khas ini, kemudian disebut sebagai ikatan logam. Material logam memiliki nilai elektron bebas yang tinggi, dimana berarti terdapat sejumlah besar elektron yang tidak terikat pada inti atom sehingga bisa bergerak bebas. Sifat – sifat dari material logam yang khas ini dapat dijelaskan melalui karakterisitik elektronnya tersebut. Yang paling utama, yaitu apabila diamati dari sifat logam yang merupakan penghantar listrik dan panas yang baik. Selain itu susunan atom material logam yang teratur membuatnya tidak mampu ditembus oleh cahaya sehingga tidak tembus pandang seperti halnya kaca. Permukaan material logam akan mengkilap apabila dipoles. Sebagai tambahan, beberapa jenis logam (Fe, Co, Ni) juga memiliki sifat magnetik yang kuat.

Mengenai sifat mekaniknya, material logam cenderung bersifat cukup kaku dan kuat, ulet (ductile = dapat mengalami deformasi atau perubahan bentuk tanpa mengalami patah) sehingga punya kemampuan mampu dibentuk (formability) yang baik (misalnya melalui penempaan, pengerolan, dll), dan mampu menerima pembebanan secara tiba – tiba tanpa mengalami patah (shock resistance). Sifat – sifat tersebut membuat logam mempunyai jangkauan aplikasi yang sangat luas dalam dunia industri hingga saat ini.

Keramik

Keramik merupakan perpaduan antara unsur – unsur logam dan non logam yang kemudian membentuk suatu senyawa yang umumnya termasuk ke dalam jenis oksida, nitride, dan karbida. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya dikenal yaitu alumunium oksida (alumina atau Al₂O₃), silicon dioksida (silika atau SiO₂), silicon karbida (SiC), silikon nitride (Si₃N₄). Sebagai tambahan, juga terdapat beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional seperti mineral – mineral, lempung, cement, batu bata, dan kaca. Grafit dan intan juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik.

Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran”-sebuah kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti kristal iodine (tersusun dari molekul I₂ yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul terpisah H₂O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku seperti keramik.

Sifat mekanik dari material keramik adalah kaku, kuat dan sangat getas (brittle),

Polimer

Polimer merupakan molekul makro yang dibentuk oleh atom – atom yang terikat secara kovalen membentuk suatu satuan molekul yang disebut mer, dan kemudian satuan molekul ini tersambung dengan kelompok – kelompok mer sejenis yang lain, membentuk suatu rantai yang panjang dan berulang. Sebagian besar polimer merupakan senyawa organik berbasis karbon, hydrogen, dan unsur – unsur non metal lainnya seperti sulfur/belerang (S) dan klorin (Cl). Karakteristik Ikatan antar rantai molekul polimer sangat mempengaruhi karakteristiknya. Struktur cross linking (ikatan silang) dari rantai polimer merupakan kunci dari proses vulkanisasi yang dapat mengubah karet alam yang awalnya belum memiliki fungsi aplikasi menjadi produk yang berguna dalam ekhidupan sehari – hari seperti misalnya ban mobil yang membuat bepergian dengan sepeda menjadi lebih nyaman. Istilah polimer dan plastik seringkali dipertukarkan. Padahal sebenarnya, plastik merupakan kombinasi dari polimer – polimer yang biasanya juga diberi bahan tambahan lain untuk memenuhi kemampuan dan penampilan yang diinginkan.

Semikonduktor

Semikonduktor merupakan satu-satunya kelas material yang dibedakan berdasarkan sifatnya. Material ini biasanya didefinisikan sebagai material yang memiliki konduktivitas listrik pertengahan, antara konduktor yang baik dan insulator. Konduktivitasnya sangat tergantung dari banyak sedikitnya jumlah bahan pengotor/tambahan pada bahan yang mana hal inilah yang menjadi kunci pembuatan produk IC (integrated circuit).

Mengapa Perlu Mempelajari Ilmu Dan Teknologi Material

Adakalanya, akan lebih memudahkan apabila membagi disiplin ilmu dan terknologi material ke dalam dua sub divisi, yaitu ilmu material (material science) pada satu sisi, dan teknologi material (material engineering) pada sisi yang lain. Bidang keilmuan material mencakup investigasi mengenai keberadaan hubungan antara struktur material dengan sifatnya. Pada sisi lain, teknologi material, dengan didasarkan pada hubungan antara struktur material dengan sifatnya tersebut, merupakan upaya merancang dan memanipulasi struktur material guna menghasilkan suatu produk material dengan sifat – sifat tertentu. Apabila dilihat dari perspektif fungsional, secara sederhana, peranan ilmuwan material adalah untuk mengembangkan dan mensintesa material – material baru, sedangkan teknisi material punya andil dalam menciptakan produk atau sistem baru dengan menggunakan material yang telah tersedia atau mengembangkan teknik – teknik pegolahan material.

Hal yang kemudian juga menjadi bagian penting dari bidang ini adalah istilah “struktur” dan “sifat material”.

“Struktur” material bisa memiliki berbagai definisi. Akan tetapi, pada dasarnya, “strukktur” selalu berhubungan dengan susunan komponen – komponen internal material. Dalam konteks ini, pengertian struktur akan berbeda – beda tergantung pada level ukuran komponen material yang diacu. Struktur pada level sub atomik, dikenalkan sebagai berbagai karakteristik elektron di dalam suatu atom secara individu, serta interaksi dengan nukleusnya (pusat atom). Pada level atomik, struktur dijelaskan sebagai atom – atom atau molekul – molekul yang membentuk kelompok secara relatif antara satu dengan yang lainnya. Pada tingkatan pengertian struktur yang lebih tinggi, struktur merupakan pengelompokan dari kelompok atom – atom atau molekul – molekul, dalam skala besar yang kemudian disebut sebagai skala mikroskopis. Kegiatan – kegiatan struktur material pada level ini dapat diamati dengan bantuan mikroskop. Selanjutnya, ketika struktur dapat diamati secara langsung oleh mata telanjang (visual), maka tingkatan struktur ini disebut struktur makroskopis.

Pengertian “sifat material” dapat dijelaskan melalui hubungan antara material dengan lingkungan di sekitarnya. Dalam suatu kegiatan aplikasi, semua material akan memberikan respon – respon tertentu terhadap suatu perlakuan eksternal yang diberikan. Misalnya, spesimen material yang diberikan suatu pembebanan akan mengalami deformasi (perubahan bentuk), sebuah material yang permukaannya dipoles akan mampu memantulkan cahaya, material logam yang ditempatkan pada lingkungan yang korosif dalam jangka waktu tertentu akan megalami korosi. Sebuah “sifat material” menggambarkan besarnya tanggapan material terhadap perlakuan spesifik yang dibebankan. Pada umumnya, pengertian sifat material kemudian dibuat independen terhadap faktor dimensi (ukuran dan bentuk).

Sifat – sifat material tersebut kemudian dikelompokkan ke dalam enam kategori berbeda, didasarkan jenis perlakuan yang diberikan. Ke enam kategori tersebut yaitu : sifat mekanik, elektrik, termal, magnetik, optik, dan deterioratif. Untuk masing – masing jenis sifat material ini terdapat sebuah tipe atau ciri karakteristik dari kemampuan material dalam memberikan respon terhadap sebuah rangsangan perlakuan. Sifat mekanik, mengacu pada terjadinya perubahan – perubahan bentuk material sebagai akibat adanya sebuah aplikasi pembebanan mekanik, misalnya ditunjukkan melalui nilai modulus elastisitas, kekutan tarik, dan lain sebagainya. Sifat elektrik, seperti misalnya konduktivitas atau konstanta dielektrik, media stimulusnya adalah medan listrik. Perilaku yang unik dari berbagai jenis material solid ketika mendapat rangsangan termal, dapat diukur misalnya melalui kapasitas panas atau konduktivitas termal. Sifat magnetik dapat dilihat dari respon material terhadap medan magnet. Pada sifat optik, stimulusnya dapat berupa elektromagnetik atau radiasi cahaya, dimana kemudian direpresentasikan sebagai nilai index refraksi (penghamburan) atau reflektivitas (pemantulan). Terakhir, sifat deterioratif mengacu kepada reaktivitas kimia material.

Sebagai tambahan terhadap istilah “strukur” dan “sifat” seperti yang dijelaskan di atas, terdapat dua istilah penting lainnya yang seringkali menjadi perbincangan dalam bidang ilmu dan teknologi material. Kedua istilah tersebut yaitu “proses” dan “performa”. Ke empat istilah ini (struktur, sifat, proses dan performa) kemudian membentuk suatu kesatuan hubungan. Struktur suatu material yang terbentuk akan tergantung terhadap bagaimana material tersebut sebelumnya diproses. Struktur material yang terbentuk kemudian akan mempengaruhi sifat dari material. Performa material dalam suatu aplikasi merupakan suatu fungsi dari sifat – sifat material.

Proses → struktur → sifat → performa

Pada taraf aplikasi hampir semua ilmuwan dan teknisi, baik itu dari bidang permesinan, sipil, kimia, atau kelistrikan, pada suatu waktu akan selalu dihadapkan pada permasalahan perancangan yang melibatkan pertimbangan terhadap material. Sebagai contoh, misalnya dalam suatu perancangan sistim transmisi gear, struktur bangunan, komponen – komponen pada perlengkapan pengolahan minyak bumi, atau pada sebuah chip integrated circuit (IC). Tentu saja, ilmuwan dan teknologi material merupakan spesialis dalam kasus ini.

Seringkali, permasalahan material biasanya merupakan upaya menentukan material mana yang paling tepat dalam suatu aplikasi, diantara sekian banyak variasi material yang tersedia. Terdapat beberapa kriteria yang kemudian mendasari pengambilan keputusan. Pertama kondisi aplikasi harus bisa dikenal, yang kemudian akan diketahui material dengan sifat seperti apa yang akan dibutuhkan dalam aplikasi tersebut. Dalam suatu peristiwa yang sangat jarang terjadi, material akan memiliki kombinasi sifat yang maksimum atau ideal. Hal ini memungkinkan pentingnya untuk mempertukarkan sifat yang satu dengan sifat yang lain untuk mendapatkan sifat terbaik. Contoh klasik dari permasalahan ini adalah pada pembahasan tentang kekuatan dan keuletan. Pada sebagaian besar kasus, material yang memiliki kekuatan (strength) yang tinggi akan memiliki keuletan (ductility) yang rendah, begitu pula sebaliknya.

Kriteria kedua adalah kemungkinan adanya sejumlah reaksi kimia yang terjadi selama kegiatan aplikasi berlangsung. Sebagai contoh, pengurangan kekuatan dan masa pemakaian secara signifikan perlengkapan – perlengkapan mesin bisa disebabkan karena pemakaian pada temperatur yang terlampau tinggi dan lingkungan yang korosif.

Kriteria terakhir yang tidak kalah penting yaitu pertimbangan ekonomi. Seringkali akan muncul pertanyaan mengenai berapa kemungkian biaya akhir yang dibutuhkan. Sebuah material barangkali akan memenuhi secaara ideal dari sisi karakteristik, namun memiliki biaya pengadaan yang terlampau mahal.