PREPARASI DAN KARAKTERISASI SERBUK CALCIUM ALUMINA FERRITE (CaAl 4 Fe 8 O 19 ) SEBAGAI BAHAN KERAMIK MAGNETIK

Transkripsi

1 PREPARASI DAN KARAKTERISASI SERBUK CALCIUM ALUMINA FERRITE (CaAl 4 Fe 8 O 19 ) SEBAGAI BAHAN KERAMIK MAGNETIK Diajukan untuk memenuhi persyaratan akademik dalam menempuh ujian sarjana strata satu Program Studi Teknik Material ITB Oleh : MAHETSA MUKHTI PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN dan DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG JL. GANESHA 10 BANDUNG TELP/FAX : LEMBAR PENGESAHAN Tugas Akhir PREPARASI DAN KARAKTERISASI SERBUK CALCIUM ALUMINA FERRITE (CaAl 4 Fe 8 O 19 ) SEBAGAI BAHAN KERAMIK MAGNETIK Diajukan untuk memenuhi persyaratan akademik dalam menempuh ujian sarjana strata satu Program Studi Teknik Material ITB Oleh : Mahetsa Mukhti Mengetahui dan Menyetujui Dr. Ir. Bambang Sunendar NIP

3 PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN dan DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG JL. GANESHA 10 BANDUNG TELP/FAX : TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Mahetsa Mukhti Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Bambang Sunendar Jangka Waktu Penyelesaian : 6 (Enam) bulan Judul : Preparasi dan Karakterisasi Serbuk Calcium Alumina Ferrite (CaAL 4 Fe 8 O 19 ) Sebagai Bahan Keramik Magnetik Tujuan Penelitian : 1. Mempelajari pembuatan serbuk CaAl 4 Fe 8 O 19 dengan metode milling dan kalsinasi (Conventional ceramic powder preparation). 2. Mengetahui pengaruh temperatur pembakaran dan medium kalsinasi serbuk terhadap karakteristik morfologi dan sifat magnet serbuk CaAl 4 Fe 8 O 19. Bandung, Februari 2008 Pembimbing Dr. Ir. Bambang Sunendar NIP

4 Pengetahuanku tentang diriku atau tentang apapun amat terbatas Sedangkan pengetahuan Allah menyelimuti segalanya, Dia tahu awal, akhir dan segala-galanya. Dan Ketahuilah bersama kesabaran ada kemenangan, Bersama kesusahan ada jalan keluar, Dan bersama kesulitan ada kemudahan. (Al-Hadits)

5 Dedicated for my family; my father, mother, brothers and sister...

6 ABSTRAK CaAl 4 Fe 8 O 19 merupakan suatu solid solution yang tidak umum digunakan didalam material magnetik karena adanya penambahan unsur Ca yang biasa digunakan didalam bioceramic sebagai drug delivery maupun identifikasi sel kanker. Serbuk ini didapatkan melalui Conventional ceramic powder preparation dengan dengan proses milling dan kalsinasi campuran tiga oksida CaO, Al 2 O 3, dan Fe 2 O 3 dengan perbandingan 1:2:4. Variabel yang dilihat adalah temperatur kalsinasi dan atmosfir kalsinasi yaitu diudara dan dengan kondisi vakum. Selanjutnya dilakukan karakterisasi menggunakan DTA, XRD, SEM, EDS, DTA, dan pengujian magnetisasi menggunakan permagraph magnetometer. Secara keseluruhan dapat diketahui bahwa solid solution ini memiliki struktur hexagonal magnetoplumbite dengan bentuk plate like hexagonal dan parameter latis a= 0.583nm dan c= nm. Sifat magnet mirip paramagnetik pada temperatur kamar. Kata kunci : Ca(Al,Fe) 12 O 19, Magnetoplumbite, Paramagnetic, Plate like Hexagonal, Magnetocrystalline anisotropy. i

7 ABSTRACT CaAl 4 Fe 8 O 19 is not common solid solution of magnetic material due to addition of Calcium element that is known in biomaterials as drug delivery or cancer cell identify. This Compound prepared by conventional ceramic powder preparation with three oxides as raw material CaO, Al 2 O 3 and Fe 2 O 3 with molar ratio 1: 2: 4 then the mixed powder is milled and calcined. Variable in the experiment is temperature and the medium of calcinations in air and vacuum. Then the powder characterized using DTA, XRD, SEM, EDS, DTA and magnetization test using Permagraph Magnetometer. In general, it was found to have hexagonal magnetoplumbite with plate like hexagonal structure and lattice parameter a= 0.583nm and c= nm and magnetic properties resembles paramagnetic at room temperature Keywords : Ca(Al,Fe) 12 O 19, Magnetoplumbite, Paramagnetic, Plate like Hexagonal, Magnetocrystalline anisotropy. ii

8 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan karunianya tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir yang berjudul Preparasi dan Karakterisasi Serbuk Calcium Alumina ferrite (CaAl 4 Fe 8 O 19 ) Sebagai bahan Keramik Magnetik ini ditulis untuk memenuhi syarat akademis dalam menyelesaikan tahap S-1 di Program Studi Teknik Material Institut Teknologi Bandung. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Bambang Sunendar Purwasasmita selaku dosen pembimbing, atas bimbingan saran dan nasehatnya yang sangat berguna bagi penulis. 2. Bapak Dr. Ir. Husaini Ardy Selaku dosen wali. 3. Bapak Dr. Ir. Aditianto Ramelan yang telah banyak membantu penulis dengan nasehat beliau selama kuliah di Teknik Material ITB. 4. Seluruh dosen pengajar Program Studi Teknik Material ITB 5. Seluruh teknisi lab Metalurgi Mekanik (Pak Jai, Pak Maskun, Pak Akhmadi, Pak Tatang). 6. Seluruh staf Program Studi Teknik Material ITB (Mba Iis, Mba Titin, Mba Wiwi, Pak Idrus) 7. Seluruh Teknisi Lab. Proses Material Fisika teknik, khususnya pak rosyid yang telah banyak membantu penulis dalam melakukan penelitian. 8. Puspiptek LIPI Serpong Tangerang, khususnya Bapak Taufikurrahman yang telah banyak membantu penulis dalam melakukan proses Milling serbuk. 9. Seluruh staf dan karyawan Telkoma-LIPI, Bandung (khususnya Bu Novi dan Pak Ijan) yang turut membantu kelancaran penelitian yang penulis lakukan. 10. Bapak Purwo dan Bapak Wikanda dari PPGL atas bantuannya dalam proses karakterisasi material. 11. Teman Teman Padepokan aa Muhandis; Bastian, Dhanial, Rudi, Reza, Dimas, Wadi, Didi, Rizaldi, Aconk, dan Batu. 12. Teman-Teman Material angkatan 2002, 2004, 2005, 2006 dan khususnya angkatan 2003 yang tidak disebut namanya iii

9 13. Teman-teman satu bimbingan atas kerjasama dan bantuannya yang sangat berharga. 14. Anak-anak MFC dan Unesco. 15. Keluarga Kompak 16. Untuk Ayahanda, Ibunda, Kakak dan Adik. Terima Kasih atas seluruh kasih sayang dan perhatian yang telah diberikan selama ini. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam tulisan ini, namun penulis berharap agar tulisan yang terbatas ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang berkepentingan Bandung, Februari 2008 Penulis iv

10 DAFTAR ISI ABSTRAK...i ABSTRACT...ii KATA PENGANTAR...iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR...viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR LAMPIRAN...xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 2 BAB II DASAR TEORI Material Magnetik Momen Magnet Magnetization Induksi magnetik Susceptibility dan Permeability Domain Dan Hysteresis Magnetocrytalline Anisotropy Klasifikasi Material Magnetik Diamagnetik Paramagnetik Feromagnetik Antiferomagnetik Ferimagnetik Bahan Magnetik Lunak dan Magnetik Keras v

11 BAB III BAB IV 2.3 Magnetik Ferrite Hexagonal Ferrite (M-Type Ferrite) Solid Solution CaAl 4 Fe 8 O Teknologi Ceramic Powder Processing Dasar Teori Karakterisasi Dasar Teori XRD Dasar Teori SEM/EDS Dasar Teori TGA - DTA METODOLOGI PENELITIAN Tahapan Penelitian Bahan dan Peralatan Perhitungan Komposisi Prosedur Percobaan Persiapan Bahan Baku Milling Kalsinasi Pengujian Sifat Magnet Persiapan Sampel Berbentuk Ring Pengujian Sifat Magnet denga Permagraph...36 HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS Analisis Hasil Pengujian TGA-DTA Analisis Hasil Karakterisasi XRD Analisis Hasil Karakterisasi SEM dan EDS Serbuk Hasil Kalsinasi Pada Temperatur C di Udara (100 Jam) Serbuk Hasil Kalsinasi Pada Temperatur C di Udara (1jam) Serbuk Hasil Kalsinasi Pada Temperatur C Dengan Kondisi Vakum (1 Jam) Analisis Hasil Pengujian Magnetisasi...45 vi

12 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Momen Magnetik Yang Dihasilkan Oleh Gerakan Elektron...4 Gambar 2.2 Perubahan Bertahap Pada Orientasi Dwikutub Magnetik Atom Pada Dinding Domain...7 Gambar 2.3 Perubahan Konfigurasi Domain Bahan Feromagnetik dan Ferimagnetik...8 Gambar 2.4 Kurva Hysteresis Bahan Feromagnetik dan Ferimagnetik...9 Gambar 2.5 Kurva B H Untuk Material Paramagnetik dan Diamagnetik...9 Gambar 2.6 Magnetocrystalline Anisotropy Material Cobalt Single Crystal...10 Gambar 2.7 Tabel Periodik Yang Menunjukkan Sifat Magnet Unsur- Unsur Pada Temperatur Kamar...11 Gambar 2.8 Susunan Momen Dipol Material Diamagnetik...12 Gambar 2.9 Susunan Momen Dipol Material Paramagnetik...12 Gambar 2.10 Susunan Momen Dipol Untuk Material Feromagnetik...13 Gambar 2.11 Klasifikasi Material Magnetik Berdasarkan Susunan Momen Dipol atau Spin...15 Gambar 2.12 Hubungan Temperatur dengan Susceptibility Untuk Beberapa Material Magnetik...15 Gambar 2.13 Kurva Magnetisasi Bahan Magnetik Lunak dan Keras...17 Gambar 2.14 kurva Demagnetisasi Untuk Material Hexagonal Ferrite...18 Gambar 2.15 Struktur Kristal Hexaferrites...19 Gambar 2.16 Tahapan Utama Dalam Ceramic Powder Processing...20 Gambar 2.17 Difraksi Sinar X Pada Kristal...22 Gambar 2.18 Interaksi Antara Elektron dengan Benda Kerja...25 Gambar 2.19 Skema Alat TGA-DTA...27 Gambar 3.1 Tahapan Penelitian...28 Gambar 3.2 Skema Percobaan...32 viii

14 Gambar 3.3 Sampel yang di Kalsinasi Dengan Atmosfir Udara...33 Gambar 3.4 Kurva Proses Kalsinasi Serbuk...34 Gambar 3.5 Sampel Yang di Kalsinasi Pada Atmosfir Vakum dan Dialiri Gas Argon...34 Gambar 3.6 Tahapan Pembuatan Sampel Ring...35 Gambar 3.7 Serbuk Hasil Kompaksi...35 Gambar 4.1 Kurva TGA-DTA Sampel Setelah High Energy Milling Selama 6 Jam...37 Gambar 4.2 Perhitungan Kurva TGA-DTA...38 Gambar 4.3 Perbandingan Pola Difraksi XRD Ketiga Sampel...39 Gambar 4.4 Struktur Mikro Serbuk Hasil Kalsinasi Pada Temperatur C di Udara Selama 100 Jam...42 Gambar 4.5 Struktur Mikro Serbuk Kalsinasi Pada C diudara...42 Gambar 4.6 Struktur Mikro Serbuk Kalsinasi Pada C di Medium Vakum...43 Gambar 4.7 Kurva Magnetisasi Sampel Hasil Kalsinasi C Selama 100 Jam Diudara...46 Gambar 4.8 Kurva Magnetisasi Sampel Hasil Kalsinasi C Selama 100 Jam Diudara...46 Gambar 4.9 Kurva Magnetisasi Sampel Hasil Kalsinasi C Selama 1 Jam Dengan Atmosfir Vakum...46 Gambar 4.10 Kurva Magnetisasi Berbagai Material...47 ix

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis - Jenis Material Hexaferrites...18 Tabel 3.1 Berat Atom Unsur...29 Tabel 3.2 Berat Molekul Oksida...29 Tabel 3.3 Sampel yang di Karakterisasi...34 Tabel 4.1 Analisa Semi Kuantitatif Komposisi Fasa Hasil Pengujian XRD Pada Sampel yang dikalsinasi pada C selama 100 jam...40 Tabel 4.2 Analisa Semi Kuantitatif Komposisi Fasa Hasil Pengujian XRD Pada Sampel yang dikalsinasi pada C selama 1 jam diudara...40 Tabel 4.3 Analisa Semi Kuantitatif Komposisi Fasa Hasil Pengujian XRD Pada Sampel yang dikalsinasi pada C selama 100 jam dengan Kondisi Vakum...40 Tabel 4.4 Hasil EDS Serbuk Kalsinasi pada Temperatur C di udara selama 100 jam...42 Tabel 4.5 Hasil EDS Butir Granular Sampel Hasil Kalsinasi C di udara...43 Tabel 4.6 Hasil EDS Serbuk Kalsinasi ditemperatur C Kondisi Vakum pada Butir Plate Like Hexagonal...44 Tabel 4.7 Hasil EDS Serbuk Kalsinasi ditemperatur C Kondisi Vakum Pada Butir Granular...45 Tabel 4.7 Sifat Magnet Serbuk CaAl 4 Fe 8 O x

16 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Konversi Satuan...53 LAMPIRAN B Parameter latis beberapa M-Type Compound...54 LAMPIRAN C Hasil Karakterisasi TGA-DTA...55 LAMPIRAN D Hasil Karakterisasi XRD...56 LAMPIRAN E Hasil Karakterisasi SEM & EDS...62 LAMPIRAN F Hasil Karakterisasi Pengujian Sifat Magnet...67 xi