PENGARUH ADITIF Bi 2 O 3 TERHADAP SIFAT FISIS DARI KERAMIK VARISTOR ZnO. Drs. M. Gade, M.Si. ABSTRAK

Transkripsi

1 PENGARUH ADITIF Bi 2 O 3 TERHADAP SIFAT FISIS DARI KERAMIK VARISTOR ZnO Drs. M. Gade, M.Si. Dosen Kopertis Wilayah I dpk. Universitas Muslim Nusantara Al-Washliyah ABSTRAK Telah dilakukan pembuatan keramik varistor ZnO dengan rangkaian menggunakan bahan baku murni ZnO dan ditambah aditiv Bi 2 O 3.Aplikasi keramik varistor ZnO adalah sebagai pelindung circuit overvoltage pada : elektronik, permesinan, jaringan listrik. Varistor merupakan variable resistor yang memiliki hubungan arus I dan tegangan V yang non linier. Variabel penelitian yang dilakukan adalah variasi penambahan aditif Bi 2 O 3 yaitu : 0%, 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10% mole, serta variabel suhu sintering yaitu 900, 950, 1000, dan 1050 o C. Disintering pada berbagai variasi suhu, dan masing-masing sampel yang telah disintering dikarakterisasi meliputi : uji densitas porositas,dan analisa struktur mikro dengan menggunakan SEM. Hasil karakterisasi yang diperoleh adalah sampel tanpa aditif serta disintering pada berbagai suhu tidak menunjukkan sifat sebagai varistor dengan nilai koefisien non linier 0,33 1,73. Dengan aditif 7,5 % mole Bi 2 O 3 dan disinterring 1000 o C 1050 o C diperoleh sampel varistor ZnO dengan karakteristik : densitas 5,60 g/cm 3, porositas 0,02 %, koefisien non linier 64. Dan dari hasil pengamatan dengan SEM bahwa batas butir / grain boundary terbentuk pada penambahan aditif > 2,5 % mole Bi 2 O 3. Keyword : Varistor, ZnO, Bi 2 O 3, Sintering ABSTRACT Ceramic Varistor ZnO has been made by using raw materials ZnO and additive Bi 2 O 3. The application of varistor ZnO is for circuit overvoltage protection in : circuits electronic, machinery, and distribution of electrical field. There are two variables for this experiment such as : variables of additive are 0%, 2,5%, 5%, 7,5%, and 10% mole Bi 2 O 3, and variables of temperature sintering are 900, 950, 1000, dan 1050 o C. Sintered at variation temperature. After sintering, the samples were characterized such as : measurement of density and porosity, and microstructure by using SEM. Characterization results show that samples without additive do not show properties as varistor, they have very low of coefficient non linier about The samples with additive 10 % mole Bi 2 O 3 and sintering temperatur o C show as Varistor with charateristic : density about 5,60 g/cm 3, porositas about 0,02 %, coefficient non linier about 64, And also according the obsevation from photos SEM that grain boundary is formed at samples with additive > 2,5 % mole Bi 2 O 3. Keyword : Varistor, ZnO, Bi 2 O 3, Sintering 1

2 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Zink oksida (ZnO) merupakan senyawa oksida logam yang mempunyai kemampuan untuk digunakan sebagai komponen elektronik yaitu sebagai varistor. Fungsi varistor adalah untuk melindungi alat elektronik dari bahaya tegangan yang berlebih (Kostorz, 1988). Jenis material yang umum digunakan sebagai varistor adalah SiC dan ZnO, dimana SiC memiliki teknologi yang lebih sulit dalam produksinya dibandingkan dengan ZnO,varistor ZnO memiliki keunggulan antara lain : memiliki koefisien non lienier yang lebih tinggi, respon yang lebih cepat, dan memiliki harga material yang jauh lebih murah (Gupta, 1991). Penggunaan varistor sangat luas di bidang elektronik, karena varistor memiliki sifat yang non ohmik, bila ada lonjakkan tegangan yang cukup besar (V) maka arus (I) yang dialirkan akan kecil, karena hubungan V dan I tidak linier,dan tergantung pada faktor nilai konstanta non linier ( Moulson, 1990). Sedangkan nilai sangat tergantung pada jenis material, dimana ZnO memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan jenis yang lainnya. Umumnya produk varistor yang ada dipasaran selama ini masih diimport dari luar negeri, padahal sumber bahan baku ZnO banyak dijumpai di Indonesia. Lagi pula kebutuhan akan komponen Varistor akan cenderung semakin meningkat, karena setiap tahun produk elektronik yang diluncurkan dipasaran semakin banyak. Sifat utama dari varistor adalah nilai dari koefisien non linier ( ), dimana nilai sangat dipengaruhi faktor bahan dan (mikrostruktur dari ZnO Moulson, 1990). Dalam fabrikasi keramik ZnO sebagai varistor digunakan beberapa macam bahan aditif yang dapat memberikan peningkatan terhadap nilai, seperti misalnya :Bi 2 O 3, Sb 2 O 3, SiO 2, CoO, MnO dan Cr 2 O 3, dimana semua aditif tersebut memberikan pengaruh terhadap proses pembuatan / pembakaran, karakteristik dan mikrostrukturnya. Aditifaditif tersebut akan membentuk fasa gelas yang akan meningkatkan nilai dan sekaligus mengikat partikel-partikel ZnO, sehingga dapat menurunkan suhu pembakaran dalam proses fabrikasinya (Gupta, 1991). Pemilihan Bi 2 O 3 sebagai aditif, karena memiliki titik lebur yang rendah sekitar o C, sehingga diharapkan dalam proses pembakaran keramik ZnO tidak diperlukan suhu yang tinggi dan menghasilkan fasa gelas, dan harga Bi 2 O 3 lebih murah dibandingkan dengan lainya. Apabila tanpa menggunakan aditif maka suhu pembakaran akan jauh lebih tinggi yaitu sekitar 1300 o C(Gupta, 1991) Perumusan Masalah Dalam penelitian ini digunakan aditif Bi 2 O 3, karena aditif ini memiliki titik lebur yang jauh lebih rendah dari ZnO. Dari karakterisasi di atas akan dilihat, sejauh manakah pengaruh variasi komposisi aditif Bi 2 O 3 dan suhu sintering terhadap sifat fisis keramik varistor ZnO Tujuan Penelitian 1. Menguasai teknologi pembuatan varistor ZnO dengan penambahan aditif Bi 2 O Mengetahui pengaruh penambahan aditif Bi 2 O 3 terhadap suhu pembakaran dan 2

3 karakteristik keramik ZnO sebagai varistor ( sifat fisis). Hipotesis Variasi komposisi aditif Bi 2 O 3 akan memberikan pengaruh perubahan mikrostuktur keramik ZnO dan penurunan suhu pembakaran keramik ( suhu sintering) hingga mencapai lebih rendah dari C, serta dapat memberikan peningkatan nilai koefisien non linier yng tinggi hingga mencapai nilai >15. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan nantinya akan menjadi suatu terobosan dikuasainya tentang pembuatan material varistor ZnO dan IPTEK pengembangan material keramik teknik. Menjadi terobosan pengembangan ke arah industri komponen elektronik berbasis material keramik. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Varistor Varistor atau disebut sebagai Variabel Resistor atau juga disebut Voltage-Dependent Resistors, adalah merupakan piranti elektronik yang berfungsi untuk mengatasi gelombang tegangan sesaat yang tidak diinginkan (Topan K.G,1991). Sehingga dapat dipergunakan sebagai proteksi didalam suatu rangkaian elektronik. Pertama kali varistor dibuat dari bahan berbasis selenium yang banyak dipergunakan pada peralatan telekomunikasi. Varistor memiliki resistansi yang rendah pada tegangan tinggi, dan sebaliknya akan memiliki resistansi tinggi pada tegangan rendah. Dengan perkembangan teknologi akhirnya ditemukan bahan pengganti selenium yaitu kristal tunggal silicon yang digunakan untuk aplikasi tegangan rendah, dan jenis material lain yaitu polikristal SiC dan ZnO yang mampu untuk aplikasi pada tegangan tinggi (Topan K.G,1991). Perkembangan terakhir ternyata ZnO merupakan material yang mampu menggantikan SiC maupun kristal tungal Si, hal ini dikarenakan varistor ZnO memiliki kemampuan yang luas untuk segala tingkatan daya (Topan K.G,1991). Beberapa keunggulan ZnO sebagai bahan varistor adalah (Topan K.G,1991): Memiliki respon yang jauh lebih cepat Harga bahan lebih murah dan lebih muda fabrikasinya Kemampuan penyerapan energi yang tinggi Memiliki ukuran dimensi yang lebih kecil Memiliki umur pakai (life time) yang panjang dan tahan pada segala kondisi lingkungan. Koefisien non linier yang tinggi Beberapa sifat dari varistor ZnO seperti di bawah ini Tabel 1 sifat-sifat Varistor ZnO Parameter Nilai Grain boundary resistance cm Grain resistance (1-10) cm Bulk density 5,61 g/cm 3 Non linier voltage 1 10 kv/cm Non linier Coefficient Response time 5 10 ns Life > 30 years 3

4 2.2. Proses Pembuatan Keramik ZnO Beberapa parameter yang dapat dijadikan acuan untuk mengevaluasi proses sintering adalah (Ristic MM. 1989) : densitas, porositas, sifat mekanik, dan penyusutan. Pada gambar di bawah ini ditunjukkan hubungan antara parameter-parameter tersebut terhadap perubahan suhu sintering. yang lainnya. Melalui observasi dengan SEM dapat dilihat pula seberapa jauh ikatan butiran yang satu dengan yang lainnya dan apakah terbentuk lapisan dianatara butiran atau disebut grain boundary. III. METODE PENELITIAN 3.1. Rancangan Penelitian Penelitian dilakukan meliputi beberapa tahapan seperti ditunjukkan pada diagram alir dibawah ini. Ket : (1) Penyusutan, (2)Densitas,(3) Porositas, (4) Kekuatan mekanik, (5) Ukuran butir Gambar 1. Hubungan Suhu Sintering terhadap sifat-sifat keramik. Gambar di atas menunjukkan bahwa penyusutan dan porositas cenderung mengecil dengan meningkatnya suhu sintering, sebaliknya densitas dan kekuatan mekanik cenderung meningkat dengan naiknya suhu sintering. 2.3.Analisa Mikrostruktur Dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Analisa mikrostruktur untuk mengetahui bentuk dan ukran dari butir-butir serta mengetahui interaksi satu butir dengan butir Gambar 2. Diagram alir pelaksanaan penelitian pembuatan varistor ZnO Prosedur Penelitian a. Tahapan pembuatan benda uji: Pertama-tama ditimbang bahan baku yaitu serbuk ZnO dan serbuk Bi 2 O 3 sesuai dengan komposisi yang diinginkan ( komposisi penvampuran divariabelkan). Selanjutnya kedua bahan tersebut dicampur dengan ditambahkan Aceton sebagai media pencampur, karena aceton yang murni memiliki bahan pengotor yang hampir tidak ada. Banyaknya aceton yang ditambahkan adalah perbandingan anatar total berat serbuk dengan berat aceton adalah 1 : 1. Proses pencampuran digunakan alat yaitu magnetic stirrer, yang kecepatan putaran pengaduk dapat diatur dan 4

5 sambil diaduk dinyalakan pemanasnya. Dimana : Lamanya pengadukan adalah sampai campuran antara serbuk bahan baku dengan aceton berubah menjadi kental seperti pasta. Selanjutnya dimasukkan kedalam lemari pengering pada suhu 60 o C selama 24 jam. Ws Wb Wg Wk : Berat sampel kering, g : Berat sampel setelah direndam air, g : Berat smpel digantung didalam air, g : Berat kawat penggantung, g Campuran serbuk yang telah kering digerus dengan mortar tangan dan diayak sampai lolos ayakan 400 mesh. Selanjutnya serbuk yang telah diayak dicetak dengan tekanan 50 MPa untuk membentuk pellet berdiameter 24 mm. Sampel yang telah dicetak selanjutnya dibakar (disinterring) dengan mengunakan tungku listrik, suhu sintering divariasikan yaitu : 900, 950, 1000, 1050 o C, dan lamanya penahanan pada suhu sintering adalah 2 jam. Setelah mengalami proses pembakaran akan diperoleh benda uji yang siap di karakterisasi. b. Tahapan karakterisasi : Benda uji yang telah dibakar (disinterring) selanjutnya dikarakterisasi yang meliputi : b.1. Pengukuran densitas dan porositas Pengamatan besaran fisis seperti densitas dan porositas diukur dengan mengacu metoda standar (Archimedes). Formula untuk menghitung densitas dan porositas ditunjukan pada persamaan berikut (Anonius 1977) : BulkDensit y Ws x air...(1) Wb ( Wg Wk) Wb Ws Porositas x100%..(2) Wb ( wg Wk) b.2.pengamatan Mikrostruktur dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Analisa mikrostruktur dengan menggunakan SEM bertujuan untuk mengetahui susunan partikel-partikel setelah proses sintering, dan juga dapat diketahui perubahannya akibat variasi suhu sintering. Dari Foto SEM yang dihasilkan dapat diketahui apakah terjadi pembesaran butiran atau grain growth, sejauh mana pori-pori sisa yang terbentuk didalam badan keramik Variabel Penelitian Ada dua macam variable yang dipergunakan dalam penelitian ini yaitu antara lain : a. Variabel komposisi campuran ZnO dengan aditif B 2 O 3 : Tabel 2. Variabel komposisi dalam persen mole Bahan Sampel A Sampel B Sampel C Sampel D Sampel E ZnO 100 % 97,5 % 95 % 92,5 % 90 % B 2 O 3 0 % 2,5 % 5,0 % 7,5 % 10 % Total 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % b. Variabel suhu pembakaran: 900 o C, 950 o C, 1000 o C, dan 1050 o C. 5

6 1050 o C maka densitas untuk semua sampel IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Pengukuran Densitas Dan (berbagai % aditif) cenderung meningkat dan kebalikkannya untuk porositas yaitu cenderung Porositas mengecil. Hal ini sesuai dengan fenomena Hasil pengukuran densitas dan porositas dari sampel yang telah disinterring pada berbagai suhu ditunjukkan pada kurva hubungan densitas dan porositas berikut: sintering (Ramdal MG.1991, Ristic M.M.1989) bahwa pada proses sintering terjadi proses pemadatan yang diakibatkan oleh adanya proses difusi diantara butiran, sehingga rongga antara butiran (pori) akan cenderung berkurang serta terjadi penyusutan. Akibat adanya penyusutan maka volume benda akan menjadi Densitas, g/cm Suhu Sintering o C 0 % Bi2O3 2,5 % Bi2O3 7,5 % Bi2O3 10 % Bi2O3 mengecil, sedangkan densitas adalah perbandingan antara massa benda dengan volume benda, oleh karena itu semakin tingi suhu sintering maka densitas cenderung naik. Pengaruh penambahan Bi 2 O 3 memberikan efek yang besar terhadap proses pemadatan (kenaikkan densitas) serta penurunan porositas. Karena Bi 2 O 3 memiliki titik lebur sekitar 825 o C, sehingga pada suhu sintering (900 Gambar 3. Kurva Hubungan Densitas Terhadap Suhu Sintering C) semua Bi 2 O 3 akan mencair dan mengisi rongga-rongga diantara butiran (grain), akibatnya terjadi proses pemadatan yang cepat. Semakin banyak penambahan Bi 2 O 3 maka densitas tertinggi akan tercapai pada suhu sintering yang lebih rendah. Dimana dengan penambahan Bi 2 O 3 sebanyak 7,5 % dan 10 % mole diperoleh densitas tertinggi sekitar 5,60 g/cm 3 dan porositas = 0,01 0,02 % pada suhu sintering 1000 o C, dengan penambahan Bi 2 O 3 sebanyak 2,5 % dan 5 % mole diperoleh densitas tertinggi sekitar 5,60 g/cm 3 dan porositas = 0,04 0,39 % pada suhu sintering Gambar 4. Kurva Hubungan Porositas Terhadap Suhu Sintering Dari gambar di atas tersebut semakin tinggi suhu sintering yaitu dari suhu 900 o C sampai 1050 o C. Tetapi untuk sampel tanpa aditif Bi 2 O 3 tercapai densitas tertinggi = 5,19 g/cm 3 dan porositas = 9,39 % pada suhu sintering 1050 o C. Jadi sample tanpa aditif belum tercapai densitas yang maksimal dan porositas masih besar bearti 6

7 porses sintering belum tercapai dengan sempurna. Dan sample dengan aditif Bi 2 O 3 telah mencapai densitas maksimal (5,60 g/cm 3 ) karena proses sintering telah berlangsung mendekati sempurna, dimana menurut literatur densitas teoritis adalah 5,61 g/cm 3 (Gupta,1991). 4.2.Hasil Pengamatan Mikrostruktur Dengan Scanning Electron Microscope (SEM) Foto SEM dari sampel ZnO tanpa aditif Bi 2 O 3 dan telah disinterring 1050 o C pada gambar di bawah ini : Grain ZnO varistor, yaitu tidak menunjukkan pola yang non linier (non ohmik) dari hubungan arus I dan tegangan listrik V. Dengan tidak adanya batas butir, maka arus listrik akan sangat mudah mengalir melalui butir-butir ZnO setara dengan kenaikkan tegangan, dimana butir ZnO itu sendiri bersifat konduktor listrik. Hasil foto SEM untuk sampel dengan aditif 7,5 % serta 10 % Bi 2 O 3 masing-masing ditunjukkan pada gambar 6 dan 7. Pada foto SEM gambar 6, terlihat bahwa dengan penambahan aditif Bi 2 O 3 sebesar 7,5 % membentuk batas butir yang sempurna, dan mengikat seluruh butiran, sehingga pori-pori diantar butir hampir tidak ada. Akibatnya terjadi peningkatan terhadap sifat varistor, yaitu terjadi peningkatan nilai koefisien non linier : 64, sampel disinterring pada suhu 1000 o C dan 1050 o C Pori Gambar 5. Foto SEM Sampel ZnO Tanpa Aditif dan disinterring C Dari foto SEM pada gambar 6 menunjukkan bahwa ukuran butir / grain ZnO sekitar m, dan diantara butiran maupun pada butir ZnO masih terlihat rongga kosong sebagai pori. Oleh karena itu nilai porositasnya masih relatif besar yaitu 9,37 %. Dan disamping itu belum terbentuknya batas butir / grain boundary, sehingga hal ini menyebabkan sampel ZnO tanpa aditif tidak menunjukkan sifat seperti Gambar 6. Foto SEM Sampel ZnO Dengan Aditif 7,5% mole Bi 2 O 3 7

8 Gambar 7. Foto SEM Sampel ZnO Dengan Aditif 10% mole Bi 2 O 3 Sedangkan untuk sampel dengan 10 % dan disinterring pada suhu 1000 o C dan 1050 o C menunjukkan bahwa memang terjadi pembentukkan batas butir dan semua pori hampir tidak kelihatan. Tetapi hampir pada setiap butir terlihat butiran yang sangat halus, dan ini kemungkinan kristal - Bi 2 O 3 yang menyebabkan penurunan nilai koefisien non linier dan juga terlihat terjadi difusi Bi 2 O 3 ke permukaan butir ZnO, sehingga lebar batas butir tampak lebih kecil dibandingkan pada sampel dengan aditif 7,5 %. V. KESIMPULAN Dari hasil penelitian pembuatan keramik varistor ZnO dengan menggunakan aditif Bi 2 O 3 dapat dismpulkan sebagai berikut : 1. Persentase Aditif Bi 2 O 3 memberikan pengaruh yang signifikan terhadap densifikasi / sintering keramik ZnO ( densitas dan porositas),dan memberikan pengaruh terhadap mikrostruktur serta nilai koefisien non linier varistor ZnO. 2. Keramik ZnO tanpa Bi 2 O 3 setelah disinterring dari 900 o C sampai dengan 1050 o C memiliki nilai koefisien non linier yang sangat rendah ( <15), sehingga belum menunjukkan sifat-sifat sebagai varistor,serta porositasnya masih tingi yaitu sekitar 9,37 % - 14,28 %. 3. ZnO dengan aditif 7,5 % mole Bi 2 O 3 dan suhu sintering 1000 o C 1050 o C menghasilkan varistor dengan nilai koefisien non linier dan densitas cenderung tinggi dan porositas cenderung menurun / rendah. 4. Dari hasil pengamatan dengan menggunakan SEM bahwa pembentukan batas butir (grain boundary) mulai terjadi dengan sempurna pada penambahan aditif diatas 2,5 % mole Bi 2 O Dari keseluruhan sampel ternyata sampel ZnO dengan aditif 7,5 % mole Bi 2 O 3 dan disinterring 1000 o C-1050 o C merupakan sampel yang paling baik dan memenuhi persyaratan sifat-sfiat untuk varistor antara lain : nilai koefisien non linier sekitar = , densitas = 5,61 g/cm 3. VI.DAFTAR PUSTAKA Gupta Tapan K, 1991, VARISTOR, Engineered Materials Handbook, ed. By Samuel J. Schneider, Jr,, Vol.4, , ASM International Handbook Committee,USA. Kostorz Gernot, 1988, High-Tech Ceramic, hal , Academic Press, Zurich. 8

9 Mattias Elfwing, 2002, Nanoscale Charactrisation of Barriers to Electron Conduction in ZnO Varistor Materials, Acta Universtatis Upsaliensis, UPPSALA, Sweden. Moulson A.J., Herbert J.M.,1990, Electroceramics : materials-propertiesapplication, Chapman and Hall, pp , London. Peter Kocher, 2004, Optimizing The Matrix Strength of ZnO Varistor Ceramics, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Swiss. Randall M. German, 1991, Fundamentals of Sintering, Engineered Materials Handbook, ed. By Samuel J. Schneider, Jr, Vol.4, , ASM Internationa Handbook Committee,USA. Ristic MM.,1989, New Development Sintering, Elsevier Publishing, 4, pp.3-7, Netherland.Reynen P, 1979, Sintering of Mullite, Materials Science Monograph, Vol. 4, hal , Elsevier, Amsterdam. 9