JULIANDI SIREGAR /FIS

Transkripsi

1 STUDI ANALISIS TENTANG HUBUNGAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTER KERAMIK BERPORI CORDIERITE ( 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 ) SECARA SIMULASI DENGAN PROGRAM MATHEMATICA 5.1 TESIS O l e h JULIANDI SIREGAR /FIS SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2 STUDI ANALISIS TENTANG HUBUNGAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTER KERAMIK BERPORI CORDIERITE ( 2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 ) SECARA SIMULASI DENGAN PROGRAM MATHEMATICA 5.1 TESIS Untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Fisika pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara Oleh JULIANDI SIREGAR /FIS SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

3 Judul Tesis : STUDI ANALISIS TENTANG HUBUNGAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTER KERAMIK BERPORI CORDIERITE (2MgO.2Al 2 O 3.5SiO 2 ) SECARA SIMULASI DENGAN PROGRAM MATHEMATICA 5.1 Nama Mahasiswa : Juliandi Siregar Nomor Pokok : Program Studi : Fisika Menyetujui, Komisi Pembimbing (Prof. Dr. MUHAMMAD ZARLIS, M.Sc) KETUA (Drs. NASIR SALEH, M.Eng.Sc) ANGGOTA Ketua Program Studi, Direktur, (Prof. Dr. EDDY MARLIANTO, M.Sc) (Prof. Dr. Ir. T. CHAIRUN NISA B, M.Sc) Tanggal Lulus : 12 Mei 2008

4 Telah diuji pada Tanggal : 12 Mei 2008 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Prof. Dr. MUHAMMAD ZARLIS, M.Sc Anggota : 1. Drs. NASIR SALEH, M.Eng.Sc 2. Prof. Dr. EDDY MARLIANTO, M.Sc 3. Prof. H. MUHAMMAD SYUKUR, MS 4. Drs. ASMUNI, MS

5 ABSTRAK Telah dilakukan penelitian studi analisis tentang hubungan suhu sintering terhadap karakter keramik berpori cordierite (2MgO.2Al 2 O 3. 5SiO 2 ) secara simulasi dengan program mathematica 5.1. Variabel penelitian simulasi ini adalah suhu sintering 1200, 1250, 1300 dan C selanjutnya dicampur dengan serbuk kayu sebesar 10, 15, 20, 25 dan 30 % berat. Parameter penelitian ini adalah densitas, porositas, kekerasan dan kekuatan patah. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan komposisi 20% serbuk kayu dan suhu sintering C menghasilkan nilai densitas 0,97 g/cm 3 dan porositas 60,11% merupakan kondisi terbaik yang mendekati nilai literatur. Pada suhu sintering C dengan komposisi 20% serbuk kayu menghasilkan nilai kekerasan 0,94 GPa dan kekuatan patah 1,22 MPa. Dari perbandingan hasil simulasi dan eksperimen dapat disimpulkan bahwa melalui analisis simulasi untuk densitas, porositas, kekerasan dan kekuatan patah dapat diperoleh perubahan yang konstan akibat kenaikan suhu sintering yang konstan dan dapat juga dianalisis dengan interval kenaikan suhu yang lebih kecil. Kata Kunci : Keramik cordierite, serbuk kayu, simulasi densitas, porositas, kekerasan, kekuatan patah.

6 ABSTRACT This present thesis applies an study analitycal research about correlation sintering temperature with the characteristic of cordierite ceramic mechanic by simulation with mathematica 5.1 programs. The simulation research variables are the sintering temperature 1200, 1250, 1300 and C the next step was mixed with 10,15, 20,25 and 30 % (weight) of wood powder. The research parameter is the density, porosity, Vickers hardness and bending strength. The result of then simulation shows that with the 20% (weight) of wood powder composition and sintering temperature C produce density value of 0,97 g/cm 3 and the porosity about 60,11% is the best condition close literature value. At the sintering temperature C and the 20% (weight) of wood powder composition yields the Vickers hardness value of 0,94 GPa and the breakable strength of 1,22 MPa. From the comparations of the simulation and experiment it is concluded that the analysis through simulations of density, porosity, vicker hardness and bending strength yield the constant changes as the effect of the rise in the constant sintering temperature and it can be analyzed by applying the less rising temperature interval. Key Word : Cordirite ceramic, wood powder, simulation density, porosity, Vickers hardness, bending strength.

7 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan segala nikmat-nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan perkuliahan S-2 Fisika di sekolah Pascasarjana USU ini. Shalawat dan salam penulis ucapkan kepada Rasulullah SAW sebagai uswatun hasanah dan idola ummat manusia, yang mana diutus-nya beliau adalah sebagai Rahmat bagi seluruh alam, yang mana ajaran Rasulullah selalu memberikan semangat baru bagi kita semua dalam menuntut ilmu. Sangat banyak pihak / orang telah berjasa memberikan perubahan ke arah yang lebih baik sehingga mencatatkan sejarah baru dalam perjalanan kehidupan saya. Yang tentunya kepada mereka semua saya berdo a semoga Allah akan memberikan balasan yang setimpal atas jasa-jasanya dan mengucapkan terima kasih, meskipun barangkali tidak semuanya dapat saya tuliskan di sini. Yang pertama adalah kedua orang tua saya, Ayahanda Ali Mukmin Siregar dan Ibunda Atik. Ibu mertua saya, Ibunda Darnis dan istri saya Sri Rezeki alias Kiki, yang semuanya saya cintai karena Allah.. Orang tua dan Ibu mertua saya yang tak pernah henti do a, motivasi dan cintanya buat anak-anaknya. Merekalah yang dengan segala jerih payahnya mengasuh, mendidik, memberikan motivasi tanpa berharap imbalan apapun kecuali hanya keridho an Allah SWT semata dengan harapan semoga apa yang menjadi cita-cita semua anak-anaknya dapat dicapai dan diberkahi Allah SWT dan bermanfaat untuk agama, bangsa dan negara. Istri saya tercinta terima kasih

8 atas dukungannya selama saya menjalani perkuliahan meskipun semakin sedikit tersedia waktu buat kebersamaan kita. Ucapan terima kasih juga saya sampaikan kepada Pemprop Sumut / Bappeda Sumut atas beasiswanya sehingga saya dapat menyelesaikan perkuliahan di Magister Fisika USU. Juga kepada pihak-pihak yang terlibat dalam hal ini seperti Dinas Pendidikan Kota Medan beserta jajarannya. Yang sangat tak terlupakan tentunya juga adalah kepada Bapak Drs H Syamsul Bahri (Mantan Kepala Sekolah SMA Al-Ulum). Inilah sekarang saya Pak, atas motivasi, didikan, nasehat-nasehat serta stimulusstimulus yang tulus dari Bapak sehingga saya dapat menjalani pendidikan Magister Fisika USU ini. Tidak pernah terbayangkan sebelumnya akan hal ini. Seorang guru biasa dapat menyelesaikan pendidikan magister. Tapi bagi Allah tidak ada yang tidak mungkin di dunia ini. Juga terima kasih kepada Bapak Drs H Lukman Hakim, M.Pd (Kepala SMA Al-Ulum) dan semua rekan-rekan guru di SMA Al-Ulum atas do a dan dorongannya selama ini. Terima kasih juga kepada pihak institusi USU, mulai dari Rektor USU Bapak Prof. Dr. Chairuddin P Lubis, DTM & H, Sp.A (K) beserta staf dan jajarannya, kepada Direktur Sekolah Pascasarjana USU Ibu Prof Dr Ir. T. Chairun Nisa B, M.Sc beserta staf dan jajarannya. Yang selanjutnya kepada Bapak Dr. Eddy Marlianto, M.Sc sebagai ketua Prodi Fisika, Bapak Drs Mhd Nasir Saleh, M.Eng.Sc sebagai sekretaris Prodi, Bapak Prof. Dr. Mhd Zarlis, M.Sc selaku dosen pembimbing saya dalam penyelesaian tesis serta seluruh dosen-dosen, staf-staf dan pegawai di Program Studi Fisika yang amat dekat dan akrab kepada kami semua, serta begitu tulusnya

9 menghadapi segala kekurangan-kekurangan yang kami miliki. Semoga Allah membalas segala kebaikannya. Juga kepada Ibu Herlina Harahap, M.Si yang telah mengajari saya dalam metoda simulasi. Yang tidak dapat saya lupakan tentunya adalah saudara-saudara seperjuangan di Partai Keadilan Sejahtera (PKS) yang terus mendo akan saya. Juga kepada adikadik pejuang da wah di Unimed dan USU terima kasih atas do a dan motivasinya. Kepada kawan-kawan seperjuangan si Program Studi Fisika stambuk 2006, yang komitmen menjaga kebersamaan kita selama perkuliahan, semoga kebersamaan ini dapat terlanjutkan dimasa-masa akan datang. Semoga ilmu ini bermanfaat bagi agama, masyarakat, bangsa dan Negara. Penulis, JULIANDI SIREGAR

10 RIWAYAT HIDUP Nama : Juliandi Siregar, S.Pd Tempat,tanggal Lahir : Aek Loba, 09 Juli 1977 Alamat : Jl SM Raja Gg Keluarga 16 Komat III Medan Telepon : / julpks_siregar@yahoo.co.id Pekerjaan : Guru SMA Islam Al-Ulum Nama Istri : Sri Rezeki alias Kiki Nama Ayah : Ali Mukmin Siregar Nama Ibu : ( alm ) Siti Maryam Pulungan Pendidikan : 1. SD Negeri No Tanah Gambus Tamat : (1989) 2. SMP Negeri 1 Lima Puluh Tamat : (1992) 3. SMA Negeri 1 Indrapura Air Putih Tamat : (1995) 4. Sarjana Pendidikan Fisika IKIP Medan Tamat : (2002) 5. Magister Fisika SPs USU Tamat : (2008)

11 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii RIWAYAT HIDUP... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Hipotesis Pembatasan Masalah Manfaat Penelitian... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Sistem Komputer Konsep Dasar Simulasi Bahasa Pemrograman Program Mathematica Tahapan dalam Pemrograman Metode Numerik Diagram Fasa Keramik Cordierite Material Keramik Filter Pembuatan Produk Keramik Berpori Pemilihan Bahan Baku Keramik Cordierite 24

12 2.6.2 Bahan Baku Serbuk Kayu Preparasi Serbuk, Pencetakan dan kalnisasi Proses Sintering Karakterisasi Material Keramik Densitas dan Porositas Kekerasan (Vickers Hardnes, Hv) Kekuatan Patah (Bending Strength) Koefisien Ekspansi Termal (α) BAB III METODOLOGI PENELITIAN Pemilihan atau pengambilan data Parameter yang digunakan Korelasi Densitas Terhadap Suhu Korelasi Porositas Terhadap Suhu Korelasi Kekerasan (Vickers Hardness) Terhadap Suhu Korelasi Kekuatan Patah (Bending Strength) Terhadap Suhu Algoritma Analisis Simulasi Algoritma Program Simulasi untuk Menentukan Densitas Algoritma Program Simulasi untuk Menentukan Porositas Algoritma Program Simulasi untuk Menentukan Kekerasan Algoritma Program Simulasi untuk Menentukan Kekuatan Patah Flowchart ( Diagram Alir ) Flowchart Korelasi Densitas terhadap suhu Flowchart Korelasi Porositas terhadap suhu Flow Chart Korelasi Kekerasan terhadap suhu 48

13 3.4.4 Flow Chart Korelasi Kekuatan patah terhadap suhu. 49 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Simulasi Densitas dan Porositas Terhadap Suhu Sintering Densitas Porositas Analisis Simulasi Korelasi Kekerasan Terhadap Suhu Sintering Analisis Simulasi Korelasi Kekuatan Patah Terhadap Suhu Sintering BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... 70

14 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 Generasi-generasi bahasa Pemrograman Sifat Fisis dan Mekanik Keramik Cordierite... 19

15 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Komponen-Komponen Utama Komputer Tahapan Studi Simulasi sistem MgO - Al 2 O 3 - SiO Bentuk keramik poros Filter Keramik Poros Bentuk Pipa Aplikasi Filter Keramik Poros Kontruksi Filter Untuk Gas Buang Model dua bola saling kontak dengan permukaan leher kontak (neck) Mekanisme perpindahan materi selama sintering Perubahan mikrostruktur keramik selama proses sintering Kurva hubungan sifat-sifat keramik terhadap suhu sintering Korelasi antara densitas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 10% Korelasi antara densitas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 15% Korelasi antara densitas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 20% Korelasi antara densitas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 25% Korelasi antara densitas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 30% Korelasi antara porositas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 10% Korelasi antara porositas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 15% Korelasi antara porositas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 20% Korelasi antara porositas terhadap suhu sintering

16 untuk serbuk kayu 25% Korelasi antara porositas terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 30% Korelasi antara kekerasan terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 10% Korelasi antara kekerasan terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 15% Korelasi antara kekerasan terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 20% Korelasi antara kekerasan terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 25% Korelasi antara kekerasan terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 30% Korelasi antara kekuatan patah terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 10% Korelasi antara kekuatan patah terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 15% Korelasi antara kekuatan patah terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 20% Korelasi antara kekuatan patah terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 25% Korelasi antara kekuatan patah terhadap suhu sintering untuk serbuk kayu 30%... 66

17 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman A Data Hasil Pengukuran Densitas dan Porositas 73 B Data Hasil Pengukuran Kekerasan C Data Hasil Pengukuran Kekuatan Patah D Program Menghitung Densitas E Program Menghitung Porositas F Program Menghitung Kekerasan G Program Menghitung Kekuatan Patah

18 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Teori-teori baru mengenai material pada skala atomik mempermudah peneliti untuk memprediksi perilaku material pada skala makroskopik dan memberikan kemampuan untuk merancang material-material baru dengan sifat-sifat tertentu yang diinginkan. Namun analisa dan rancangan material dahulu hanya dapat dilakukan dengan eksperimen berkali-kali yang memerlukan biaya yang sangat mahal dan waktu yang sangat lama. Selain itu, ada berbagai kondisi yang sulit atau tidak dapat diimplementasikan, antara lain eksperimen pada suhu yang sangat tinggi atau tekanan yang sangat besar. Dengan adanya kemajuan dalam ilmu komputer dan kemampuan komputasi yang jauh lebih kuat daripada dahulu, terbuka kemungkinan baru yaitu eksperimen komputer atau melakukan percobaan dengan menggunakan kecanggihan komputerisasi. Eksperimen komputer adalah jembatan antara teori dan eksperimen yang telah diterima sebagai salah satu metoda penelitian dan pengembangan material. Suatu eksperimen material secara fisik dapat didahului oleh eksperimen komputer untuk menentukan kondisi yang dibutuhkan atau memprediksi hasilnya. Keuntungan eksperimen komputer diantaranya adalah harga yang relatif lebih murah dan dapat melakukan pekerjaan atau perhitungan matematika dengan lebih mudah meskipun untuk sistem yang lebih kompleks. Selain itu, kemampuan eksperimen komputer

19 meningkat sejalan dengan kemajuan komputer. Salah satu eksperimen komputer yang dapat dilakukan adalah menganalisa tentang hubungan suhu sintering terhadap karakter keramik cordierite (2MgO.2A1 2 O 3.5SiO 2 ). Cordierite merupakan salah satu jenis keramik oksida dengan formula : 2MgO.2A1 2 O 3.5SiO 2. sifat-sifat keramik ini antara lain : material ini cukup stabil dan tahan suhu tinggi sampai suhu 1300 C, memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi dibandingkan keramik porselin, koefisien termal ekspansi rendah (2 3) x 10-6 C -1, sehingga dapat tahan terhadap kejut suhu, dan tahan korosi/abrasi. Dilihat dari sifatsifatnya tersebut maka keramik cordierite dapat dipergunakan sebagai bahan refraktori, dan sebagai bahan filter gas buang. Sesuai dengan tuntutan zaman dalam era globalisasi maka mau tidak mau penguasaan teknologi bersih (Clean Technology) pada masa sekarang dan yang akan datang harus dikuasai. Sejalan dengan tuntutan diatas maka penguasaan dan pemilihan material yang tepat juga harus diperhatikan sehingga tidak menimbulkan dampak negatif dan/atau akibat sampingnya. Oleh karena itu perlu mendapat perhatian yang serius oleh kita semua akan dampak dari gas buang baik yang berasal dari sektor industri maupun kendaraan bermotor terhadap lingkungan. Selama ini terlihat telah terjadi kerusakan akan lingkungan dan cukup banyak sekali yang diakibatkan oleh adanya polusi gas buang. Salah satu alternatif untuk pencegahannya adalah penggunaan filter yang mampu menyaring gas buang sehingga lingkungan bebas dari bahan-bahan polusi, seperti : debu halus, gas-gas beracun dan lain-lain. Dengan demikian untuk memenuhi kebutuhan akan filter sebagai penyaring gas

20 buang yang cenderung meningkat maka kesiapan akan litbang maupun sumber daya manusia yang mendukung tersedianya komponen tersebut harus dipenuhi. Umumnya gas buang yang dihasilkan dari ruang bakar baik dari sektor industri (tungku pembakaran) maupun dari ruang bakar kenderaan bermotor memiliki suhu yang cukup masih tinggi, yaitu sekitar : ( ) C dan banyak mengandung partikel-partikel halus (debu), partikel karbon, gas CO, CO 2, SO 2,NO, dan lainlainnya. Filter yang mampu menangkap debu halus dan partikel karbon dari gas buang membutuhkan bahan/material yang berpori, juga harus kuat dan stabil, tahan suhu tinggi, tahan abrasi/korosi dari gas-gas kimia dan mudah pula pembersihannya. Cordierite tidak terdapat di alam, tetapi dapat disintesa dari reaksi padatan oksida-oksida : MgO, A1 2 O 3, dan SiO 2. Sumber bahan oksida-oksida pembentuk cordierite banyak dijumpai pada bahan-bahan alam di Indonesia, seperti misalnya: sumber MgO dapat diperoleh dari bahan magnesit MgCO 3 atau dolomite, sumber A1 2 O 3 dapat diperoleh dari alumina/bauksit atau kaolinit, sedangkan SiO 2 dapat diperoleh dari pasir silica. Deposit dari bahan-bahan alam tersebut cukup banyak tersedia di bumi Indonesia, dan belum termanfaatkan secara optiomal. Mengingat akan kebutuhan filter gas buang dari bahan keramik saat mendatang cukup tinggi maka daya dukung khususnya teknologi proses dan pabrikasi dari keramik berpori menjadi sangat penting. Pembangunan industri maupun bidang otomotif yang ramah lingkungan saat ini maupun yang akan datang wajib menggunakan filter gas buang dalam menjaga pemanasan global. Saat ini produk dari filter gas buang masih diimport dari Jepang, Amerika dan Australia. Padahal bahan

21 baku untuk membuat filter dari bahan keramik cukup banyak tersedia di Indonesia, oleh karena itu perlu dilakukan penelitian pembuatan filter dari keramik, agar kita tidak ketinggalan dengan teknologi yang berkembang pesat, serta mampu menguasai teknologi pembuatan filter yang nantinya dapat mensubstitusi import filter gas buang. Material keramik yang dapat berfungsi sebagai filter gas tentunya berbeda dengan material keramik lainnya. Umumnya material keramik itu harus padat dan kuat, tetapi sebagai filter material keramik harus dibuat berpori dan kuat agar gas-gas dapat lolos, tetapi partikel-partikel halus atau partikel karbon akan tertahan menempel didinding pori keramik. Ada beberapa teknologi pembuatan keramik berpori antara lain dengan menambahkan bahan organik pada campuran bahan keramik, sehingga pada saat proses pembakaran keramik bahan organik akan terurai menjadi gas dan meninggalkan jejak pori-pori pada bahan keramik. Pada penelitian ini akan dicoba membuat simulasi komputasi dengan program mathematica 5.1 untuk melihat karakteristik keramik cordierite berpori dengan menggunakan aditif pembentuk pori dari bahan serbuk kayu. Karena bahan serbuk kayu cukup banyak tersedia sebagai bahan limbah industri kayu/pengrajin kayu. Ukuran serbuk kayu dan persentase jumlah serbuk kayu tentunya akan sangat berpengaruh terhadap ukuran pori yang terbentuk dan karakteristik dari keramik berpori yang dihasilkan (densitas, porositas, kekuatan mekanik, kekerasan, sifat termal dan struktur mikronya).

22 1.2 PERUMUSAN MASALAH Permasalahan utama adalah terfokus pada bagaimana cara merancang simulasi komputasi dengan program mathematica 5.1 yang akan memperlihatkan karakter keramik codierite yang dihasilkan berpori, tetap kuat, stabil bila terkena pemanasan sampai suhu sekitar 1000 C, porositasnya berkisar antara (30 60) % dan ringan bila digunakan sebagai filter gas buang. Juga akan memperlihatkan karakter keramik cordierite yang dibuat dengan menambahkan bahan organik dalam bentuk serbuk kayu masing-masing sebesar : (10, 15, 20, 25, dan 30 % berat) yang akan terurai menjadi gas pada rentang suhu sekitar : ( ) C maka pada bodi keramik cordierite akan menghasilkan pori, dengan suhu sintering adalah 1200, 1250, 1300 dan 1350 C yang mengacu pada diagram fasa sistem MgO A1 2 O 3 SiO 2. Sedangkan proses pembentukan fasa cordierite berlangsung pada suhu diatas 1000 C. Untuk memenuhi persyaratan diatas, yaitu: ukuran pori, densitas, porositas, kekuatan mekanik, kekerasan, ketahanan terhadap kejut suhu maka perlu dilakukan variasi penambahan jumlah serbuk kayu dan suhu sintering (pembakaran) sehingga akan diperoleh suatu kondisi optimum dan sesuai untuk bahan filter gas buang. 1.3 TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini memiliki tujuan : 1. Mengetahui karakterisasi dari keramik berpori cordierite (2MgO.2A1 2 O 3.5SiO 2 ) sebagai bahan filter gas buang secara simulasi dengan program Mathematica 5.1.

23 2. Melakukan uji coba simulasi untuk mengetahui pengaruh penambahan serbuk kayu (dalam % berat) dan suhu sintering terhadap karakteristik (porositas, densitas, kekuatan patah, kekerasan, koefisien termal ekspansi), khususnya pada pembuatan keramik berpori dengan fasa cordierite (2MgO.2A1 2 O 3.5SiO 2 ). 1.4 HIPOTESIS 1. Dengan simulasi akan diketahui gambaran yang sebenarnya tentang karakteristik serbuk cordierite (2Mgo.2A1 2 O 3.5SiO 2 ) yang dapat diperoleh melalui mekanisme reaksi padatan pada suhu 1200 C dari campuran bahan baku : MgCO 3, A1 2 O 3 dan pasir kuarsa (SiO 2 ). 2. Keramik cordierite yang berpori dibentuk dari matrik dasar cordierite (2MgO.2A1 2 O 3.5SiO 2 ) dan serbuk kayu sebagai media untuk menghasilkan pori. Ukuran pori, besarnya porositas dan kekuatan mekaniknya sangat dipengaruhi oleh persentase penambahan serbuk kayu (10, 15, 20, 25, dan 30 % berat) dan suhu sintering (1200, 1250, 1300 dan 1350 C). Kondisi optimum yang dihasilkan dari benda uji keramik cordierite berpori ditentukan oleh hasil karakterisasinya dan spesifikasi dari filter gas buang dipersyaratkan yang akan diperlihatkan melalui simulasi komputasi.

24 1.5 PEMBATASAN MASALAH Penelitian pada tesis ini dibatasi dengan hal-hal sebagai berikut : 1. Penelitian ini dilakukan secara simulasi dan komputasi dengan menggunakan program paket mathemática versi Simulasi dilakukan dibatasi pada hasil pengukuran karakteristik keramik cordierite ( densitas, porositas, kekerasan, kuat patah ). 1.6 MANFAAT PENELITIAN Penelitian pada tesis ini memiliki manfaat sebagai berikut : 1. Secara umum akan memajukan penelitian di bidang material khususnya keramik teknik di Indonesia melalui simulasi dan metode komputasi. 2. Memberikan kontribusi berupa informasi awal untuk menentukan variabel-variabel yang lebih tepat agar hasil yang diperoleh lebih baik bagi peneliti selanjutnya. 3. Dapat digunakan sebagai pendahuluan dalam menentukan kondisi yang dibutuhkan dan memprediksi hasilnya untuk pengembangan eksperimen berikutnya.

25 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 SISTEM KOMPUTER Hampir seluruh aspek kehidupan manusia saat ini tidak dapat dilepaskan dari teknologi, khususnya teknologi komputer. Supaya komputer dapat digunakan untuk mengolah data, maka harus berbentuk suatu sistem yang disebut dengan sistem komputer/komputerisasi. Secara umum, sistem terdiri dari elemen-elemen yang saling berhubungan membentuk satu kesatuan untuk melaksanakan suatu tujuan pokok dari sistem tersebut. Tujuan pokok dari sistem komputer adalah mengolah data untuk menghasilkan informasi sehingga perlu didukung oleh elemen-elemen yang terdiri dari perangkat keras ( hardware ), perangkat lunak ( software ) dan brainware. Secara garis besar komputer tersusun atas empat komponen utama: piranti masukan, piranti keluaran, unit pemrosesan utama dan memori ( Gambar 2.1 ). Unit pemrosesan utama ( Central Processing Unit CPU ) adalah otaknya komputer, yang berfungsi mengerjakan operasi-operasi dasar seperti operasi perbandingan, operasi perhitungan ( penjumlahan, pengurangan, perkalian dan lain-lain ), operasi membaca dan operasi menulis. Memori adalah komponen yang berfungsi menyimpan atau mengingat-ingat. Yang disimpan di dalam memori adalah program ( berisi operasi-operasi yang akan dikerjakan oleh CPU ) dan data atau informasi ( sesuatu yang diolah oleh operasi-operasi ). Piranti masukan dan keluaran ( I/O devices ) merupakan alat fungsi untuk memasukan data atau program ke dalam memori, dan

26 alat yang digunakan komputer untuk mengkomunikasikan hasil-hasil aktivitasnya. Contoh piranti masukan adalah papan kunci (keyboard), pemindai (scanner), mouse, joystick dan disk. Contoh alat keluaran adalah layar peraga (monitor), printer dan disk. Piranti Masukan Unit Pemroses Utama (CPU) Piranti Keluaran Memori Gambar 2.1. Komponen-komponen Utama Komputer (Rinaldi Munir, 1999) Membuat program komputasi tidak terlepas dari hal pembuatan sistem dan model. Suatu sistem adalah suatu kumpulan dari komponen atau unsur yang dianggap sebagai penyusun dari bagian dunia nyata yang dipertimbangkan, dan unsur tersebut berhubungan satu sama lain dan dikelompokkan untuk tujuan studi dari bagian dunia nyata tersebut. Seleksi dilakukan terhadap unsur penyusun sistem berdasarkan tujuan studi, karenanya sistem hanya merupakan wakil dari bentuk sederhana realita. Model dapat dibatasi sebagai konsep (matang atau masih dalam tahap pengembangan) dari sistem yang disederhanakan. Jadi model dapat dianggap sebagai substitusi (pengganti) untuk sistem yang dipertimbangkan dan digunakan apabila lebih mudah bekerja dengan substitusi tersebut dari dengan sistem yang

27 sesungguhnya. Pembuatan model dapat dibedakan pada model física dan model matematis. Model fisika dibedakan antara model statik dan model dinamik. Model statik hanya dapat menunjukkan nilai-nilai yang ditunjukkan oleh atribut ketika sistem berada dalam keseimbangan. Sebaliknya, model dinamik mengikuti perubahan yang dihasilkan oleh aktivitas sistem sepanjang waktu. Model matematis adalah pembedaan dalam metode analisis dan numeris. Menggunakan metode analisis berarti memakai teori matematika deduktif untuk menyelesaikan model. Karena itu teknik analitis ini adalah cara untuk mendapatkan model yang dapat diselesaikan dan merupakan solusi terbaik yang bersesuaian dengan model yang dipelajari. Sementara itu, metode numerik melibatkan penggunaan prosedur-prosedur komputasi untuk menyelesaikan persamaanpersamaan yang ada. 2.2 KONSEP DASAR SIMULASI Simulasi adalah proses yang diperlukan untuk operasionalisasi model atau penanganan model untuk meniru tingkah laku sistem yang sesungguhnya. Ini meliputi berbagai kegiatan seperti penggunaan diagram alir dan logika komputer, serta penulisan kode komputer dan penerapan kode tersebut pada komputer untuk menggunakan masukkan dan menghasilkan keluaran yang diinginkan. Pada prakteknya, modeling dan simulasi adalah proses yang berhubungan sangat erat.

28 Simulasi dapat juga diartikan sebagai suatu sistem yang digunakan untuk memecahkan atau menguraikan persoalan-persoalan dalam kehidupan nyata yang penuh dengan ketidakpastian, dengan atau tidak menggunakan metode tertentu, dan lebih ditekankan pada pemakaian komputer untuk mendapatkan solusi (Djunaidi, 2006). Adapun langkah-langkah dalam simulasi dilakukan seperti alur pada gambar 2.2. Formulasi Masalah Spesifikasi Model Membangun Model Mengembangkan Model Simulasi Mengumpulkan Data Menetapkan Kontrol Eksperimen Menjalankan Model Simulasi Simulasi Model Verifikasi Model Simulasi Validasi Model Simulasi Menggunakan Model Pendukung Pengambil Keputusan Gambar 2.2. Tahapan Studi Simulasi ( Djunaidi, dkk, 2006 )

29 2.3 BAHASA PEMROGRAMAN Program komputer adalah sekumpulan instruksi yang dikenal oleh komputer dan disusun menurut urutan yang logis untuk menyelesaikan suatu masalah. Pemrograman (Programming) adalah kegiatan yang berkaitan dengan penulisan program komputer. Bahasa yang digunakan untuk penulisan program disebut bahasa pemrograman (programing language). Bahasa pemrograman komputer senantiasa berkembang secara evolusi sejalan juga dengan perkembangan perangkat keras komputer. Hingga dewasa ini dikenal ada 5 generasi bahasa pemrograman komputer, seperti tabel berikut ini ( Muhammad Zarlis, 2005 ) : Tabel 2.1 Generasi-generasi bahasa pemrograman Generasi 1 Generasi 2 Generasi 3 Generasi 4 Generasi 5 Bahasa Mesin Bahasa Rakitan Bahasa Prosedural Bahasa Non Prosedural Bahasa Kecerdasan Buatan Program Mathematica Mathematica adalah salah satu bahasa pemrograman komputer generasi ke - 4 yang ditulis oleh Wolfram Inc. Hal-hal yang diperkenalkan adalah penyelesaian matematika dengan mathematica yang meliputi pemrograman, pembuatan fungsi, pembuatan grafik dan penggunaan fungsi-fungsi intrinsik yang tersedia dalam bahasa mathematica.

30 Setiap membuka program mathematica akan selalu memunculkan pertanyaan yang spesifik dalam bentuk keluaran dari mathematica seperti OutputForm, TeXForm. Nilai yang dihasilkan oleh mathematica akan disimpan sebagai file.res, file.restex (Skorupski, 2007). Beberapa produk mathematica yang belakangan ini berkembang diantaranya adalah paket dengan aplikasi spinor-helicity yang formal dalam mathematica ( Maitre.D, Mastrolia.P, 2007). Ada juga produk Stringvacua yaitu sebuah paket mathematica untuk mempelajari konfigurasi vacum dalam fenomena string (James Gray, 2008). Mathematica dapat digunakan sebagai (Wolfram, Stephen) : 1. Suatu simbol numerik dan kalkulator, jika pertanyaan diketik maka Mathematica akan menjawab dalam print out. 2. Suatu sistem visualisasi untuk fungsi data. 3. Suatu bahasa pemograman tingkat tinggi dimana dapat dibuat program yang luas dan sempit. 4. Suatu sistem untuk gambaran pengetahuan ilmiah dan bidang teknik. 5. Suatu software platform yang dapat membuat paket bangunan untuk aplikasi yang spesifik. 6. Suatu cara untuk menciptakan dokumen interaktif dengan menggabungkan teks, animasi grafik dan bunyi dengan formula yang aktif. 7. Suatu kontrol bahasa untuk proses dan program eksternal

31 8. Suatu sistem penyisipan dengan mengambil dari program lain Matematika komputasi dapat dibagi menjadi 3 kelas utama yaitu : 1. Numerik Mathematica dapat digunakan sebagai kalkulator elektronik, dapat memperoleh hasil hasil eksak, dapat melakukan perhitungan numerik yang tidak hanya dengan angka angka individu, tetapi juga dengan objek seperti : fungsi matematika tingkat tinggi, matriks dan invers matriks, data numerik, aljabar linier, statistik, operasi numerik pada fungsi dan analisis yang lain. 2. Simbol komputasi Mathematica dapat digunakan mengolah objek simbolik, seperti mengubah ekspresi aljabar, kalkulus, mengevaluasi simbol integral dan derivatif dan untuk mencari solusi simbol persamaan diffrensial biasa dan lain sebagainya 3. Grafik Mathematica dapat menghasilkan grafik dua dimensi dan tiga dimensi,. Untuk tiga dimensi, dapat mengontrol bayangan, warna, pencahayaan dan parameter yang lain. Beberapa versi Mathematica dapat membuat animasi grafik. Hal pertama yang perlu diperhatikan dalam aturan dasar mathematica adalah bahwa mathematica Case Sensitive, yang artinya suatu karakter yang disimbolkan

32 dengan huruf besar dan huruf kecil dianggap tidak sama dalam mathematica. Sebagai contoh, huruf yang menyimbolkan π adalah Pi, dan huruf ini tidak sama dengan pi Tahapan dalam Pemrograman Langkah-langkah yang dapat dilakukan dalam menyelesaikan masalah dalam pemrograman dengan komputer adalah ( Muhammad Zarlis & Handrizal, 2007 ) : 1 Defenisikan Masalah 1.1 Tentukan apa yang menjadi masalah 1.2 Tentukan data input yang diperlukan 1.3 Tentukan output yang diinginkan 2 Membuat bagan dan struktur cara penyelesaiannya. 2.1 Bagan secara global 2.2 Deskripsikan tugas masing-masing program 3. Memilih metode penyelesaian dengan cara memilih struktur data dan algoritma terbaik 4. Pengkodean 4.1 Pilih bahasa pemrograman yang sesuai 4.2 Menterjemahkan algoritma ke bahasa pemrograman 5. Mencari Kesalahan 5.1 Kesalahan sintaks (penulisan program) 5.2 Kesalahan pelaksanaan : semantik, logika dan ketelitian

33 6. Uji dan Verifikasi Program 7. Dokumentasi Program 8. Pemeliharaan Program 8.1 Memperbaiki kekurangan yang ditemukan kemudian 8.2 Memodifikasi, karena perubahan spesifikasi Saat ini, dengan berkembangnya teknik pemrograman terstruktur, orang tidak lagi memecahkan masalah dengan langsung menuliskan programnya dalam bahasa pemrograman. Tetapi sudah mulai dipikirkan suatu cara penyelesaian masalah yang akan diprogram dengan menekankan pada desain atau rancangan yang mewakili pemecahan masalah tersebut. Desain berisi urutan langkah-langkah pencapaian solusi yang ditulis dalam notasi-notasi deskriptif. Urutan langkah-langkah yang sistematis untuk menyelesaikan sebuah masalah dinamakan algoritma. Notasi untuk menuliskan algoritma disebut notasi algoritmik ( Rinaldi Munir, 1999 ) Metode Numerik Metode numerik adalah suatu teknik penyelesaian yang diformulasikan secara matematis dengan cara operasi hitungan/aritmatik dan dilakukan secara berulangulang dengan bantuan komputer atau secara manual (hand calculation). Dalam menganalisis suatu permasalahan yang didekati dengan menggunakan metode numerik, umumnya melibatkan angka-angka dalam jumlah banyak dan melewati proses perhitungan matematika yang cukup rumit. Perhitungan secara manual akan memakan waktu yang panjang dan lama (consuming time). Namun

34 dengan munculnya berbagai software komputer, masalah tersebut kini dapat diatasi dengan mudah. Sebuah model matematika secara sederhana dapat didefenisikan sebagai sebuah formulasi atau persamaan yang mengekspresikan suatu sistem atau proses dalam istilah matematika ( Agus Setiawan, 2006 ). Banyak model matematika yang tidak dapat diselesaikan secara eksak sehingga alternatif penyelesaiannya adalah melalui solusi numerik yang merupakan hampiran bagi solusi eksak. Akan terdapat sedikit perbedaan hasil antara solusi analitis (eksak) dengan solusi numerik atau yang biasa disebut dengan error (kesalahan). Adanya error dalam pendekatan secara numerik dapat diminimalisasi dengan mengambil selang interval perhitungan yang lebih kecil ( Agus Setiawan, 2006 ). 2.4 DIAGRAM FASA KERAMIK CORDIERITE Dari diagram fasa sistem MgO - Al 2 O 3 - SiO 2 dimana fasa cordierite komposisinya pada daerah yang diberi tanda (C), seperti ditunjukkan pada gambar 2.3. Sifat-sifat keramik cordierite secara umum adalah tahan temperatur tinggi, tahan korosi terhadap bahan nimia, memiliki kekerasan yang tinggi sehingga tahan abrasi, bersifat isolator listrik, dan bersifat getas (brittle). Keramik cordierite mempunyai keunggulan dibandingkan dengan keramik lainnya yaitu : nilai koefisien termal ekspansinya jauh lebih rendah, yaitu sekitar ( 2x10-6 3x10-6 ) 0 C -1.

35 Gambar 2.3. Sistem MgO - Al 2 O 3 - SiO 2 (after E.F. Osborn and A. Muan No.3 in Phase Equilibrium Diagrams of Oxide System, American Ceramics Society, Columbus, Ohio, 1960) Dari gambar 2.3 diatas dijelaskan komposisi steatite dinyatakan oleh daerah (A), cordierite adalah (C), forsterite adalah (D), titik (E) berhubungan dengan kalsinasi talk, dan titik (F) berhubungan dengan kalsinasi clay. Cordierite dengan formulanya 2MgO.2Al 2 O 3. 5SiO 2 dibentuk dari tiga macam oxidan MgO, Al 2 O 3 dan SiO 2. Cordierite terbentuk dalam reaksi padatan antara oxida-oksida MgO, Al 2 O 3 dan SiO 2 pada suhu sekitar ( ) 0 C. Reaksi pembentukkan senyawa Cordierite sebagai berikut : 2 MgO + 2 Al 2 O 3 + 5SiO 2 2MgO.2Al 2 O 3. 5SiO 2 Beberapa penulis seperti misalnya Hans K.S, telah mencoba melakukan sintesa serbuk cordierite (2MgO.2Al 2 O 3. 5SiO 2 ) dari berbagai macam bahan baku alam, ternyata suhu pembentukan fasa cordierite tergantung pada jenis bahan baku dan

36 umumnya sekitar ( ) 0 C. Sedangkan JC Broudic, telah mencoba sintesa cordierite melalui teknik sol gel, ternyata fasa cordierite terbentuk pada suhu yang relatif lebih rendah, yaitu ( ) 0 C. Sedangkan keramik lain seperti : porselin, alumina atau ZrO 2 memiliki koefisien termal ekspansi yang lebih tinggi lagi. Akibat dari nilai koefisien termal ekspansi dari keramik cordierite rendah maka ketahanannya terhadap kejutan suhu menjadi meningkat, disamping itu daya hantar panasnya juga relatif lebih baik. Pada tabel 2.1 ditunjukkan beberapa besaran fisis dan mekanik dari material keramik cordierite pada umumnya. Keramik cordierite memiliki keunggulan dalam sifat termalnya sehingga material cordierite banyak digunakan sebagai material tahan suhu tinggi (refraktori) untuk kelengkapan tungku pembakaran, sebagai filter gas buang dan sebagai bahan penyangga katalis untuk filter gas beracun. Disamping itu juga cordierite memiliki sifat isolator listrik yang baik sehingga dapat dipergunakan sebagai substrat elektronika dan bahan penyangga heating element. Beberapa model, bentuk keramik poros dan mikrostrukturnya ditunjukkan pada gambar 2.4. Karakter dari keramik pori produk HP Technical Ceramics mempunyai ukuran pori (pore size) bervariasi sekitar orde nm 120 µm dan porositasnya sekitar : %. Tabel 2.2. Sifat fisis dan mekanik dari keramik cordierite Sifat-sifat dari material keramik cordierite Nilai Satuan Densitas, ρ 2,00 2,53 g/cm 3 Kuat Patah, MOR MPa Kekerasan, Hv Kgf/mm 2 Koefisien termal ekspansi, α ( ) 0 C 2x10-6 3x C -1 Titik Lebur C

37 Gambar 2.4. Bentuk keramik poros dan mikrostruktur poros Sumber: HP TechnicalCeramics, Kenilworth Works Denby Street Sheffield S2 UK, Website: 4QL, 2.5 MATERIAL KERAMIK FILTER Material keramik yang digunakan sebagai fungsi filter sangat luas dan tergantung pada bahan apa yang harus disaring. Menyaring air dari kotoran cukup digunakan material keramik tradisional misalnya zeolit, porselin atau tanah liat. Apabila yang disaring adalah gas atau gas buang dari tungku pembakar pada industriindustri atau gas buang kenderaan bermotor maka harus digunakan material keramik yang tahan suhu tinggi, seperti ditunjukkan pada gambar 2.5. Oleh karena gas buang umumnya mempunyai suhu relatif cukup tinggi, yaitu sekitar C C. Gambar 2.5 Filter keramik Poros bentuk pipa, produk Zibo Development Zone Ceramics Filtering Corp, Sumber berupa Brosur

38 Material keramik sebagai filter gas yang banyak beredar dipasaran adalah jenis alumina dan cordierite, seperti terlihat pada gambar 2.6. Pada filter alumina yang digunakan untuk menyaring gas, ukuran porosnya berkisar antara µm, sedangkan membran alumina (mikro filter) berfungsi sebagai filter bakteri dengan ukuran porinya sangat kecil yaitu : 0,2 0,5 µm. Gambar 2.6 Aplikasi Filter keramik Poros, produk Zibo Development Zone Ceramics Filtering Corp, Sumber berupa Brosur Ada dua macam filter gas buang yaitu filter untuk menangkap partikelpartikel halus dan partikel karbon yang menggunakan material keramik berpori saja. Akan tetapi jenis filter lain yang digunakan untuk menangkap gas beracun ( CO, NOx, SOx, Hidro Carbon ) adalah material keramik berpori yang permukaan porinya dilapisi dengan bahan katalis.

39 Konstruksi filter gas buang (gambar 2.7) mampu membersihkan gas dengan tekanan 20 bar dan suhu dari gas yang dialirkan sekitar C, dimana ukuran pori untuk filter gas sekitar 5 30 µm. Cara kerja filter gas, misalnya : gas beracun NOx dialirkan ke filter gas yang permukaannya telah dilapisi ( coating ) dengan bahan katalis ( Hydrozin atau N 2 H 4 ). Sumber : W.Koch, Munchen, Die Porose Keramik in der Filtrationsund Umwelttechnik, Keramische Zeitschrift: 39 Jahrgang, Nr. 9, 1987 Gambar 2.7. Konstruksi filter untuk gas buang, dimana: 6.2.automatis kontrol aliran, 6.3. sistem kontrol (solenoid valve) Pada tabung akan terjadi reaksi antara gas NOx dengan ammonia (NH 3 ) dan membentuk N 2 dan H 2 O melalui reaksi sebagai berikut : 4NO + 4NH 3 + O 2 4N 2 + 6H 2 O 6NO 3 + 8NH 3 7N H 2 O

40 2.6 PEMBUATAN PRODUK KERAMIK BERPORI Pembuatan produk keramik berpori secara umum sama halnya dengan pembuatan keramik lainnya, yaitu : diawali dengan proses penyiapan serbuk (pencampuran bahan baku), kemudian dilanjutkan proses pembentukkan (cara cetak tekan, cara cetak tuang) dan tahapan terakhir adalah tahapan terpenting yaitu proses pembakaran yang sering disebut proses sintering. Sintering adalah proses pembakaran keramik setelah melalui proses pencetakan sehingga diperoleh suatu produk keramik yang kuat dan lebih padat. Suhu pembakaran pada proses sintering sangat tergantung sekali dengan jenis bahan keramik, umumnya disekitar (60-80) % dari titik lebur bahan yang digunakan. Perbedaan pembuatan keramik berpori dengan keramik biasa adalah adanya tambahan organik sebagai pembentuk pori. Macam-macam bahan organik yang dapat dipergunakan antara lain : serbuk kayu, cellulose, polyvinyl, alkohol, busa dan lainlain. Karena bahan-bahan organik tersebut akan habis terbakar pada suhu sekitar ( ) 0 C, dan akan meninggalkan jejak pori di dalam badan keramik yang di buat. Proses pembakaran merupakan tahapan produksi yang terpenting dan memberikan pengaruh yang sangat berarti terhadap karakteristik produk keramik yang dihasilkan. Material keramik setelah melalui proses pencetakan terjadi penggabungan atau pengelompokkan beberapa butiran, tetapi butiran satu dengan yang lainnya belum terikat kuat. Selama proses sintering berlangsung akan terjadi ikatan antara butiran menjadi kuat, proses difusi pada permukaan butiran, sehingga menimbulkan

41 pertumbuhan butir ( grain growth) dan munculnya batas butir baru. Akhirnya pada proses sintering akan terjadi penyusutan dimensi yang disertai pengurangan pori yang ada diantara butiran, sehingga material yang telah di sinter akan menjadi semakin kuat Pemilihan Bahan Baku Keramik Cordierite Secara fungsional keramik cordierite dapat digunakan sebaga filter gas buang, media katalis, substrat mikroba pada sistem penjernihan air, saringan pada pengecoran logam, proteksi selubung termokopel, komponen elektronika dan lainnya. Untuk pembuatan keramik cordierite digunakan bahan baku MgCO 3, Al 2 O 3 dan SiO 2, masing-masing bahan baku mempunyai fungsi dan karakter tertentu. Bahan baku Magnesium Oksida (MgO) diperoleh dari sumber bahan MgCO 3 dalam bentuk magnesit melalui proses kalnisasi. Reaksi dekomposisi atau penguraian MgCO 3 berlangsung menjadi MgO dan stabil pada suhu C. MgO merupakan refraktori yang murah, dimana titik leburnya adalah C dan memiliki densitas sebesar 3,58 g/cm 3. Kuarsa (SiO 2 ) berfungsi untuk mengatur plastisitas dan mengurangi penyusutan dan meningkatkan suhu sintering. Mineral silika atau kuarsa dengan bentuk umum fasa kristalnya adalah tridimit, quartz dan kristobalit, tergantung pada suhunya. Kristal kuarsa ( paling banyak di alam ) pada suhu dibawah C membentuk kuarsa fasa rendah ( α-sio 2 ), pada C berubah menjadi kuarsa fasa tinggi ( β-sio 2 ) dan kuarsa fasa tinggi stabil pada C. Fasa tridimit stabil pada

42 suhu C dan kristobalit stabil hingga mencapai titik lebur ( menjadi cair ), yaitu pada suhu C. Sifat fisis ( densitas ) dari kuarsa antara lain : kuarsa = 2,65 g/cm 3, tridimit = 2,27 g/cm 3, kristobalit = 2,33 g/cm 3. Senyawa alumina ( Al 2 O 3 ) bersifat polimorfi dengan struktur : α- Al 2 O 3, dan γ- Al 2 O 3, dimana α- Al 2 O 3 merupakan bentuk struktur yang paling stabil pada suhu tinggi dan disebut corundum. Sedangkan γ- Al 2 O 3 merupakan senyawa alumina yang stabil dibawah C dan umumnya reaktif dibandingkan dengan α- Al 2 O 3. Transformasi fasa γ α diatas C menghasilkan mikrostruktur dengan ukuran mikro dengan derajat hubungan porositas tinggi, perubahan bentuk adalah irreversibel dan fasa α stabil hingga titik lebur ( C ). Kemurnian Al 2 O 3, umumnya lebih tinggi ( > 99% ) dan mempunyai sifat mekanik, listrik, termal yang baik dan dapat dipergunakan dalam berbagai aplikasi. Beberapa besaran fisis dari keramik Al 2 O 3, antara lain : densitas bulk = 3,78 3,80 g/cm 3, kekuatan tekan = Mpa, kekerasan = 12,8 15 Gpa, koefisien ekspansi termal = C -1 dan titik leburnya C Bahan Baku Serbuk Kayu Serbuk kayu yang dipergunakan diperoleh dari limbah penggergajian, dari berbagai jenis kayu yang memiliki sifat-sifat yang berbeda. Ada beberapa sifat umum yang terdapat pada semua serbuk kayu, yaitu :

43 1. Serbuk kayu tersusun dari sel-sel dan susunan dinding selnya terdiri dari senyawa kimia berupa selulosa ( karbohidrat ) serta lignin ( non karbohidrat ). 2. Semua serbuk kayu bersifat anisotropik sehingga bila di uji dalam tiga arah ( longitudinal, radial dan tangensial ) memberikan sifat yang berbeda. 3. Serbuk kayu bersifat higroskopis, dapat menyerap atau melepaskan air sebagai akibat perubahan kelembaban dan suhu udara sekelilingnya. Sifat fisis serbuk kayu antara lain : berat jenis, warna, tekstur, arah serat, kesan raba, bau dan rasa, higroskopis, daya hantar panas dan daya hantar listrik. Berat jenis serbuk kayu berkisar antara 0,2 ( batas minimum, dari serbuk kayu biasa ) sampai 1,28 ( serbuk kayu nani ). Beraneka warna yang ada, disebabkan oleh zat pengisi warna dalam serbuk kayu, begitu juga teksturnya ada tiga yaitu : halus (contoh giam, kulim dan lainnya), sedang (contoh jati) dan kasar (contoh meranti). Arah serat dapat dibedakan menjadi serat : lurus, berpadu, berombak, terpilin dan diagonal/miring. Kesan raba diperoleh saat meraba permukaan serbuk kayu antara lain : kasar, halus, dingin, licin, berminyak dan lainnya, sangat bergantung pada tekstur dan kadar air di dalam serbuk kayu. Bau dan rasa mudah hilang bila disimpan di udara terbuka, ada bau yang merangsang, seperti : bau bawang dan sebagainya. Sifat higroskopis atau kemampuan menyerap dan melepaskan air, artinya makin tinggi kelembaban udara sekitarnya maka makin tinggi pula kelembaban serbuk kayu disebut sebagai

44 kandungan air keseimbangan ( Equilibrium Moisture Content = EMC ). Daya hantar panas serbuk kayu sangat jelek sehingga banyak dipergunakan yang berhubungan langsung dengan sumber panas. Daya hantar listrik serbuk kayu jelek oleh karena dipengaruhi kadar air, pada kadar air = 0% bersifat konduktor dan bila kandungan air maksimum maka daya hantarnya boleh dikatakan sama dengan daya hantar air Preparasi Serbuk, Pencetakan dan Kalsinasi Pencampuran serbuk bahan baku diperlukan untuk mendapatkan campuran yang halus dan merata, agar produk yang dihasilkan menjadi lebih homogen. Proses pencampuran yang dilakukan adalah proses basah dengan penambahan media air. Banyak cara untuk proses penyampuran antara lain : konvensional, kimia basah/larutan dan preparasi dalam fasa gas. Proses pembentukan atau pencetakan keramik ada beberapa cara tergantung dengan bentuk dan ukuran yang diinginkan. Pada umumnya ada 3 cara yang sering digunakan, yaitu : cetak tekan (dry pressing), ekstrusi dan cetak tuang (slip casting). Kalsinasi adalah pembakaran tahap awal, dimana pada proses ini akan menghasilkan bahan dalam bentuk oksida dan menghilangkan zat-zat yang tidak dibutuhkan, seperti H 2 O, air kristal (dalam bentuk OH) dan gas (CO 2 ), suhu kalsinasi sangat tergantung pada jenis bahan yang dituang (bentuk suspensi). Pada penelitian ini suhu kalsinasi berkisar C. Peristiwa yang terjadi selama kalsinasi antara lain (James S.R, 1988) :

45 1. Pelepasan air bebas (H 2 O) dan bentuk terikat ( bentuk OH ) berlangsung sekitar suhu C hingga C. 2. Pelepasan gas-gas, seperti : CO 2 berlangsung sekitar suhu C dan pada tahap ini disertai terjadinya pengurangan berat yang cukup berarti. 3. Pada suhu lebih tinggi, sekitar C mulai terbentuknya fasa cordierite, dimana ikatan diantara partikel serbuk belum kuat dan mudah terlepas Proses Sintering Sintering adalah suatu proses pembakaran keramik setelah melalui proses pencetakan sehingga diperoleh suatu produk keramik yang kuat dan lebih padat (Reynen P, 1979). Suhu sintering sangat tergantung pada jenis bahan keramik yang dipergunakan. Faktor yang menentukan proses dan mekanisme sintering (Reynen P and Bastius H, 1986) : jenis bahan, komposisi, bahan pengotor dan ukuran partikel. Proses sintering ini dapat berlangsung bila (Reynen P, 1979, Ristic M.M, 1989) : 1. Adanya transfer materi antara butiran yang disebut proses difusi 2. Adanya sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi untuk menggerakkan butiran sehingga terjadi kontak dan ikatan yang kuat. Energi untuk menggerakan proses sintering disebut gaya dorong (driving force) yang ada hubungannya dengan energi permukaan butiran (γ). Gaya dorong tersebut dapat

46 diilustrasikan dari dua bola yang berukuran sama yang saling kontak dengan ukuran leher kontak (neck) adalah x, seperti pada gambar 2.8, (Richardson D.W, 1982). Gambar 2.8. Model dua bola saling kontak dengan permukaan leher kontak (neck) ( Richardson, D.W, 1982 ) Mekanisme proses perpindahan materi (difusi) selama proses sintering dapat berlangsung melalui : difusi volume, difusi permukaan, difusi batas butir, difusi secara penguapan dan kondensasi, seperti terlihat pada gambar 2.9. Gambar 2.9. Mekanisme perpindahan materi selama sintering (William C, 1991) Tiap-tiap mekanisme difusi akan memberikan efek terhadap perubahan sifat fisis bahan setelah sintering antara lain, perubahan : densitas, porositas, penyusutan

47 dan pembesaran butir. Dengan adanya difusi tersebut maka akan terjadi kontak antara partikel dan terjadi suatu ikatan yang kuat diantara partikel-partikel, disamping itu terjadi rekonstruksi susunan partikel yang dapat menghilangkan atau mengurangi pori-pori yang berada diantara partikel. Umumnya peningkatan densitas, pengurangan dan penyusutan disebabkan karena adanya difusi volum dan difusi antar butir (Ristic M.M, 1989). Faktor-faktor yang mempercepat laju proses sintering antara lain : ukuran partikel dan penggunaan aditif. Untuk penggunaan partikel yang lebih kecil maka proses sintering akan dapat berjalan lebih cepat dibandingkan dengan penggunaan partikel yang lebih besar. Perubahan mikrostruktur keramik selama proses sintering, mulai berbentuk serbuk hingga akhir sintering diperlihatkan pada gambar Selama proses sinter berlangsung, ada beberapa tahapan yang terjadi pada bahan meliputi (Reynen P, 1979 dan William C, 1991) : 1. Tahap awal, partikel-partikel keramik saling kontak satu dengan lainnya setelah pencetakan 2. Tahap mulai sintering, permukaan kontak antar partikel mulai lebar, dimana ukuran butir ataupun pori belum terjadi 3. Tahap pertengahan sintering, pori-pori pada batas butir saling menyatu, dan terjadi perubahan kanal-kanal pori dan ukuran butir mulai membesar.

48 4. Tahapan akhir sintering, batas butir bergeser dan terjadi pembesaran ukuran butir sampai kanal-kanal pori tertutup disertai terjadinya penyusutan. Gambar Perubahan mikrostruktur keramik selama proses sintering (Reynen P, 1979 dan William C, 1991) Melalui proses pencetakan terjadi penggabungan atau pengelompokkan beberapa butiran, tetapi butiran satu dengan yang lainnya belum terikat kuat. Ikatan antara butiran akan menjadi kuat setelah proses sintering, dimana akan terjadi penyusutan dimensi yang disertai pengurangan pori yang ada diantara butiran. Dengan demikian material yang telah di sintering akan menjadi semakin padat dan kuat.