PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ) TESIS Oleh YOLA ALLAN SEMBIRING 127026002/FIS PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ) TESIS Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Oleh YOLA ALLAN SEMBIRING 127026002/ FIS PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
PENGESAHAN TESIS Judul Tesis Nama Mahasiswa : PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ). : YOLA ALLAN SEMBIRING Nomor Induk Mahasiswa : 127026002 Program Studi Fakultas : Magister Ilmu Fisika : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Menyetujui Komisi Pembimbing Dr.Kerista Sebayang, MS Ketua Prof. Perdamean Sebayang, M.Sc Anggota Ketua Program Studi, Dekan, Dr. Nasruddin M.N, M.Eng.Sc Dr. Sutarman, M.Sc NIP. 19550706 198102 1 002 NIP. 19631026 199103 1 001
PERNYATAAN ORISINALITAS PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ) TESIS Dengan ini saya nyatakan bahwa mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satuannya telah dijelaskan sumbernya dengan benar. Medan, 24 Juli 2014 Yola Allan Sembiring NIM. 127026002
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademika, saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama : Yola Allan Sembiring Nim : 127026002 Program Studi : Magister Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Ekslusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul: PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ) Dengan hak Bebas Royalti Non-Ekslusifini, berhak, menyimpan, mengalih media, mengelola dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta. Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya. Medan, 24 Juli 2014 Yola Allan Sembiring NIM. 127026002
Telah diuji pada Tanggal : 24 Juli 2014 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Dr. Kerista Sebayang, MS : 1. Prof. Drs Perdamean Sebayang M.Sc 2. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc 3. Prof. Dr. Eddy Marlianto, MSc 4. Prof. Drs.M. Syukur, MS
DAFTAR RIWAYAT HIDUP DATA PRIBADI Nama : Yola Allan Sembiring Tempat /Tanggal Lahir : Solok, 12 September 1989 Alamat : Dusun Ban Rejo Desa Kwala Mencirem Kecamatan Sei Bingai, Langkat Telepon : 082167494598 E-mail : syolaallan@yahoo.com DATA PENDIDIKAN SD : SDN 056642 Kp. Baru TAMAT: 2001 SMP : SMP Methodist Binjai TAMAT: 2004 SMA : SMAN 2 Binjai TAMAT: 2007 Strata 1 : FMIPA UNIMED TAMAT: 2012 Strata 2 : FMIPA USU TAMAT: 2014
KATA PENGANTAR Penulis mengucapkan puji dan syukur kehadirat Tuhan yang Maha Esa atas rahmat dan berkat-nya yang memberikan pertolongan serta hikmat kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Tesis berjudul Pengaruh Penambahan Fe terhadap Sifat Fisis dan Sifat Magnetik dari Barium Heksaferit ( BaFe 12 O 19 ) disusun untuk memperoleh gelar Master Sains pada Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana FMIPA. Selama melakukan penelitian dan penulisan tesis ini, Penulis banyak memperoleh bantuan moril dan materil dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus kepada: 1. Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, MSc (CTM), Sp. A(K),selaku Rektor. 2. Bapak Dr. Sutarman, M.Sc, selaku Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara atas kesempatan yang diberikan untuk menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc, selaku Ketua Program Studi Magister Fisika sekaligus sebagai pembanding. 4. Bapak Dr. Kerista Sebayang M.S, selaku ketua komisi pembimbing yang telah penuh perhatian memberikan dorongan, bimbingan dan arahan dengan penuh kesabaran hingga selesainya tesis ini. 5. Prof. Perdamean Sebayang,M.Sc, selaku anggota komisi pembimbing sekaligus sebagai pembimbing lapangan selama penelitian di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang telah mengenalkan dunia riset, membimbing penulis dalam penulisan tesis dan menjadi rekan diskusi selama penulis berada di P2F Fisika LIPI Serpong. 6. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc dan Prof. Drs. M. Syukur, MS, selaku Komisi Pembanding atas saran dan kritik yang diberikan. 7. Ayahanda terkasih A. Sembiring dan Ibunda terkasih P. Gurusinga, S.Pd yang selalu mendukung, memotivasi serta mendoakan dengan penuh keikhlasan sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. i
8. Adik-adik tersayang, BRIPDA Yoki Pranata Sembiring dan Tri Nanda Sari Sembiring yang turut mendoakan dan medukung penulis dalam mengerjakan tesis ini. 9. Pdt. Em.Swarintha Sinulingga,S.Th yang tak henti-hentinya mendoakan serta memberikan semangat kepada penulis layaknya sebagai sahabat, saudara, dan juga kekasih. 10. Pendamping pembimbing lapangan, Bapak Agus Sukarto, Bapak Toto Sudiro, dan Bapak Mulyono yang dengan sabar membimbing penulis dalam proses penelitian sampai selesai. 11. Mbak Ayu, Mas Candra, Mas Lukman, Pak Boy dan Pak Amat beserta seluruh staf dan pegawai P2F LIPI Serpong yang selalu sabar membantu penulis dalam penggunaan alat Laboratorium di P2F Fisika LIPI Serpong. 12. Teman-teman seperjuangan angkatan 2012 Pascasarjana USU atas kebersamaan dan persahabatan yang terjalin selama ini, terutama Delovita Ginting sebagai rekan sepenelitian dan seperjuangan selama berada di P2F LIPI Serpong. 13. Adik-adik Strata-1 Fisika USU, Dahniar, Ussi, Citra, Eka, Tere, Tari, Lya, Lasmini, dan Ataran yang telah saling menyemangati selama melakukan penelitian di P2F LIPI Serpong. 14. Sahabat-sahabat tersayang, Oka, Ika, Desy, Hera, Yanthy, Melda, Rika, Novi, Lisa, Elsa, Jesaya, Lina, dan Bang Dedy atas semua doa dan dukungannya. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tesis ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca untuk kesempurnaan tesis ini. Kiranya tesis ini bermanfaat bagi pembaca dan juga dapat menambah khasanah dunia penelitian terutama bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia. Semoga Tuhan Yang Maha Esa senantiasa memberkati kita. Amin. Medan,24 Juli 2014 Yola Allan Sembiring NIM. 127026002 ii
PENGARUH PENAMBAHAN Fe TERHADAP SIFAT FISIS DAN MAGNETIK DARI BARIUM HEKSAFERIT (BaFe 12 O 19 ) ABSTRAK Telah dilakukan sintesis magnet permanen barium heksaferit (BaFe 12 O 19 ) dengan penambahan imbuhan Fe melalui teknik pemaduan mekanik (mechanical alloying) menggunakan shacker mill yang berlangsung selama 20 jam miling.variabel penelitian adalah konsentrasi imbuhan Fe dengan x = 0, 1, 5, 10, 20% berat serta suhu sintering dengan variasi suhu 1100,1150,dan 1200 0 C yang masing-masing ditahan selama 1 jam. Besaran-besaran yang diamati meliputi ratarata diameter partikel dengan PSA, analisa suhu terbaik dengan dilatometer, densitas, porositas, fluks densitas, kurva histerisis dan analisa mikrostruktur dengan XRD dan SEM. Dari hasil pengamatan dilatometer menunjukkan bahwa suhu sintering terbaik adalah pada 1150 o C. Peningkatan suhu sinter sampai 1200ºC dengan penambahan Fe menunjukkan peningkatan ukuran grain serta diikuti dengan penurunan sifat kemagnetannya. Identifikasi puncak pola difraksi bahan sebelum sintering menunjukkan adanya fasa baru selain fasa BaFe 12 O 19 yaitu fasa hematit (Fe 2 O 3 ) dan magnetit (Fe 3 O 4 ) tetapi setelah proses sintering berlangsung hanya ada fasa tunggal BaFe 12 O 19. Dari analisa SEM-EDX diperoleh persen atomik bahan meningkat hingga 34,64 % atomik dan morfologinya berbentuk heksagonal dengan diameter berkisar 2 μm. Analisa PSA menunjukkan rata-rata distribusi diameter partikel berkisar 0,2-15 μm serta relatif padat dengan porositas < 15 %. Bulk density berkisar 4,46 4,89 g/cm 3 dan fluks densitas magnetik berkisar 505,4 883,3 Gauss. Nilai koersivitas bahan berkisar 1,296-3,479 koe. Penambahan logam Fe pada proporsi yang optimum dengan waktu sintering optimum pada magnet barium heksaferit berhasil meningkatkan nilai kemagnetan barium heksaferit. Komposisi terbaik adalah pada penambahan imbuhan Fe 1% wt yang menghasilkan koersivitas 3,479 koe dan fluks densitas 883,3 Gauss. Kata Kunci: Barium Heksaferit, Imbuhan, Milling, Sintering, Mechanical Alloying iii
INFLUENCE OF Fe ADDITION ON THE PHYSIC PROPERTIES AND MAGNETIC PROPERTIES OF BARIUM HEXAFERRITE (BaFe 12 O 19 ) ABSTRACT Has been syntesis permanent magnet barium hexaferrite (BaFe 12- O 19) ) by the addition of Fe particle through the integration of mechanical alloying using shacker mill with 20 hour milling time. Variables research is dopping concentration of Fe in barium hexaferrite (BaFe 12 O 19 ) materials which obtained by x = 0, 1, 5, 10, and 20% weight, and sintering temperature are 1100,1150, and 1200, with holding time for 1 hour. Quantities observed were an average particle diameter size of the PSA, density, porosity, flux density, hysteresis curves, microstructure analysis by XRD and SEM. From the observation of dilatometer shows that the best sintering temperature is at 1150 o C with holding time for 1 hours. Increasing the sintering temperature to 1200ºC with the addition of Fe showed an increase in grain size and followed by decrease in magnetic properties. Identification peak diffraction pattern material showed the formation of the material before sintering not only single phase of BaFe 12 O 19 but there are also some new phase such as hematite (Fe 2 O 3 ) and magnetite ( Fe 3 O 4 ) then after sintering process showed only one singgle phase is BaFe 12 O 19. SEM-EDX analysis of the obtained materials atomic percent increase to 34.64 and morfologi of barium heksaferit is hexagonal shaped with diameters ranging 2 μm. PSA analysis shows the average distribution of particle diameters ranging from 0.2 to 15 m and relatively dense with a porosity of <15% μm.bafe 12 O 19 magnetic materials is relatively dense with a porosity of < 15 %, bulk density ranges from 4.46 4.89 g/cm 3, flux density magnetic value is around 505,4 883,3 gauss and coercivity range from 1,296-3,479 koe. The addition of Fe in optimum proportions with optimum sintering time on the magnetic barium hexaferrite can increase the value of magnetic barium hexaferrite The best composition is the addition of 1 wt % Fe that produces 3.479 koe coercivity and flux density 883.3 Gauss Keyword: Barium Hexaferitte, Dopping, Milling, Sintering, Mechanical Alloying iv
DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL...viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Batasan Masalah... 4 1.4 Tujuan Penelitian... 4 1.5 Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Pengertian Magnet... 7 2.2 Sifat Kemagnetan Bahan... 7 2.2.1 Magnet Tetap... 7 2.2.2 Magnet Tidak Tetap... 10 2.2.3 Magnet Buatan... 10 2.3 Bahan Magnetik... 11 2.3.1 Bahan Diamagnetik... 11 2.3.2 Bahan Paramagnetik... 12 2.3.3 Bahan Ferromagnetik... 13 2.3.4 Bahan Anti Ferromagnetik... 14 2.3.5 Bahan Ferrimagnetik... 15 2.4 Magnet Keramik... 15 2.5 Sifat- Sifat Magnet Permanen... 16 2.6 Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 )... 20 2.7 Besi (Fe)... 21 v
2.8 Teknik Pembuatan Magnet Permanen... 22 2.9 High Energy Milling (HEM)... 25 2.10 Karakterisasi dan Evaluasi Magnet Permanen... 26 2.10.1 Particle Size Analizer (PSA)... 26 2.10.2 Densitas... 28 2.10.3 Porositas... 29 2.10.4 Dilatometer... 29 2.10.5 X-Ray Difraction (XRD)... 30 2.10.6 Scanning Electron Microscope (SEM)... 32 2.10.7 Permagraph... 33 2.10.8 Fluks Density... 33 2.10.9 X-Ray Fluorosence (XRF)... 34 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 35 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 35 3.2 Alat dan Bahan... 35 3.2.1 Alat... 35 3.2.2 Bahan... 36 3.3 Diagram Alir Penelitian... 37 3.4 Preparasi Sampel... 38 3.4.1 Preparasi Serbuk Barium Heksaferit K dan Fe... 39 3.4.2 Pencetakan Sampel Uji... 40 3.4.3 Proses Sintering... 41 3.5 Karakterisasi Sampel Uji... 41 3.5.1 Particle Size Analizer (PSA)... 42 3.5.2 Densitas... 43 3.5.3 Porositas... 45 3.5.4 Dilatometer... 45 3.5.5 X-Ray Difraction (XRD)... 46 3.5.6 Scanning Electron Microscope (SEM)... 46 3.5.7 Uji Permagraph... 47 3.5.8 Fluks Density... 48 vi
3.5.9 X-Ray Fluorosence (XRF)...49 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 50 4.1 Analisis Rata-rata Diameter Partikel... 50 4.1.1 Pengaruh Waktu Milling... 50 4.1.2 Pengaruh Penambahan Imbuhan Fe... 51 4.2 Analisis True Density... 53 4.2.1 Pengaruh Waktu Milling... 53 4.2.2 Pengaruh Penambahan Imbuhan Fe... 54 4.3 Analisis Temperatur Sintering Barium Heksaferit... 54 4.4 Bulk Density... 55 4.5 Porositas... 57 4.6 Fluks Density... 58 4.7 Kurva Histerisis... 59 4.8 X-Ray Difractometer (XRD)... 62 4.8.1 Analisis Struktur Fasa Serbuk Bahan Baku... 62 4.8.2 Analisis Struktur Fasa Serbuk BaFe 12 O 19 dengan XRD... 64 4.8.3 Analisis Struktur Fasa Pelet BaFe 12 O 19 dengan XRD... 65 4.9 Analisis Morfologi dengan SEM-EDX... 65 4.9.1 Morfologi Serbuk BaFe 12 O 19 dengan SEM-EDX... 65 4.9.2 Morfologi Bahan BaFe 12 O 19 dengan SEM-EDX... 69 4.10 Analisis Micro X-Ray Fluorescene (µxrf)... 75 BAB V KESIMPULAN... 76 5.1 Kesimpulan... 76 5.2 Saran... 77 DAFTAR PUSTAKA... 78 vii
DAFTAR TABEL Nomer Tabel Judul Halaman 2.1 Nilai Kerapatan dari Beberapa Jenis Ferrite 18 3.1 4.1 4.2 Bahan baku BaFe 12 O 19 : Fe dalam fraksi massa (% wt). Sifat magnet BaFe 12 O 19 (0, 1, 5, 10, 20 % wt) dengan suhu sintering Analisa Micro X-Ray Fluorescene (µxrf) barium heksaferit (BaFe 12 O 19 ) 39 61 75 viii
BaFe 12 O 19 + 1% wt Fe 4.13 Bentuk permukaan serbuk barium heksaferit dengan perbesaran 2000 x pada (a) Barium Heksaferit tanpa milling, (b)barium heksaferit milling 20 jam (c) barium heksaferit + Fe 1% milling 20 jam 4.14 Hasil SEM-EDX pada (a) Barium heksaferit tanpa milling, (b) Barium Heksaferit milling 20 jam (c) Barium heksaferit + Fe 1% milling 20 jam 4.15 Morfologi (a) Bahan barium heksaferit (BaFe 12 O 19 ) tanpa milling (b) pelet BaFe 12 O 19 milling 20 jam dan (c) pelet BaFe 12 O 19 + 1% wt Fe 4.16 Hasil SEM-EDX pada (a) Barium heksaferit tanpa milling, (b) Barium heksaferit milling 20 jam (c) Barium heksaferit + Fe 1% milling 20 jam. 66 68 70 72 xi
DAFTAR LAMPIRAN Nomer Lampiran Judul Halaman Lampiran 1 Nilai PSA dari Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) L1 Lampiran 2 Lampiran 3 Lampiran 4 Nilai True Density dari Serbuk Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) Hasil Dilatometer Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) Nilai Bulk Density dan Porosity dari Bahan Magnet Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) L2 L3 L4 Lampiran 5 Nilai Fluks Density Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) L5 Lampiran 6 Lampiran 7 Lampiran 8 B-H Curve dari Bahan Magnet Barium Heksaferit Hasil SEM-EDX Barium Heksaferit (BaFe 12 O 19 ) Bahan dan Peralatan L6 L7 L8 xii