Pengaruh Perbedaan Tekanan Terhadap Proses Pemolingan Bahan Piezoelektrik PbZr0,52Ti0,48O3 Dengan Penambahan Polyvinylidine Flouride

LAMPIRAN 1 GAMBAR BAHAN DASAR

PbO (Lead II Oxide) 99%. Merek

dagang Merck

ZrO2 (Zirconium IV Oxide) 99,9%. Merek dagang Merck

TiO2 (Titanium IV Oxide) 99%. Merek dagang Merck

PVDF (Polyvinylidine Floride)

LAMPIRAN 2 GAMBAR PERALATAN

Spatula

Timbangan electronic ohaus galaxytm

160

Kertas Timbang

Mortar AGATE dan lumpang

Dies

Wadah Sintering Jangka sorong Digital

Tungku Pemanas (furnace)

XRD

Holder

LAMPIRAN 3

POLA DIFRAKSI SINAR-X PADA BAHAN DASAR

Tabel 1. Pencocokkan pola difraksi PbO eksperimen dengan COD nomor 900-7711

COD Eksperimen

2θ (o) I (Counts) 2θ (o) I (Counts)

15,02 87,6 15,0026 1290

26,4259 818

29,08 1754,9 29,0783 9088

30,31 430,3 30,2862 3037

31,7831 1101

32,59 387,7 32,5709 1811

37,83 2,5 37,8230 2035

45,1 267,8 45,0972 1440

49,22 7,7 49,2201 1964

50,78 207,1 50,7695 1947

53,09 317,5 53,0804 2334

56,02 276,8 56,0216 1648

60,29 209,9 60,2758 1458

63,05 12,8 63,0332 1379

68,82 33 68,8105 525

72,8 42,8 72,2506 264

73,41 95,8 73,4061 797

75,93 3,2 75,9271 544

76,5 44 76,5048 551

Gambar perbandingan pola difraksi PbO hasil eksperimen dengan COD nomor 900-7711.

Tabel 2. Pencocokkan pola difraksi ZrO2 eksperimen dengan COD nomor 230-0297

COD Eksperimen

2θ (o) I (Counts) 2θ (o) I (Counts)

17,44 55,3 17,5 38

24,05 149,1 24,06 59

24,45 114,7 24,52 49

28,18 1018,1 28,24 372

31,46 710,6 31,56 282

34,14 219 34,14 67

34,4 131,9 34,44 61

35,3 161,7 35,32 55

38,56 61,3 38,6 27

40,73 137,7 40,74 50

41,14 49,7 41,14 25

41,38 47,1 41,34 35

44,81 70,3 44,9 38

49,25 190 49,26 53

50,12 238,1 50,18 92

50,56 130 50,58 59

51,2 58,3 51,28 30

54,07 118,1 54,08 44

55,28 44,8 55,28 27

55,58 68,8 55,58 44

55,91 84,9 55,9 37

57,88 58,1 57,9 19

58,27 42,5 58,28 19

59,79 100 59,8 35

61,33 69,3 61,34 22

61,96 77,5 61,98 34

62,83 117 62,84 37

65,38 29 65,36 17

65,68 57,2 65,66 30

68,92 27,4 68,92 10

71,06 26,4 71,06 13

74,66 22,6 74,66 7

Gambar perbandingan pola difraksi ZrO2 hasil eksperimen dengan COD nomor 230-0297

Tabel 3. Pencocokkan pola difraksi TiO2 eksperimen dengan COD nomor 900-9087

COD Eksperimen

2θ (o) I (Counts) 2θ (o) I (Counts)

25,3 1460,1 25,4 635

26,36 16

36,95 81,9 37,04 35

37,79 274,9 37,86 110

38,57 99,7 38,56 32

48,04 385,7 48,1 169

50,9 46

53,89 243,7 53,9 83

55,06 236,1 55,08 88

62,11 35,3 62,14 23

62,69 172,6 62,7 83

68,76 80,4 68,76 20

70,29 84,7 70,28 28

Gambar perbandingan pola difraksi TiO2 hasil eksperimen dengan COD nomor 900-9087.

LAMPIRAN 4

PERHITUNGAN PERBEDAAN PERSENTASE PERGESERAN PUNCAK BAHAN EKSPERIMEN YANG DIGUNAKAN DENGAN COD

1. Tiga puncak tertinggi dari bahan dasar PbO

COD Eksperimen

29,08o 29,0783o

30,31o 30,2862o

53,09o 53,0804o

Rumus : ∆(2θ) =

|

|

∆(2θ) =

|

|

= 0,000058459 ∆(2θ) =

|

|

= 0,000785 ∆(2θ) =

|

|

= 0,0001808 2 _̅ = 2 _̅ =

2 _̅ = 0,00034 2 _̅ = 0,034%

2. Tiga puncak tertinggi dari bahan dasar ZrO2

COD Eksperimen

28,18o 28,24o

31,46o 31,56o

50,12o 50,18o

Rumus : ∆(2θ) =

|

|

∆(2θ) =

|

|

= 0,002129 ∆(2θ) =

|

|

= 0,003178 ∆(2θ) =

|

2 _̅ = 2 _̅ =

2 _̅ = 0,0024 2 _̅ = 0,24%

3. Tiga puncak tertinggi dari bahan dasar TiO2

COD Eksperimen

25,30o _25,4o

48,04o 48,1o

37,79o 37,86o

Rumus : ∆(2θ) =

|

|

∆(2θ) =

|

|

= 0,00395 ∆(2θ) =

|

|

= 0,001249 ∆(2θ) =

|

|

= 0,00185 2 _̅ = 2 _̅ =

2 _̅ = 0,0023 2 _̅ = 0,23%

LAMPIRAN 5

PERHITUNGAN UKURAN BUTIRAN KRISTAL BAHAN PIEZOELEKTRIK PZT

1. Pada bahan piezoelektrik tekanan 35.150 N/m2 Diketahui : 2θtertinggi = 31,1159o

θ = 15,55795o FWHM = 0,34426 = 1,54056 Å

C = ~1 Ditanya : t .. ? Penyelesaian : t =

t =

t =

t = 266,0508641 Å

2. Pada bahan piezoelektrik tekanan 49.210 N/m2 Diketahui : 2θtertinggi = 31,11592o

θ = 15,55796o FWHM = 0,30737 = 1,54056 Å C = ~1 Ditanya : t .. ? Penyelesaian :

t =

t =

t =

LAMPIRAN 6

Data PZT 35.150 N/m2

LAMPIRAN 7 HASIL PEMOLINGAN

Hasil Pemolingan pada Sampel PZT dengan tekanan 35.150 N/m2 dalam Proses Pemolingan

Ketebalan (mm) PVDF (%) Suhu (oC) Waktu (menit) d33 (C/N)

1,87 2,5 70 40 38 x 10-12

1,85 2,5 70 25 49 x 10-12

1,87 2,5 70 45 36 x 10-12

1,83 2,5 100 25 40 x 10-12

1,93 1,5 125 25 38 x 10-12

1,65 1,5 100 15 55 x 10-12

1,65 1,5 110 15 49 x 10-12

1,60 1,5 80 15 44 x 10-12

Hasil Pemolingan pada Sampel PZT dengan Suhu 100oC dalam Proses Pemolingan

Tekanan

(N/m2) Ketebalan (mm) PVDF (%) Waktu (menit) d33 (C/N)

49.210 1,68 5 15 48 x 10-12

49.210 1,50 5 25 45 x 10-12

35.150 2,02 - 15 57 x 10-12

35.150 1,99 - 25 48 x 10-12

49.210 1,91 - 15 61 x 10-12

LAMPIRAN 8

KONVERSI SATUAN DALAM SATUAN INTERNASIONAL

1. Konversi Satuan Tekanan (psi) ke (N/m2) 1 kg/cm2 = 14,221 psi

1 psi = 0,0703 kg/cm2

Dimana: Tekanan (P) =

=

F = Newton = kg m/s2 A = m2

Sehingga P = kg/m s2 = kg/100 cm s2 kg/100 cm s2 x 1 s2

/cm = 0,1 kg/cm2 1 N/m2 _{= 0,01 kg/cm}2

Sehingga diperoleh:

1 psi = 0,0703 x 100 N/m2 1 psi = 7,03 N/m2

A (percepatan) merupakan nilai percepatan alat, dan dianggap konstan (1 cm/s2).

2. Konversi satuan Volume Pori (cc/gr) ke (m3/kg) 1 cc = 1 mL = 1 cm3

cc/g → m3_/kg

1 cc/g = 1 cm3/g → m3kg =

= 10-3 m3/kg

DAFTAR PUSTAKA

Ahda, S. 2013. Sintesa Bahan Piezoelektrik PZT dan BNT-BT-BKT (Bebas Pb) pada Komposisi Daerah Morphotropic Phase Boundary dengan

Menggunakan Metode Solid State Reaction. Serpong: PTBIN-BATAN.

Ahda, S dan Mardiyanto. 2007. Pola Difraksi Sinar-X Produk Sintesa Bahan Piezoelektrik PZT dengan Metode Solid State Reaction. Serpong:

PTBIN-BATAN.

A.D. Li, C.L. Mak, K.H. Wong, Q.Y. Shao, Y.J. Wang, D. Wu, dan Naiben Ming. 2001. Thickness-dependent Structural Characteristics of Sol–Gel-Derived Epitaxial (PbZr)TiO3 Films using Inorganic Zirconium Salt. Elsevier. 235:

307-312.

Babu, S., Devendra Singh, and Anil Govindan. 2011. Electrical Properties of Calcium Modified PZT System. Ceramics. 2: 2229-4333.

Baset, et al. 2011. Morphotroic Phase Boundary in Ferroelectric Material.

Senangor: University Technology Mara.

Callister, Jr.W.D. 1994. Materials Science and Engineering an Introduction. 3rd

Ed., John Wiley and Sons, Inc., New York.,pp. 434-784, 623-633.

Calton. 2009. Metal Powder Processing manufacturing Proceses and Angineering. Gorgia Institute of Technology.

Cherdhirunkorn, B, M.F. smith,S. Limpijumnong, D. A. Hall. 2008. EXAFS Study on The Site Preference of Mn in Perovskite Structure of PZT Ceramics.

Elsevier. Pp. 727-729.

Chen, J., Tan, X., Jo, W., and Rodel, J. 2009. Temperature dependence of piezoelectricproperties of high TC Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-PbTiO3. J. Appl. Phys.106: 034109.

Cullity. 1978. Element of X-Ray Difraction. Addison-Wesley pub, Co. Inc.,

Massachusetss.

Damjanovic, D. 2005. Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials. The Science of Hysteresis. 3: 346.

Damjanovic, D. 2010. Processing Manufactoring Process and Engineering.31:

423-424.

Dargaville, Tim R., Celina Mathias C., Elliott Julie M, Chaplya Pavel M., D. Jones Gary, M Mowery Daniel, Assink Roger A., Clough Roger L., Marti

Jeffrey W., 2005. Characterization, Performance and Optimization of PVDF as a Piezoelectric Film for Advanced Space Mirror Concepts.

Albuquerque. New Mexico 87185 and Livermore: California 94550.

Darmawan, Z. 2011. Struktur Atom dan Kristal Bahan Logam. Malang: Universitas Brawijaya.

Donglin, X., Meidong Liu, Yike Zeng, dan Churong Li. 2001. Fabrication and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films by The New Sol– Gel Method. Elsevier. B87. 160-163.

Donnelly, Niall, dkk. 2008. Properties of (1-x) PZT-x Skn Ceramics Sintered at Low Temperature Using Li2CO3. Journal of the at American Ceramics Society: Vol 01.

Gupta, S.M. and Viehland, D. 1998. Tetragonal to rhombohedral transformation in the lead zirconium titanate lead magnesium niobate lead titanate crystalline solution. J. Appl. Phys.83: 407-14.

Haprido, K. 2014. Pengaruh Penambahan PVDF (Polyvinylidine Floride) Pada

Hasil Pemolingan Bahan Piezoelektrik PbZr(0,52)Ti(0,48)O3 (PZT) yang Dilengkapi Alat Pemutus Poling. [Skripsi]. Padang: Universitas Andalas, Program Sarjana.

Hasanudin dan Addy Rachmat. 2010. Isoterm Adsorpsi-Desorpsi dan Porositas Katalis Ag-TiO2/Zeolit. 7: 17-25.

He, B.B.2009. Particle Size Analysis By Two-demensional XRD. Scotland: Bruker

AXS, Inc.

Heartling, G.H . 1999. Ferroelectric Ceramics: History and Technology. Journal of the at American Ceramics Society. 82: 797-818.

Hermana, G.N dan Widyastuti. 2014. Pengaruh Komposisi Cu dan Variasi Tekanan Kompaksi Terhadap Densitas dan Kekerasan pada Komposit W-Cu untuk Proyektil Peluru dengan Proses Metalurgi Serbuk. Jurnal Teknik Pomits. 3: 2337-3539.

Iby, A.C. 2012. Studi Awal Proses Pemolingan dan Karakterisasi Sifat Listrik Bahan Piezoelektrik Ramah Lingkungan (0,95-x) Bi0,5Na0,5TiO3-0,05Ba0,5TiO3-xBi0,5K0,5TiO3 (BNT-BT-BKT). [Skripsi]. Padang: Universitas Andalas, Program Sarjana.

Istiyono, E. 2000. Fisika Zat Padat. Yogyakarta: FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta.

Jaffe, B., Cook W.R., and Jaffe, H. 1971. Piezoelectric ceramics. San Diego:

Jones and P.A. Thomas. 2002. Investigation of the and phase Transitions in the Novel A-site Substituted Distorted Perovskit Compound Na0.5Bi0.5TiO3. Acta Crystallogr. B 58 [2] 168-78.

Kim, Sunghwan. 2002. Low Power Energy Harvesting with Peizoelectric Generator. University of Pittsburgh.

Kittel, C. 2002. Introduction of Solid State Physics. 8th. Ed., John Wiley & Sons,

Inc. United State of America.

Liang, R., Wang-zhong Zhang., Min Gao., Li Wang., Xian-lin Dong. 2013.

Excellent Electrostrictive Properties of Low Temperature Sintered PZT Ceramics with High Concentration LiBiO2 Sintering Aid. Ceramics International. 39: 563–569

Liu, W., Jiang B., and Zhu W. 2000. Self-based Dielectric Bolometer from Epitaxially Grown Pb(Zr,Ti)O3 and Lanthanum-doped Pb(Zr,Ti)O3 multilayered thin films. Applied Physics Letters 77. 7: 1047-1049.

Mclaughlin, Shona Rae. 2008. Fabrication and Properties of Bi0,5Na0,5TiO3 Based Ferroelectric Ceramics with Low Levels of B-site Additives. A Thesis of Doctor of Philosophy. Canada: Queen's University Kingston, Ontario.

Moulson, A.J. and Herbert, J.M. 2003. Electroceramics: materials, properties, application. Chichester:JohnWiley & Sons Ltd.

Nurhayati. 2008. Reaksi Katalis Oksidasi Stirena Menjadi Benzaldehida. Depok: FMIPA Universitas Indonesia.

Omar, M.A. 1975. Elementary Solid State Physics Prinsiples and aplication.

London: Addison-Wesley Publishing Company.

Pratapa. 2004. Prinsip-Prinsip Difraksi Sinar-X. Makalah seminar XRD

disampaikan di Padang.

Purwasih, I. 2010. Rancang Bangun Sumber Energi Terbarukan Secara Hybrid

(Kumparan dan Bahan Piezoelektrik PVDF) dengan Memanfaatkan

Cantilever sebagai Penggetar. [Skripsi]. Surakarta: Universitas Sebelas

Maret, Program Sarjana.

Ramlan. 2001. Pengaruh MgO dan Suhu Sintering Terhadap Mikrostruktur dan Sifat Fisis Keramik BetaAlumina ( " - Al2O3)". [Tesis]. Jakarta: Universitas Indonesia, Program Magister Ilmu Material.

Richerson, D.W. 1982. Modern Ceramic Engineering. p.217 – 239.

Rodel, J., Jo, W., Seifert,K.T.P., Anton, E., Granzow, T., and Damjanovic, D. 2009. Perpective an the Development of Lead-free Piezoelectric. Ceramic Society. 92: 1153-1177.

Saputri, W. 2011. Penggunaan Piezoelektrik sebagai Sumber Energi LED Street Light untuk Penerangan Jalan.

Setyowati, V. A. 2012. Pengaruh Komposisi Sn dan Variasi Tekanan Kompaksi Terhadap Densitas dan Modulus Elastisitas Pada MMC Pb-Sn untuk Core Proyektil Peluru dengan Proses Metalurgi Serbuk. [Tugas Akhir]. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Shin, Dong-Jin., Jeong, Soon-Jong., Seo, Chang-Eui., Cho, Kyung-Ho., and Koh, Jung-Hyuk. 2015. Multi-layered piezoelectric energy harvesters based on PZT ceramic actuators. Ceramics. Vol: 41.

Smallman R.E,and R.J. Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga.

Sung-soo R,. and Dang-Hyok Y. 2007. Solid State Syntesis of Nano Sized BaTiO3 Powder with High Tetragonally. Material Sciences. 42: 7093-7099.

Takafumi, Maida, et al. 2012. Piezoelectric Properties of Li-Doped (K0,48N0,52)NbO3 Ceramic Syntesized using Hidrothermik. Derivet KNb3 and NaNb3. Fine Powder. Chibi 227-8563. Japan

Triwahyuni, D. 2010. Sintesa dan Karakterisasi Bahan Piezoelektrik Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) dengan Metode Molten Salt.Serpong: PTBIN-BATAN.

Van Vlack, Lawrence H. 1995. Ilmu dan Teknologi Bahan. Jakarta: Erlangga. Yoshioka, Sayoko.1985. Transformation of Aragonite to Calcite Through

Heating. Departement of Earth Sciences, Aichi University of Education,

Kariya and Water Research Institute, Nagoya University, Nagoya.Japan. Zeffry, R.2015. Pengaruh Temperatur Kalsinasi Terhadap Sifat Fisis Tembaga

Oksida dari Daerah Pinti Kayu Kec. Koto Parik Gadang Di ateh Kabupaten Solok Selatan.[Skripsi].Padang: Universitas Negeri Padang, Program Sarjana.

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Penelitian dilaksanakan di Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju, Badan Tenaga Nuklir Nasional (PSTBM-BATAN), Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan selama jangka waktu 3,5 bulan, dimulai pada 1 Februari 2016 dan selesai pada 17 Mei 2016.

3.2. Alat-alat 3.2.1.Alat Sintesa

1. Spatula berfungsi sebagai sendok dan pengaduk bahan yang telah ditimbang.

2. Kertas timbang berfungsi untuk meletakkan bahan saat ditimbang.

3. Timbangan electronic OHAUS GALAXYTM 160 berfungsi untuk

menimbang bahan yang digunakan untuk penelitian yang memiliki ketelitian yang tinggi (±0,0001 gram).

4. Mortar AGATE dan lumpang berfungsi sebagai tempat penggerusan bahan uji.

5. Dies berfungsi sebagai alat pencetak pelet berdiameter 1,5 cm

6. Hidraulic press CARVER berfungsi sebagai alat penekan pelet/kompaksi

yang memiliki kemampuan tekan 105.450 N/m2

7. Wadah Sintering sebagai tempat bahan setelah dipelet pada saat pemanasan.

8. Tungku pemanas (ADVANTEC KL-600 Electric Muffle Furnace)

digunakan untuk mengkalsinasi dan mensintering bahan.

9. Holder untuk meletakkan sampel saat melakukan uji karakterisasi XRD.

3.2.2.Alat Pemolingan

2. Jangka sorong digital untuk mengukur ketebalan pelet suatu bahan yang memiliki ketelitian ±0,02 mm.

3. Minyak silika sebagai media isolator untuk menghindari terjadinya loncatan listrik di udara.

4. Flyback TV 21 inchi (12kV) sebagai sumber tengangan tinggi (High Voltage DC).

5. Termometer digital untuk mengukur suhu minyak silika pada proses pemolingan saat sampel dipanaskan.

6. Multimeter digital untuk mengukur tegangan listrik pada saat proses pemolingan.

7. Hot Plate (IKAMAG ® RH) untuk memanaskan sampel dalam media

minyak.

8. Stopwatch untuk menghitung lamanya waktu pemolingan.

3.2.3.Alat Karakterisasi

1. XRD (PANalytical EMPYREAN) yang memiliki voltase 40kV dan kuat arus 30mA digunakan untuk karakterisasi yang memanfaatkan prinsip sinar-x untuk mengidentifikasi pola difraksi dalam menentukan ukuran butir kristal dan struktur kristal.

2. BET (QUADRASORB SI) untuk karakterisasi permukaan suatu material

yang meliput diameter pori (D) dan volume pori (Vpr).

3. d33 meter (APC Part number: 90-2030 USA) untuk mengukur konstanta piezoelektrik.

3.3. Bahan-bahan

1. PbO (Lead II Oxide) 99%. Merek dagang Merck no. 939 CC631601

2. ZrO2 (Zirconium IV Oxide) 99,9%. Merek dagang Merck no. 1.00757.1000

3. TiO2 (Titanium IV Oxide) 99%. Merek dagang Merck no. 1.00808.1000 4. PVDF (Polyvinylidine Floride) Merek dagang Sigma-Aldrich no.

3.4. Prosedur Penelitian 3.4.1.Persiapan Penelitian

Sebelum melakukan penelitian dilakukan persiapan bahan-bahan yang akan digunakan sewaktu melakukan penelitian. Bahan yang digunakan adalah PbO, ZrO2, dan TiO2. Alat yang digunakan yaitu timbangan electronic OHAUS

GALAXYTM 160, mortar AGATE dan lumpang, tungku pemanas, tempat

pencucian, spatula, kertas timbang, dan alat karakterisasi.

3.4.2.Tahapan Penelitian 3.4.2.1.Sintesa Bahan

Sintesa PZT dimulai dengan penimbangan dan pencampuran bahan dasar PbO, ZrO2, dan TiO2 stoikiometri dengan reaksi sebagai berikut:

PbO + x ZrO2 + (1-x) TiO2→ PbZrxTi(1-x)O3 ( 5 ) PbO + 0,52 ZrO2 + 0,48 TiO2→ PbZr0,52Ti0,48O3 ( 5a ) Pembuatan PZT dilakukan dengan beberapa tahap dimulai dengan ditimbangnya bahan dasar PbO, ZrO2, dan TiO2 yang akan digunakan menggunakan timbangan electronic OHAUS GALAXYTM 160, serta kertas

timbang untuk meletakkan bahan agar tidak terkontaminasi. Dari reaksi di atas untuk menghasilkan 36 g bahan PbZr0,52Ti0,48O3 didapat massa dari masing-masing bahan. Massa yang didapat yaitu dengan kisaran PbO 24,6823 g, ZrO2 7,0783 g, dan TiO2 4,2370 g. Kemudian dicampurkan ketiga bahan dasar ke dalam mortar. Metode ini hanya memerlukan penggerusan sebagai langkah awal mensintesa suatu bahan (Sung & Hyok, 2007). Pengggerusan dilakukan selama 4 jam menggunakan mortar dan lumpang dengan tujuan agar semua bahan tercampur secara homogen dan ukuran partikel mengecil. Setelah itu campuran bahan dikompaksi atau suatu proses pemadatan (pemeletan). Penghomogenisasian juga ditentukan pada proses kompaksi yang menghasilkan 18 sampel dalam bentuk pelet dengan penekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 selama 5 menit. Kalsinasi pada suhu 200oC selama 1 jam digunakan untuk menghilang kontaminasi selama preparasi sampel (khususnya bahan organik) dengan menguapkan molekul-molekul air yang terkandung di dalam bahan. Bahan yang telah melalui proses kalsinasi dan disitering (dipanaskan) selama 4

jam pada suhu 950oC, sehingga terjadi proses reaksi padatan melalui mekanisme difusi di antara butiran (Liang et al. 2013). Proses ini yang disebut dengan

metode padat (Solid State Reaction).

Gambar 3.1. Diagram Waktu Proses Sintering

3.4.2.2.Karakterisasi Bahan

Karakterisasi bahan menggunakan XRD (PANalytical EMPYREAN) bertujuan untuk mengidentifikasi pola difraksi dalam menentukan ukuran butir kristal dan struktur kristal dari bahan dasar maupun bahan yang telah disintesa. Semua bahan dasar (PbO, ZrO2, TiO2, dan PVDF) dan hasil sintesa dikarakterisasi menggunakan XRD. Langkah pertama dengan dihidupkan dan dipanaskan selama 2 jam. Sampel yang berbentuk pelet diletakkan di atas holder, kemudian dijepit holder pada XRD. Kemudian sudut pada XRD diatur dari 10o sampai 80o dan ditunggu selama 10 menit agar pola difraksi dapat diidentifikasi. Pemilihan sudut berdasarkan percobaan sebelumnya bahwa di atas 80o hanya memunculkan puncak-puncak dengan intensitas rendah dan tidak berpengaruh terhadap analisis. Semakin besar range sudut akan membutuhkan waktu yang

semakin lama. Selanjutnya, hasil pola difraksi dari bahan dapat dilihat pada monitor.

Sampel yang telah dikarakterisasi menggunakan XRD digerus kembali selama 1 jam untuk dikarakterisasi menggunakan BET atau biasa disebut pengujian porositas. Karakterisasi BET bertujuan untuk mengukur volume pori dan diameter pori. Sampel dari tiap-tiap komposisi diambil sebanyak beberapa

gram dilakukan degassing pada temperatur 300oC selama 3 jam. Degasser

berfungsi untuk memberikan perlakuan awal pada bahan uji sebelum dianalisa. Fungsinya adalah untuk menghilangkan gas – gas yang terserap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kondisi vakum. Tabung yang berisi bahan uji yang akan dianalisis (telah didegassing) dihubungkan dengan port gas

pada alat analyzer GSA. Nitrogen cair pada suhu 77,035 K dituang ke dalam

thermostat yang secara otomatis akan merendam sampel sel, sehingga proses

analisa akan berlangsung pada suhu konstan.

3.4.2.3.Penambahan PVDF (Polyvinylidine Flouride)

PZT yang telah digerus kembali selama 1 jam ditambahkan dengan PVDF. Pada dasarnya kualitas bahan PZT bersifat mudah pecah (getas), sehingga dilakukan penambahan PVDF dalam jumlah yang sedikit untuk meningkatkan sifat mekanik dari bahan piezoelektrik yang lebih baik. Fraksi massa PVDF yang ditambahkan ke dalam PZT adalah 1,5% dan 2,5% untuk PZT dengan tekanan 35.150 N/m2, dan 5% untuk PZT dengan tekanan 49.210 N/m2. Setelah itu dicampurkan PZT dan PVDF kemudian digerus sampai homogen menggunakan mortar selama 1 jam dan dikompaksi selama 5 menit sesuai dengan tekanan awalnya. Saat kompaksi ketebalan pelet diukur menggunakan jangka sorong digital.

3.4.2.4.Proses Pemolingan

Bahan hasil sintesa yang berbentuk pelet dipoling dengan menggunakan sumber tegangan tinggi yang dihubungkan dengan elektroda yang direndam dalam minyak silika dengan variasi suhu 70oC, 80oC, 100oC, 110oC, dan 125oC . Bahan ini diberikan tegangan 4 kV/mm dengan variasi waktu pemolingan selama15, 25, 40 dan 45 menit dengan tujuan menyearahkan momen dipol pada bahan. Konstanta piezoelektrik (d33) diukur menggunakan d33 meter sebagai penentuan suatu bahan piezoelektrik yang siap pakai. Pengukuran konstanta piezoelektrik dilakukan pada 2 pelet PZT murni tekanan 35.150 N/m2, 2 pelet PZT murni tekanan 49.210 N/m2, 4 pelet sampel PZT tekanan 35.150 N/m2 dengan penambahan 2,5% PVDF, 4 sampel pelet PZT tekanan 35.150 N/m2

dengan penambahan 1,5% PVDF, dan 2 sampel pelet PZT tekanan 49.210 N/m2 dengan penambahan 5% PVDF. Besarnya nilai konstanta piezoelektrik akan menunjukkan kualitas dari bahan piezoelektrik tersebut.

Pulsa Generator

Amplifier (Penguat)

Trafo Step Up Power

Supply _Sampel

Multimeter Pembagi Tegangan

04.00 kV

20

V

R = 500 MΩ

R = 500 MΩ

R = 500 MΩ Sumber Tegangan Tinggi

12kV

Wadah Poling Multimeter

+HV

-HV

3.5. Diagram Alir

Mulai

Penyiapan Bahan (Stoikiometri) PbO, ZrO2, TiO2

PbO + 0,52 ZrO2 + 0,48 TiO2→ PbZr0,52Ti0,48O3

Pencampuran dan Penggerusan (Homogenisasi)

Kalsinasi (1 jam pada suhu 2000_{C) dan}

Sintering (4 jam pada suhu 9500_C)

XRD

Penggerusan

Kembali PZT Penambahan PVDF

Pengukuran d33

Pengolahan data Pembahasan Kesimpulan

Selesai

T F

BET

Proses Pemolingan Tegangan 4 kV

35.150 N/m2_{→1,5% dan 2,5%}

49.210 N/m2_{→ 5%}

}

Metode Solid

State Reaction

Dicampur, digerus, dan dikompaksi Sesuai Tekanan Awal

Kompaksi

(35.150 N/m2 _{dan 49.210 N/m}2₎

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk sistesis bahan Timbal Zirkonat Titanat (PZT) menggunakan metode solid state reaction. Komposisi di daerah

MPB menunjukkan performa yang semakin meningkat, sebagaimana disinggung oleh Dragan Damjanovic dengan adanya perubahan rotasi yang semakin meningkat (Damjanovic, 2010), begitu juga untuk PbZr0,52Ti0,48O3 yang telah dilakukan oleh Liu, et al (Liu et al, 2000).

Pencampuran bahan dasar PbZr0,52Ti0,48O3 secara stoikiometri dengan 24,6823 g PbO, 7,0783 g ZrO2, dan 4,2370 g TiO2 merupakan tahap awal proses sintesa. Sampel dikompaksi dalam bentuk pelet menghasilkan 18 pelet PZT dengan variasi tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2. Semua sampel dikalsinasi (selama 1 jam) dan disintering (selama 4 jam) dengan suhu 950oC.

4.1. Karakterisasi Menggunakan X-ray Diffraction (XRD)

Setelah melewati proses pemanasan, sampel dikarakterisasi menggunakan XRD yang bertujuan untuk mengidentifikasi pola difraksi dan melihat apakah bahan yang telah disintesa sudah terbentuk atau belum pada saat terjadinya reaksi kimia dalam proses sintesa. Data XRD yang diperoleh merupakan pengidentifikasian antara intensitas (I) dengan 2 kali sudut difraksinya (2θ). Pengidentifikasian keberadaan bahan-bahan kontaminan dan bentuk sistem struktur kristal bahan, maka diperlukan pencocokan dengan sistem kristal standar, seperti COD (Crystallography Open Database). Metode ini dilakukan dengan

cara membandingkan tiga puncak tertinggi pola difraksi eksperimental (seperti yang telah ditentukan pada metode Hanawalt) dengan COD. COD merupakan

database yang dihasilkan pada eksperimen oleh peneliti-peneliti sebelumnya.

Pada pengidentifikasian ini menggunakan software yaitu, Match 2.

Bahan dasar yang digunakan dalam sintesa adalah PbO, ZrO2, dan TiO2. Pengidentifikasian pola difraksi yang dihasilkan dari bahan dasar dapat dilihat sebagai berikut:

4.1.1. Pola Difraksi Sinar-X pada Bahan Dasar PbO

Gambar 4.1.Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PbO

Pada bahan PbO, pola difraksi yang dihasilkan dari eksperimen pada data XRD antara intensitas (I) dengan 2 kali sudut difraksinya (2θ). Syarat dari metode Hanawalt bahwa pengidentifikasian diwakili oleh tiga puncak tertinggi yang terlihat pada Gambar 4.1, yaitu 29,0783o, 30,2862o, dan 53,0804o. Ketiga puncak tertinggi dari eksperimen dicocokkan dengan tabel COD (Lampiran 3), yaitu nomor 900-7711. Puncak difraksi PbO hasil eksperimen dengan puncak difraksi pada COD mengalami perbedaan persentase pergeseran yaitu0,034% (Lampiran 4). Setelah dilakukan identifikasi dapat disimpulkan bahwa bahan PbO memiliki sistem kristal yang sama.

Hasil pengidentifikasian Gambar 4.1 menunjukkan hampir seluruh puncak-puncak eksperimen (2θ = 10o_{– 80}o_{) teridentifikasi dengan puncak dari COD (2θ =} 15,02o – 79,62o). Adapun parameter kisi dari bahan PbO adalah a = 5,8931 Å, b = 5,4904 Å, dan c = 4,7528 Å dengan struktur kristal ortorombik (α = = = 90o_). Oleh karena itu, proses sintesa PZT sangat berpengaruh terhadap bentuk struktur kristal ortorombik dari bahan dasar PbO.

Preparasi sampel atau kesalahan pada saat karakterisasi menggunakan XRD (holder yang belum steril) dapat menjadi penyebab timbulnya beberapa puncak-puncak asing yang terdeteksi pada bahan dasar ditandai dengan tanda X. Puncak-puncak asing tersebut terdapat pada sudut 26,5047o dan 31,7831o. Kedua puncak tersebut memiliki intensitas yang rendah dibandingkan dengan intensitas tertinggi

0 2500 5000 7500 10000

10 20 30 40 50 60 70 80

In te n sitas [C ou n ts]

2θ [o_]

Exp COD

Ortorombik

dari bahan dasar. Hal ini menunjukkan kandungan kontaminan pada PbO sangat rendah. Kesesuaian dengan bahan dasar yang digunakan dengan kemurnian yang cukup tinggi, sebesar 99%. Tinggi puncak pada pola difraksi eksperimen dengan pola difraksi COD berbeda, karena perlakuan yang diberikan pada sampel pun berbeda.

4.1.2.Pola Difraksi Sinar-X pada Bahan Dasar ZrO2

Gambar 4.2.Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada ZrO2

Berdasarkan pola difraksi yang didapat dari hasil XRD, pengidentifikasian bahan ZrO2 antara intensitas (I) dengan 2 kali sudut difraksi (2θ) diwakili oleh tiga puncak tertinggi pada Gambar 4.2, yaitu 28,24o_{, 31,56}o_{, dan 50,18}o_{. Ketiga} puncak tertinggi dari eksperimen dicocokkan dengan tabel COD (Lampiran 3), yaitu nomor 230-0297. Perbedaan persentase pergeseran puncak difraksi ZrO2 dari hasil eksperimen dengan puncak difraksi pada COD adalah 0,24% (Lampiran 4). Pergeseran puncak ini menunjukkan bahwa bahan dasar yang telah diidentifikasi memiliki sistem kristal yang sama.

Puncak-puncak eksperimen (2θ = 10o_{– 80}o_{) pada Gambar 4.2 menunjukkan} hampir seluruh puncak teridentifikasi dengan puncak difraksi dari COD (2θ = 17,44o– 75,09o). Adapun parameter kisi dari bahan ZrO2 adalah a = 5,1477 Å, b = 5,2096 Å, c = 5,3164 Å dengan struktur kristal monoklinik (α = = 90o_{, =} 99,215o). Bentuk struktur kristal monoklinik dari ZrO2 ini sangat berpengaruh terhadap proses sintesa PZT lainnya.

-10 90 190 290 390

10 30 50 70

In te n sitas [C ou n ts]

2θ [o_]

Exp

COD

Puncak-puncak asing pada bahan ZrO2 tidak ada, sehingga dipastikan tidak terdapat pengotor dalam bahan dasar tersebut. Pada Gambar 4.2 terlihat perbedaan antara tinggi puncak intensitas dari hasil eksperimen dengan puncak-puncak COD. Hal ini menunjukkan perlakuan pada sampel berbeda, misalnya tinggi puncak intensitas bahan berbentuk serbuk berbeda dengan bahan berbentuk pelet. Kesesuaian dengan bahan dasar yang digunakan dengan kemurnian yang cukup tinggi, sebesar 99,9 %.

4.1.3.Pola Difraksi Sinar-X pada Bahan Dasar TiO2

Gambar 4.3.Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada TiO2

Hasil eksperimen yang diperoleh dari data XRD, antara intensitas (I) dengan 2 kali sudut difraksinya (2θ). Pengidentifikasian bahan TiO2 diwakili oleh tiga puncak tertinggi, sebagaimana yang dipersyaratkan oleh metode Hanawalt, terlihatpada Gambar 4.3, yaitu 25,4o_{, 48,1}o_{, dan 37,86}o_{. Ketiga puncak tertinggi} dari eksperimen dicocokkan dengan tabel COD (Lampiran 3), yaitu nomor 900-9087. Perbedaan persentase pergeseran puncak difraksi TiO2 hasil eksperimen dengan puncak difraksi pada COD adalah 0,23% (Lampiran 4). Hal ini menunjukkan bahwa bahan dasar yang telah diidentifikasi memiliki sistem kristal yang sama.

Pada Gambar 4.3 menunjukkan hampir seluruh puncak-puncak eksperimen (2θ = 10o_–80o_{) teridentifikasi dengan puncak dari COD (2θ = 25,30}o _{– 75,05}o_). Adapun parameter kisi dari bahan TiO2 adalah a = 3,7850 Å, c = 9,5140 Å dengan

-20 180 380 580

10 20 30 40 50 60 70 80

In te n sitas [C ou n ts]

2θ [o_]

Exp

COD

X X

struktur kristal tetragonal (α = = = 90o_{). Bentuk struktur kristal tetragonal dari} TiO2 ini sangat berpengaruh terhadap proses sintesa PZT lainnya.

Beberapa puncak-puncak asing yang terdeteksi ditandai dengan tanda X dimungkinkan adanya kontaminan (pengotor) saat preparasi sampel atau kesalahan pada saat karakterisasi menggunakan XRD. Puncak asing tersebut terdapat pada sudut 27,48o dan 50,9o. Kedua puncak tersebut tidak dimiliki sebagai puncak dominan dari bahan dasar lainnya, sehingga dipastikan tidak terdapat pengotor. Intensitas tertinggi dari puncak kontaminan rendah sekali. Hal ini menunjukkan kandungan pengotor/kontaminan sangat rendah. Kesesuaian dengan bahan dasar yang digunakan dengan kemurnian yang cukuptinggi, sebesar 99%.

4.2.Sintesa PZT

4.2.1.Pola Difraksi Hasil Sintesa (PZT)

Penelitian ini menggunakan tiga bahan dasar untuk proses sintesa, yaitu PbO, ZrO2, dan TiO2.

Tabel 4.1. Perbedaan Titik Leleh dan Titik Didih Bahan Dasar Bahan Dasar Titik Leleh (oC) Titik Didih (oC)

PbO 888 1477

ZrO2 2715 4300

TiO2 1843 2972

Sumber: Wikipedia

Dari tabel di atas menunjukkan bahwa bahan PbO memiliki titik leleh yang paling rendah di antara ZrO2 dan TiO2. Perbedaan titik leleh antara PbO dengan TiO2 adalah 955oC, sementara itu perbedaan titik leleh antara PbO dan ZrO2 sangat jauh yaitu, 1827oC. Pemilihan metode solid state reaction memiliki keuntungan

dalam mensintesa bahan PZT, yaitu dapat menghindari penguapan lebih awal dari bahan dasar (PbO) jika menggunakan suhu sintesa pada 1843oC dan 2715oC (metode casting). Kemurnian yang tinggi juga mempengaruhi kualitas suatu

bahan dasar untuk membantu proses sintesa dengan baik, dengan kata lain mengurangi adanya reaksi kontaminan dengan salah satu bahan dasar.

Proses sintesa ini memiliki parameter yang optimal dengan menggunakan metode solid state reaction yaitu penggerusan selama 4 jam, kompaksi, dan

dari bahan-bahan dasar menjadi produk baru. Pengidentifikasian produk hasil sintesa dilakukan dengan menggunakan metode difraksi sinar-x, dapat dilihat pada gambar 4.4:

Gambar 4.4. Pola Difraksi Hasil Sintesa PZT dan Struktur Perovskit

Berdasarkan Gambar 4.4 di atas menunjukkan bahwa puncak tertinggi dari PbO terletak pada sudut 29,0783o, ZrO2 terletak pada sudut 28,28o, dan TiO2 terletak pada sudut 25,4o. Pengidentifikasian hasil sintesa menggunakan XRD, menunjukkan pola difraksi yang sangat berbeda dengan puncak-puncak bahan dasar sebelum proses sintesa, hal ini ditandai dengan tidak dimilikinya puncak-puncak tertinggi dari bahan-bahan dasar oleh produk hasil sintesa. Proses sintesa dengan metode solid state reaction untuk bahan-bahan di atas telah berhasil

dilakukan. Dengan kata lain, masing-masing bahan dasar dapat bereaksi dengan baik yang ditandai dengan adanya fasa baru atau terjadinya transformasi fasa dari bahan dasar ke bahan sintesa.

Hasil sintesa dari pencampuran bahan dasar PbO, ZrO2, dan TiO2 yang mengalami perubahan warna dari oranye kecoklat-coklatan. Perubahan warna dari hasil sintesa menunjukkan terjadinya reaksi solid state. Begitu pula dengan

diameter dari sampel yang awalnya berdiameter 1,5 cm berubah menjadi 1,8 cm. Hal ini terjadi karena perbedaan titik leleh antara ketiga bahan dasar sehingga

PbO mengalami ekspansi atau terlokalisasi mencair. PbO membutuhkan waktu untuk terdifusi masuk ke ZrO2 dan TiO2. Setelah melewati proses permanasan, hasil sintesa masih bersifat getas (mudah pecah/rapuh) diindikasikan saat mengambil sampel dari wadah sintering.

Secara keseluruhan puncak-puncak difraksi hasil sintesa memiliki kesamaan dengan puncak-puncak pada pola difraksi literatur (Babu et al. 2011). Pola

difraksi dari literatur tersebut ditampilkan agar dapat menjadi penentu dari suatu proses sintesa dalam pengembangan produk hasil sintesa. Puncak-puncak intensitas pada sudut 2θ dari hasil sintesa adalah 21,846o, 31,116o, 38,311o, 44,351o, dan 55,118o menunjukkan adanya overlaping (tidak simetris),

seakan-akan terlihat adanya puncak ganda (kembar) yang sangat berdekatan, sehingga puncak-puncak ganda ini merepresentasikan bahwa struktur kristal dari hasil sintesa berupa tetragonal perovskit (Shin et al. 2015). Struktur kristal tetragonal

inilah yang menjadi indikasi bahwa hasil sintesa dari bahan dasar PbO, ZrO2, dan TiO2 berupa fasa baru bersifat piezoelektrik yang baik disebut PbZr0,52Ti0,48O3.

4.2.2.Pola Difraksi PZT pada Tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2

Gambar 4.5.Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 dan Tekanan 49.210 N/m2

Setelah mengalami proses pemanasan (sintering) pada suhu 950oC,

keberadaan kontaminan-kontaminan dari pola difraksi, baik yang berasal dari bahan dasar, bahan asing, maupun adanya fasa baru, relatif sangat kecil atau tidak

49.210 N/m2 35.150 N/m2

0 2500 5000 7500 10000

10 30 50 70

In te n sitas [C ou n ts]

dengan mengubah tekanan pelet menjadi 49.210 N/m2 yang sebelumnya bertekanan 35.150 N/m2. Gambar 4.5 memperlihatkan adanya perbedaan pola difraksi sinar-x pada bahan PZT dengan tekanan 35.150 N/m2 dan tekanan 49.210 N/m2.

Gambar 4.6. FWHM pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 dan Tekanan 49.210 N/m2

FWHM (full width at half maximum) pada puncak-puncak yang dihasilkan

dari pola difraksi sinar-x memiliki perbedaan. Perbedaan ini dapat dianalisis melalui nilai FWHM dari puncak tertinggi PZT bertekanan 35.150 N/m2 _yaitu 0,34426o_{, sedangkan nilai FWHM dari puncak tertinggi PZT bertekanan 49.210} N/m2 yaitu 0,30737o. FWHM pada puncak PZT pada tekanan 49.210 N/m2 semakin mengecil dibandingkan dengan tekanan 35.150 N/m2_{. Hal ini} menandakan semakin mengecilnya FWHM, maka semakin besar ukuran butiran kristal yang diperoleh, itu menunjukkan sampel memiliki sifat piezoelektrik yang baik (Ahda, 2013). Saat penekanan pada proses kompaksi, serbuk akan saling mengunci (interlocking). Semakin tinggi gaya yang diberikan, maka kontak antar

permukaan semakin luas. Semakin kecil ukuran butir, maka gaya gesek antar partikel semakin besar dan luas permukaan kontak antar partikel lebih banyak saat dilakukan kompaksi, sehingga akan menaikkan ikatan antar partikel saat difusi pada proses sintering. Difusi atom merupakan proses perpindahan atom pada zat padat akibat adanya kenaikan temperatur. Difusi terjadi, karena partikel berpindah secara acak dari area yang memiliki konsentrasi tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. Besarnya laju difusi berkaitan dengan besarnya energi bebas yang dimiliki oleh suatu material. Berdasarkan variasi tekanan kompaksi pada penelitian ini,

akan mempengaruhi laju difusi atomik saat proses sintering. Sampel yang diberikan tekanan kompaksi lebih tinggi akan menyimpan energi bebas yang lebih tinggi, sehingga laju difusi atomik akan lebih cepat terjadi dengan adanya energi yang masih tersimpan (Setyowati, 2012). Identifikasi XRD pada FWHM menandakan ukuran partikel secara kualitatif PZT pada tekanan 49.210 N/m2 lebih besar dibandingkan dengan PZT bertekanan 35.150 N/m2. Hal ini dibuktikan dengan persamaan:

t =

( 6 )

dimana t merupakan ukuran butiran kristal, adalah panjang gelombang sinar-x (1,54056 Å), B adalah FWHM dalam radian, cos θ adalah sudut difraksi, dan C adalah faktor bentuk kristal 0,9~1 (He, 2009). Sehingga, dapat diketahui ukuran butiran kristal dari bahan PZT tekanan 35.150 N/m2 bernilai 266,051 Å sementara untuk bahan PZT tekanan 49.210 N/m2 bernilai 297,982 Å (Lampiran 5).

4.3.Penambahan PVDF

Gambar 4.7. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PVDF

PZT yang telah digerus selama 1 jam, ditambahkan PVDF dalam bentuk serbuk dan digerus bersamaan selama 1 jam. PVDF merupakan piezoelektrik berjenis polimer yang bersifat sebagai perekat. Penambahan PVDF ini bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik dari PZT yang mudah pecah (getas). Penggunaan PVDF pada PZT dengan penambahan fraksi massa yang terbilang

0 1750 3500 5250 7000

10 30 50 70

In

te

n

sitas [C

ou

n

ts]

2θ [o_]

cukup sedikit. Hal ini diharapkan agar penambahan PVDF tidak mengganggu sifat kepiezoelektrikan dari PZT itu sendiri.

4.4. Karakterisasi Menggunakan BET

Setelah dilakukan karakterisasi XRD terhadap bahan, dilanjutkan dengan karakterisasi BET menggunakan nitrogen cair (N2) pada suhu degassing 300oC

sebagai pendukung dari karakterisasi XRD. Tujuan dari karakterisasi BET dapat meliputi diameter pori dan volume pori.

Tabel 4.2. Hasil Karakterisasi BET Bahan Piezoelektrik PZT pada Tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2

Sampel Tekanan

(N/m2) Volume total pori (m3/kg) Diameter Pori (Å) PbZr0,52Ti0,48O3 35.150 2,036 x 10-6 369,2 PbZr0,52Ti0,48O3 49.210 4,004 x 10-6 355,0

Gambar 4.8. Hubungan antara Distribusi Diameter Poridengan Volume Pori pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 dan Tekanan 49.210 N/m2

Setelah proses sintering terjadi pengurangan porositas, sehingga menghasilkan material yang lebih tinggi kerapatannya dibandingkan sebelum dilakukan sintering. Hal ini menunjukkan bahwa berhubungan

0.00E+00 1.00E-05 2.00E-05 3.00E-05 4.00E-05 5.00E-05 6.00E-05 7.00E-05 8.00E-05 9.00E-05 1.00E-04

0 1 2 3 4 5

V olu m e P or i (10

6 m 2 /k

g

)

Distribusi Diameter pori (10-9 _m)

PZT 35.150 PZT 49.210

tambahan rangkaian pembagi tegangan, sehingga tegangan output saat

pemolingan sampel menjadi 4 kV.

Keberhasilan proses pemolingan dapat diketahui dengan mengukur nilai konstanta piezoelektrik pada sampel. Pengukuran menggunakan d33 meter bertujuan untuk mengetahui konstanta piezoelekrik pada sampel. Perbedaan nilai konstanta piezoelektrik sebelum dan setelah pemolingan menandakan bahwa momen dipol pada sampel sudah mulai searah (Haprido, 2011).

Gambar 4.10. Hubungan antara Waktu dengan Konstanta Piezoelektrik pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 Penambahan PVDF 2,5%

Gambar di atas merupakan proses pemolingan untuk bahan PZT pada tekanan 35.150 N/m2 dengan penambahan 2,5% fraksi massa PVDF. Pada saat suhu minyak silika telah mencapai suhu yang diinginkan, sampel mulai diberikan tegangan listrik. Pemanasan ini bertujuan agar kristal pada bahan berekspansi sehingga akan mempermudah proses pemolingan. Pemberian tegangan listrik pada sampel tidak langsung terukur 4kV pada multimeter digital, akan tetapi tegangan output yang terukur dimulai dari kecil hingga mencapai 4kV. Setelah

tegangan output mencapai 4kV sampel mulai dihitung lamanya waktu

pemolingannya. Akan tetapi, semakin tinggi tegangan listrik yang diberikan pada proses pemolingan, maka akan semakin tinggi konstanta piezoelektrinya. Namun, hal ini tidak dapat dilakukan karena rangkaian pembagi tegangan sulit untuk diatur karena telah dipasang sesuai dengan tegangan 4kV dan penggunaan

30 35 40 45 50 55 60

20 25 30 35 40 45 50

d33 (x 10 -12 C/N) Waktu (menit)

Hasil Pemolingan Piezoelektrik PZT 35.150 N/m2 _PVDF

2,5%

70°C 100°C

tegangan yang tinggi memiliki resiko yang besar apabila tidak berhati-hati saat melakukan proses pemolingan.

Hasil pemolingan yang dilakukan pada 4 pelet PZT dengan penambahan 2,5% PVDF dilakukan sebagai tahap awal untuk menentukan lamanya waktu pemolingan yang optimal pada sampel. Perlakuan yang diberikan pada 3 sampel berbeda di antaranya 70oC dengan waktu 25 menit, 40 menit, dan 45 menit. Kemudian untuk 1 sampel dilakukan pemolingan selama 25 menit dengan suhu pemanasan 100oC.

Nilai konstanta piezoelektrik sebelum pemolingan hampir sama untuk setiap sampel yaitu 18 x 10-12 C/N. Hasil dari proses pemolingan pada gambar di atas menghasilkan nilai konstanta piezoelektrik yang tinggi pada perlakuan pemanasan dengan suhu 70oC pada saat pemberian tegangan listrik 25 menit yaitu 49 x 10-12 C/N. Sehingga, untuk proses pemolingan pada sampel berikutnya menggunakan acuan suhu dan waktu pemolingan yang telah dilakukan pada penambahan PVDF 2,5%.

Gambar 4.11. Hubungan antara Suhu dengan Konstanta Piezoelektrik pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 Penambahan PVDF 1,5%

Pada 4 pelet sampel PZT dengan penambahan 1,5% PVDF, 1 sampel dilakukan proses pemolingan dengan perlakuan pemberian tegangan listrik selama 25 menit dengan menaikkan suhu pemanasan 125o_{C. Namun, hasil yang didapat}

30 35 40 45 50 55 60

70 80 90 100 110 120 130

d33

(x

10

-12

C/N)

Suhu (°C)

Hasil Pemolingan Piezoelektrik PZT 35.150 N/m2 _PVDF

1,5%

15 menit 25 menit

tidak optimal di mana nilai konstanta piezoelektriknya 38 x 10-12 C/N. Kemudian dilakukan proses pemolingan dengan perlakuan pemberian tegangan listrik selama 15 menit dengan variasi suhu pemanasan 80oC, 100oC, dan 110oC untuk 3 sampel. Ketiga sampel ini mendapat suhu dan waktu pemberian tegangan listrik yang optimal masing-masing 100oC dan 15 menit menghasilkan nilai konstanta piezoelektrik 55 x 10-12 C/N.

Variasi waktu pemolingandan suhu pemanasan bertujuan untuk mendapatkan hasil yang optimal dari proses pemolingan. Waktu pemolingan pada sampel tidak optimal apabila terlalu lama, begitu pula dengan suhu minyak silika yang terlalu rendah atau terlalu tinggi. Setelah didapatkan waktu pemolingan dan suhu pemanasan yang optimal, dilakukan pemolingan selanjutnya pada suhu yang tetap yaitu 100oC dan waktu pemolingan yang berbeda yaitu 15 menit dan 25 menit.

Gambar 4.12. Hubungan antara Waktu dengan Konstanta Piezoelektrik PZT pada Suhu 100oC

Adanya perbedaan tegangan listrik yang diberikan antara PZT murni dan campuran PZT dengan PVDF saat mulai pemolingan terjadi pada saat proses pemolingan. Hal ini ditandai pada saat sampel PZT murni diberikan tegangan dari sumber tegangan tinggi yang tegangan ouputnya langsung mencapai 4 kV,

40 45 50 55 60 65

10 15 20 25 30

d33 (x 10 -12 C/N) Waktu (Menit)

Hasil Pemolingan Piezoelektrik PZT Pada Suhu 100°C 35.150 N/m2 49.210 N/m2 49.210 N/m2 -> 5% PVDF

berbeda untuk campuran PZT dengan PVDF yang tegangan output sampel

dimulai dari tegangan kecil sampai dengan 4 kV.

Pada saat pemberian tegangan pada bahan, tidak terjadi short pada bahan

tersebut. Gelembung ataupun loncatan api pada sampel juga tidak terjadi, hal ini menandakan bahwa sampel bersifat baik. Berdasarkan proses pemolingan yang telah dilakukan, dapat dikatakan bahwa pemolingan atau penyearahan momen dipol pada sampel telah berhasil dilakukan (Iby, 2012).

Gambar 4.12 menunjukkan perbedaan nilai konstanta piezoelektrik antara PZT murni dengan tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 yang diperoleh dari proses pemolingan. Nilai konstanta piezoelektrik yang tertinggi terdapat pada bahan PZT murni dengan tekanan 49.210 N/m2 yang diberikan perlakuan pada suhu pemanasan 100oC dan lamanya waktu pemolingan 15 menit yaitu 61 x 10-12 C/N. Hasil yang diperoleh dari proses pemolingan berhubungan dengan karakterisasi XRD dan BET yang telah dilakukan sebelumnya, dimana PZT dengan tekanan kompaksi 49.210 N/m2 lebih cepat berdifusi saat proses sintering, sehingga memiliki FWHM yang lebih kecil sementara ukuran butiran kristal lebih besar. Karakterisasi inilah yang menjadi penentuan dalam mengoptimalkan proses pemolingan untuk mendapatkan unjuk kerja yang tinggi pada bahan piezoelektrik.

PZT murni memiliki nilai konstanta piezoelektrik sebesar 460 x 10-12 _C/N. Nilai konstanta piezoelektrik tergantung pada suhu minyak silika, lamanya pemanasan, dan tegangan yang diberikan pada sampel saat proses pemolingan. Penambahan PVDF menyebabkan penurunan nilai konstanta piezoelektrik pada PZT karena PVDF merupakan material piezoelektrik yang kurang baik, sehingga dengan adanya PVDF mengurangi sifat kepiezoelektrikan dari PZT.

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:

1. Proses sintesa PbZr0,52Ti0,48O3 terjadi overlapping atau puncak ganda pada puncak-puncak difraksi sinar-x, sehingga PZT memiliki struktur kristal tetragonal perovskit yang merupakan sistem kristal piezoelektrik. 2. Bahan piezoelektrik PZT dengan tekanan 35.150 N/m2 dan tekanan

49.210 N/m2 memiliki nilai FWHM yang berbeda. Hal ini menandakan semakin mengecilnya FWHM, maka semakin besar ukuran butiran kristal yang diperoleh. Nilai FWHM yang diperoleh didukung dengan karakterisasi BET. Hal ini terjadi karena proses difusi pada saat sintering menyebabkan porositas pada PZT tekanan 49.210 N/m2 lebih besar dari PZT dengan tekanan 35.150 N/m2.

3. Pada proses pemolingan terdapat nilai konstanta piezoelektrik yang optimal pada PZT murni dengan perlakuan suhu pemanasan 100oC dan lamanya pemolingan selama 15 menit yaitu 61 x 10-12 C/N. Semakin tinggi tekanan kompaksi, maka nilai konstanta piezoelektrik yang diperoleh akan semakin tinggi. Namun, penambahan PVDF pada bahan PZT dapat mengurangi nilai konstanta piezoelektrik.

5.2. Saran

Untuk mengetahui penyebab nilai porositas semakin tinggi pada PZT bertekanan 49.210 N/m2 diperlukan pengujian densitas. Pengukuran ini agar dapat membuktikan karakterisasi BET yang diperoleh saat memvariasikan tekanan kompaksi. Proses pemolingan perlu dioptimalkan dengan meningkatkan tegangan listrik yang lebih tinggi, sehingga dapat menghasilkan nilai konstanta piezoelektrik yang optimal dan unjuk kerja yang tinggi pada bahan piezoelektrik.

Diharapkan pada penelitian selanjutnya untuk dapat melakukan pengujian menggunakan LCR meter agar diketahui nilai temperatur Curie serta uji tekan

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.Piezoelektrik

Jacques dan Currie menemukan fenomena piezoelektrik pada tahun 1880, yang mana piezoelektrik merupakan katagori material yang mempunyai sifat unik. Penerapan stress pada kristal piezoelektrik akan membangkitkan listrik karena

terjadi polarisasi muatannya (Purwasih, 2010).

Gambar 2.1. Piezoelektrik dalam Menghasilkan Energi Listrik (Purwasih, 2012)

Piezoelektrik didefenisikan sebagai suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan tegangan listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan atau regangan. Piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) yaitu produksi potensial listrik akibat adanya tekanan

mekanik dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect) yaitu

produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik yang menghasilkan perubahan dimensi (Triwahyuni, 2010).

Sifat reversibel yang dimiliki oleh piezoelektrik dapat dijelaskan sebagai berikut. Di dalam sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrik negatif terpisah namun terdistribusi simetris, sehingga kristal keseluruhan secara elektris bersifat netral. Ketika diterapkan stress (tekanan), maka distribusi

muatan yang simetris akan terganggu, sehingga muatan menjadi tidak simetris lagi, dan muatan yang tidak simetris inilah yang menimbulkan medan listrik.

Sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan pada material piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik yang menyebabkan material berubah dimensi (struktur kristalnya dari kubik menjadi tetragonal atau rombohedral). Peristiwa ini karena pada saat medan listrik, dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul ini mengakibatkan materi berubah dimensi. Sifat reversibel dari material piezoelektrik dapat dimanfaatkan untuk berbagai macam aplikasi, antara lain sumber tegangan, sensor, aktuator, transduser, dan peralatan elektronik lainnya.

2.2.Struktur Kristal

Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut sistem kristal atau struktur kristal. Struktur kristal dibangun oleh sel satuan (unit cell) yang merupakan

sekumpulan atom yang tersusun secara khusus dan secara periodik berulang dalam tiga dimensi dalam suatu kisi kristal (crystal lattice). Suatu kristal yang

terdiri dari jutaan atom dapat dinyatakan dengan ukuran, bentuk, dan susunan sel satuan yang berulang dengan pola pengulangan yang menjadi ciri khas dari suatu kristal (Istiyono, 2000).

Dalam telaah mengenai geometri kristal setiap dalam kristal sempurna dianggap sebagai suatu titik, tepat pada kedudukan setimbang setiap atom dalam ruang. Pola geometrik yang diperoleh dinamakan kisi kristal, seperti Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Struktur Kristal Menunjukkan Sudut hkl (Darmawan, 2011) Kisi kristal merupakan jarak antar atom pada kristal atau sering juga disebut dengan konstanta kisi. Suatu konstanta kisi kristal yang terbentuk dalam bentuk tiga dimensi diberi simbol dengan a, b, dan c. Sudut antara ketiga konstanta kisi

tersebut diberi simbol dengan α, , dan . Misalnya, untuk kristal yang berbentuk

kubik, konstanta kisinya sama dalam ketiga arah koordinat (a = b = c), dan sudut antara ketiga sisinya sama besar yaitu 900 (α = = = 900_{), sedangkan untuk} kristal yang bukan kubik konstanta kisinya berbeda dalam ketiga arah koordinat.

Volume sel satuan ditetapkan oleh 3 kisi (a, b, dan c) dan 3 sudut (α, , dan ). Jarak bidang kristal merupakan panjang garis yang diambil secara tegak lurus antara 2 bidang kristal yang sama dalam sebuah kristal. Penentuan jarak antara bidang kristal tergantung pada sistem kristal, karena setiap sistem kristal memiliki rumus jarak bidang kristal yang berbeda.

Tabel 2.1. Sel Satuan Konvensional dan 14 Kisi Bravais Sistem

Kristalografi

Panjang Sumbu dan

Sudut Kisi Bravais

Simbol Kisi Skema Tiga Dimensi Simple Triklinik

a ≠ b ≠ c α ≠ ≠ = 90o

-Simple P

Monoklinik a ≠ b ≠ c α = = 90o_≠

atau a ≠ b ≠ c α = = 90o_≠

-Simple -Base-centered P C Ortorombik

a ≠ b ≠ c α = = = 90o

-Simple -Base-centered -Face-centered -Body-centered P C F I Tetragonal

a = b ≠ c α = = = 90o

-Simple -Body-centered P I Trigonal Rombohedral

a = b = c

α = = ≠ 90o <120o

-Simple P

Hexagonal

a = b ≠ c α = = 90o_{, =120}o

-Simple P

Kubus

a = b = c

α = = = 90o

-Simple -Face-centered -Body-centered P F I Sumber: (Kittel, 2002)

2.3.Struktur Bahan Piezoelektrik

Kristal bahan ferroelektrik, secara umum terdiri dari bahan pyroelektrik dan piezoelektrik. Bentuk sistem kristalnya dapat berbentuk simetris atau asimetris dan berpengaruh juga pada sifat-sifat fisik bahan, sebagaimana dikenal dengan prinsip Neuman. Pada sistem kristalografi ditemukan juga 20 dari 32 point groups

yang termasuk dalam kelompok non-centrosymetrik/asimetris serta dapat

menunjukkan efek piezoelektrik. Ada 10 kelompok non-centrosymetrik/asimetris

yang dapat mengembangkan polarisasi spontan dan dipol permanen dalam struktur kristal (Heartling, 1999). Sistem kristal non-centrosymetrik tersebut di

antaranya adalah triklinik, m monoklinik, 2mm ortorombik, 3m rombohedral, 4mm tetragonal, dan 6mm hexagonal (Rodel et al. 2009).

Perovskit merupakan oksida logam yang memiliki struktur umum ABO3, dimana A adalah ion–ion logam blok s, d, atau f yang berukuran lebih besar sedangkan B merupakan ion–ion logam transisi (Tien-Thao et al. 2008).

Rodel (2009) telah mencoba mengklasifikasikan bahan-bahan ferroelektrik (terpolarisasi spontan dan reversibel) yakni Tungsten Bronze PbNb6O7, Perovskit ABO3, Pyrochlore Cd2Nb2O7, Layer Structur Bi4Ti3O12. Hanya tipe Perovskit ABO3 yang merupakan tipe terpenting dan banyak digunakan pada bahan keramik ferroelektrik dewasa ini, seperti BiTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, dan (Na,K)NbO3.

Sel satuan perovskit terdiri dari delapan ion besar Aa+, satu ion kecil Bb+, dan

enam ion O2-_{. Sel satuan perovskit dapat digambarkan sebagai gabungan struktur} FCC (Face Center Cubic) dan BCC (Body Center Cubic), dimana Aa+ berada

pada sudut sel satuan, ion O2- berada pada permukaan sel satuan dan ion Bb+ menduduki lokasi interstitial octahedral (Jones & Thomas, 2002).

Pada umumnya bahan piezoelektrik memiliki sistem kristal berupa ortorombik, tetragonal, dan rombohedral. Ketiganya memilikinya parameter kisi yang sangat dekat dengan parameter kisi kubik (Takafumi et al. 2012).

Timbal zirkonat titanat adalah material keramik dengan struktur kimia (Pb(ZrxTi1-x)O3) yang dikembangkan dalam teknologi mikroelektrik. PZT memiliki struktur kimia dengan formula ABO3. A sebagai kation Pb yang menempati salah satu sudut dari kubus dan B sebagai ion Zr4+ mengisi pusat

kubus. Oksigen akan mengisi pusat muka dari kubus, lalu posisi Ti4+ dan Zr4+ dapat dipertukarkan (Cherdhirunkorn, 2008).

Gambar 2.3. Kristal perovskit pada paraelektrik kubik (kiri), ferroelektrik tetragonal (tengah), dan rombohedral (kanan). PbTiO3, yang merupakan kubik

dalam fasa paraelektrik dan tetragonal dalam fasaferroelektrik, dapat mengadoN/m2 struktur rombohedral ketika dimodifikasi oleh sekitar 50 persen Zr

(Damjanovic, 2005).

2.4. Kurva Hysteresis Bahan Ferroelektrik

Sebagaimana bahan ferromagnetik, maka kurva hysteresis ferroelektrik (terlihat pada gambar 2.4) terjadi antara polarisasi dengan perubahan medan listrik yang diaplikasikan pada bahan.

Gambar 2.4. Kurva hysteresis bahan ferroelektrik BaTiO3 pada suhu kamar (Moulson & Herbert, 2003)

Polarisasi spontan (Ps) didefinisikan dari kurva di atas berupa ekstrapolasi linier di daerah saturasi ke arah sumbu polarisasi. Sisa polarisasi ketika medan listrik kembali ke nol, dikenal sebagai polarisasi tetap (Pr). Sementara itu, medan listrik dimana polarisasi kembali ke nol dikenal sebagai medan koersif (Ec) (Moulson & Herbert, 2003). Fenomena ferroelektrik seperti ini pertama kali ditemukan pada garam Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O) pada tahun 1921 (Jaffe et al. 1971).

Polarisasi spontan merupakan sifat dasar dari semua kristal piezoelektrik dan reversibel, hanya berlaku dalam bahan ferroelektrik. Fase terbanyak ferroelektrik berasal dari fase non-polar dan semua polarisasi bersifat reorientationable.

Besarnya Ps dalam kristal tunggal secara langsung berkaitan dengan pergeseran atom-atom serta pembalikannya kembali (ferroelektrik) dan dapat dihitung dari posisi atom dalam sel satuan jika diketahui. Adapun untuk bahan dielektrik kurva hysteresis akan menjadi terbalik, karena tidak dapat menghasilkan polarisasi spontan, sehingga kurva PE-nya menjadi sebuah garis lurus tanpa hysteresis (Moulson & Herbert, 2003).

Material piezoelektrik yang banyak diproduksi dan diaplikasikan pada saat ini adalah PZT, karena material ini memiliki sifat-sifat piezoelektrik yang sangat baik (Hussain dkk. 2009). Semakin baik sifat piezoelektriknya maka akan semakin baik pula pengaplikasiannya. Hanya saja, PZT mengandung timbal (Pb) lebih dari 60% (Cross, 2004). PZT juga mempunyai nilai konstanta piezoeletrik d33 = 460 pC/N, faktor kopling Kp = 5,56, Pr = 39,2 µC/cm2, medan koersif Ec = 14,9 kV/cm, dan suhu Curie yang tinggi yaitu 450oC (Donnelly et al. 2008).

2.5.Metode Solid State Reaction

Metode reaksi padatan Solid State Reaction disebut juga denga metode kering

atau metode konvensional. Solid State Reaction merupakan reaksi padatan yang

terjadi antar partikel yang bereaksi di atas permukaan yang dipengaruhi oleh sifat kehomogenan bahan, tekanan saat kompaksi, suhu sintering, dan lamanya waktu pemanasan. Metode padat merupakan metode yang paling banyak digunakan untuk sintesa bahan anorganik mengikuti rute yang hampir universal yaitu melibatkan pemanasan komponen-komponen pada suhu tinggi dengan periode yang relatif lama. Reaksi ini melibatkan pemanasan campuran dua atau lebih padatan untuk membentuk produk yang juga berupa padatan (Calton, 2009).

Tahapan dari metode Solid State Reaction, yaitu:

a. Blending/penggerusan

Bertujuan untuk menghomogenisasi bahan dan disertai juga dengan pengecilan butiran agar permukaan kontak antar partikel dapat lebih maksimal.

b. Compacting/kompaksi

Bertujuan agar jarak antar butiran seminimal mungkin, sehingga memungkinkan terjadi proses difusi yang lebih cepat.

c. Sintering/pemanasan

Proses kalsinasi didefinisikan sebagai pengerjaan sampel pada temperatur tinggi tetapi masih dibawah titik leleh tanpa disertai penambahan reagen dengan maksud untuk mengubah bentuk senyawa dalam konsentrat. Temperatur kalsinasi berpengaruh terhadap fasa suatu zat, dimana fasa adalah bagian dalam suatu material yang berbeda dengan bagian-bagian lainnya dalam hal struktur atau komposisi (Van Vlack, 1995). Berubahnya fasa dan struktur dari material akibat temperatur karena ketika suatu material dipanaskan maka akan terjadi peningkatan energi memungkinkan atom-atom bergetar pada jarak antar atom yang lebih besar (Zeffry, 2015).

Selain temperatur berpengaruh terhadap perubahan fasa, temperatur juga berpengaruh terhadap ukuran butir. Akibat meningkatnya temperatur maka difusi atom juga semakin meningkat, sehingga meningkat pula pembentukan nukleus-nukleus fasa baru yang sama. Antara nukleus-nukleus ini terdapat batas butir yang memisahkannya serta dipisahkan dengan pori-pori. Temperatur yang dinaikkan secara terus menerus, menyebabkan terjadi pengecilan/penghilangan pori-pori tesebut. Apabila pori-pori sangat mengecil maka mereka tidak mampu lagi mengunci batas butir terhadap pengaruh gaya pertumbuhan butir (Smallman & Bishop, 2000).

Kalsinasi merupakan proses pemanasan suatu objek dengan tujuan membersihkan objek tersebut dari pengotor-pengotor organik. Kalsinasi perlu dilakukan karena dalam pembuatan kristal sering kali terdapat pengotor-pengotor, terutama pengotor organik (Sumari et al.2008).

Proses sintering adalah proses penggabungan partikel- partikel serbuk melalui peristiwa difusi pada saat suhu meningkat (Callister, 1994). Pada dasarnya sintering adalah peristiwa pengecilan pori-pori antara partikel bahan, pada saat yang sama terjadi penyusutan komponen, dan

diikuti oleh pertumbuhan grain serta peningkatan ikatan antar partikel

yang berdekatan, sehingga menghasilkan bahan yang lebih mampat/kompak (Richerson, 1982). Peristiwa sintering dapat dilukiskan seperti pada Gambar 2.5 (Callister, 1994). Suhu sintering mempengaruhi proses penyusutan, sedangkan pengaruh waktu sintering tidak banyak. Sintering umumnya dapat terjadi di dalam produk pada suhu tidak melebihi dari setengah sampai dua pertiga dari suhu meltingnya, suhu yang membuat atom cukup mampu untuk berdifusi (Ramlan, 2001).

Gambar 2.5. Perubahan Struktur Mikro pada Saat Sintering (Callister, 1994)

2.6.Morphotropic Phase Boundary (MPB)

Studi sintesa dan pengembangan bahan piezoelektrik sangat ditentukan komposisi/kandungan dari penyusunannya, agar dapat menghasilkan sifat kepiezoelektrikan yang lebih optimal dan berakibat pada unjuk kerja dari aplikasinya lebih maksimal. Para peneliti mengambil komposisi bahan dasarnya berada pada daerah batas dua sistem kristal perovskit, lebih dikenal dengan

Morphotropic Phase Boundary (MPB) (Basetet al. 2010).

Gambar 2.6. MPB pada Pb(Zr(1-x)Tix)O3(a) diagram fase Pb(Zr(1-x)Tix)O3. HT menunjukkan suhu tinggi dan LT-suhu rendah fase rombohedral. AF adalah fase antiferroelektrik, dan M menunjukkan daerahantara fasa monoklinik

(Gupta & Viehland, 1998) (b) konstanta dielektrik εr dan faktor

Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), bahan keramik piezoelektrik dengan unjuk kerja yang tertinggi, terbentuk dari larutan padat oleh fasa ortorombik pada PbZrO3 (PZ) dan fasa tetragonal pada PbTiO3 (PT). Diagram fasa pada gambar 2.6a menunjukkan bahwa dua perovskit dengan berbagai jenis struktur kristal yang dibatasi pada daerah sempit dengan komposisi Zr:Ti sekitar 52:48. Daerah batas ini memisahkan fasa rhomboheral dan tetragonal PZT. Beberapa fasa di daerah ini sama, sehingga disebut Morphotropic Phase Boundary (MPB). Komposisi pada

Zr:Ti dapat direpresentasikan dengan kandungan PbZrO3 : PbTiO3 = 52% : 48% yang berada pada daerah MPB(Gupta & Viehland, 1998). Spekulasi dari pemilihan MPB tersebut (campuran binary dan ternary suatu bahan piezoelektrik)

dapat menjawab bahwa sifat piezoelektrik tinggi dan didukung dari konstanta dielektrik ԑr dan faktor kopling kp tertinggi. Unjuk kerja dari MPB dapat mengoptimalkan konstanta dielektrik, konstanta piezoelektrik, dan hal terkait lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6b (Chen et al. 2009).

2.7.Prinsip Efek Piezoelektrik (Proses Poling)

Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang secara kelistrikan bersifat isolator dan dapat memperlihatkan struktur dipol listrik, yaitu adanya pemisahan antara muatan listrik positif dan listrik negatif pada tingkatan molekuler atau atomik (Callister, 1994). Bahan dielektrik ini memiliki muatan yang terikat dalam dipol.

Pembangkit listrik magnetik dan piezoelektrik mempunyai prinsip kerja yang hampir sama (Kim, 2002). Pembangkit listrik dari magnet menggunakan energi mekanik untuk diubah menjadi magnet. Perubahan medan magnet menghasilkan gaya untuk menggerakkan elektron bebas. Dalam pembangkit listrik piezoelektrik, elektron bebas bergerak dengan mengubah medan listrik yang berada di dalam kristal.

Gambar 2.7. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan Pembangkit dari Piezoelektrik (Kim, 2002)

Pada piezoelektrik keramik, adanya properti dielektrik menjadi sesuatu yang penting. Posisi muatan tidak berada di tengah kristal, membuat perubahan kutub. Arah dari tengah ke muatan positif dinamakan arah pengutuban (poling direction)

dan secara umum ialah distribusi keseluruhan secara acak dari polikristal piezoelektrik, yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 arah pengutuban ini dapat dimodifikasi dengan panas dan kondisi tegangan. Kristal piezoelektrik mempunyai karakteristik suhu, yang dikenal dengan suhu Curie. Biasanya bahan

piezoelektrik mempunyai spesifikasi suhu Curie masing-masing. Sesekali ada

bahan piezoelektrik yang dipanaskan di atas suhu Curie, sehingga akan

kehilangan polarisasinya dan arah pengutuban baru akan muncul sebagai aplikasi dari tegangan yang dihasilkan material piezoelektrik. Arah pengutuban muncul kemudian menghasilkan tegangan (Kim, 2002).

Bahan piezoelektrik terbentuk oleh keramik terpolarisasi, sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negatif membentuk elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pemisahan muatan ini disebut dengan dipol. Pada monokristal, dipol berada pada satu titik sumbu simetris, sedangkan untuk polikristal dipol memiliki daerah sumbu kutub yang berbeda (McLaunghin, 2008).

Gambar 2.8. Proses pengutuban, (a) sebelum pengutuban, (b) menghasilkan tegangan meskipun elektroda berada di atas suhu Curie, (c) menghilangkan

tegangan dan mendingin (cold down) (Kim, 2002).

Untuk mendapatkan bahan piezoelektrik elemen aktif yang memiliki momen dipol searah maka diperlukan proses poling. Proses poling adalah pemberian medan listrik terhadap bahan, sehingga bisa menyearahkan momen dipol pada bahan piezoelektik. Proses pemanasan yang sebelumnya diberikan medan listrik pada bahan piezoelektrik akan menghasilkan bahan piezoelektrik di atas. Proses

pemanasan memberikan pengaruh pada pergerakan molekul untuk lebih bebas dan pengaruh kekuatan medan listrik mengarahkan semua momen dipol dalam struktur kristal ke arah yang sama. Dengan adanya pemanasan ini akan mengurangi besar medan listrik yang digunakan. Proses poling ini sama prinsipnya dengan proses magnetisasi (McLaunghin, 2008).

Hubungan yang paling penting pada material piezoelektrik dalam menghasilkan energi listrik ialah antara tekanan (stress) dan muatan (charge) dan

konstanta piezoelektrik (d). Nilai d ialah konstanta yang diberikan pada keadaan

statis. Untuk keadaan statis, rangkaian terbuka pembangkit tegangan berada dalam hubungan:

Dij = dijkσik ( 1 )

dengan D ialah muatan listrik per area (C/m2), σ merupakan pemberian tekanan

(stress) (N/m2) dan d ialah konstanta piezoelektrik (C/N). Ketika tekanan (stress)

mengarah secara longitudinal dari sistem, hubungan di atas dapat dituliskan sebagai berikut:

D3 = d31σ11 ( 2 )

Untuk indeks pertama menunjukkan permukaan, sedangkan indeks kedua menunjukkan arah yang ditemukan dalam elastisitas ketentuan umum indeks. Untuk konstanta piezoelektrik, indeks pertama menunjukkan arah pengutuban (P) dan indeks yang kedua menunjukkan arah gaya atau medan yang diberikan. Sehingga, indeks dari D menunjukkan arah permukaan dari elektroda. D3 berarti muatan mengumpul pada elektroda-elektoda, mereka menutupi permukaan material piezoelektrik normal pada arah 3 yang dapat ditunjukkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Gaya pada Arah 1 dan Elektroda pada Permukaan 3 (Kim, 2002)

Secara umum material piezoelektrik (4 mm dan 6 mm untuk kelas Kristal) mempunyai 5 konstanta piezoelektrik yaitu d31, d32, d33, d15, dan d24, semua

sisanya bernilai nol. Konstanta d31 sama dengan konstanta d32 dan konstanta d15 sama dengan konstanta d24. Sehingga hanya ada 3 distrik konstanta piezoelektrik. Besar hubungan diantara konstanta ialah d15> d33> d31. Secara umum material piezoelektrik d33 dua kali lebih besar dibandingkan d31 dan d15 lima kali lebih besar dari d31. Bahkan, meskipun d15 merupakan jumlah terbesar yang berarti 5 gaya memotong dapat menghasilkan energi lebih daripada pemberian gaya, arah 15 ini ialah memotong tekanan (stress) yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 yang

sangat sulit untuk direalisasikan dalam struktur yang sebenarnya.

D3 = d15σ13 ( 3 )

Gambar 2.10. Arah Elektroda pada Permukaan 1 dan Memotong Tekanan (stress)

(Kim, 2002)

Selanjutnya jumlah yang paling besar ialah pada arah d33. Dalam struktur yang sebenarnya, keadaan tekanan (stress) konstan yang digambarkan pada

Gambar 2.9 sampai 2.11. Jika distribusi tekanan (stress) tidak konstan, maka

distribusi elektriknya juga tidak akan konstan.

Gambar 2.11. Penampang Material Piezoelektrik dalam Arah Gaya pada Arah 3 dan Permukaan 3 (Kim, 2002)

2.8.PVDF (Polyvinylidene Flouride)

Bahan polimer piezoelektrik didominasi oleh polimer ferroelektrik dari keluarga PVDF yang ditemukan pada tahun 1969.

Gambar 2.12. Struktur PVDF (Dargaville et el. 2005)

Bahan polimer piezoelektrik PVDF(Polyvinylidine Flouride) merupakan

bahan polimer semikristal yang secara komersial dalam bentuk bubuk, pelet, atau berupa film semi transparan (dengan ketebalan antara range 8 sampai 110 m).

PVDF mempunyai suhu leleh (melting) pada pendekatan di suhu 170oC dan

termasuk pada lelehan kental sesuai dengan proses leleh tanpa menggunakan bantuan, bahan tambahan, dan stabilisator. Polimer dapat juga larut diproses karena daya larutnya biasanya dalam bahan pelarut polar (misalnya, MNP, dan DMAc). Suhu transisi kaca secara khas berada di kisaran -40oC, sehingga saat berada pada suhu kamar polimer dapat menyesuaikan dengan properti mekanik yang baik. PVDF non-piezoelektrik mempunyai banyak kegunaan dalam

coanting, insulasi kabel, tabung fleksibel, dan bagian dari pegangan material

radioaktif. PVDF disintesa dengan penambahan polimerisasi dari monomer CH2=CF2. Ketika menghasilkan homopolymer (misalnya dari 100% monomer CH2=CF2) secara umum rantai PVDF mempunyai struktur reguler secara bergantian kelompok CH2 dan CF2 (Dargavilleet al. 2005).

Gambar 2.13. Struktur rantai PVDF (Dargavilleet al. 2005)

2.9. XRD (X-Ray Diffraction)

Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik berenergi tinggi. Sinar-X memiliki energi sekitar 200 eV – 1 MeV, berada di antara sinar gamma ( ) dan

sinar-eksternal elektron dan elektron dalam kulit atom, sedangkan sinar gamma ( )

dihasilkan oleh perubahan dalam nukleus atom. Jika elektron yang mempunyai kecepatan tinggi menumbuk suatu logam target, maka akan dihasilkan sinar-X.

Intensitas transisi Kα lebih tinggi daripada transisi K , sehingga yang digunakan untuk keperluan difraksi sinar-X adalah radiasi Kα. Proses perlambatan elektron pada saat menembus logam sasaran juga dapat menghasilkan sinar-X. Proses perlambatan elektron yang menghasilkan sinar-X ini sering disebut sebagai radiasi putih.

Difraksi sinar X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Difraksi sinar-X oleh sebuah material terjadi akibat dua fenomena yaitu hamburan oleh tiap atom. Interferensi gelombang–

gelombang oleh tiap atom–atom tersebut. Interferensi ini terjadi karena gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom memiliki koherensi dengan gelombang datang dan demikian pula dengan mereka sendiri (Pratapa, 2004).

Berkas sinar-X yang saling menguatkan disebut sebagai berkas difraksi. Persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan merupakan berkas difraksi dikenal sebagai Hukum Bragg. Menurut Bragg berkas yang terdifraksi oleh kristal terjadi jika pemantulan oleh bidang sejajar atom menghasilkan interferensi konstruktif. Pemantulan sinar-X oleh sekelompok bidang paralel dalam kristal pada hakekatnya merupakan gambaran dari difraksi atom-atom kristal. Difraksi atom-atom kristal sebagai pantulan sinar-X oleh sekelompok bidang-bidang paralel dalam kristal seperti terlihat pada Gambar 6. Arah difraksi sangat ditentukan oleh geometri kisi yang bergantung pada orientasi dan jarak antar bidang kristal.

THE EFFECT OF PRESSURE DIFFERENCE ON POLLING PROCESS PIEZOELECTRIC MATERIAL PbZr0,52Ti0,48O3 WITH ADDITION

POLYVINYLIDINE FLOURIDE

ABSTRACT

It has been synthesized a piezoelectric ceramic material Plumbum Zirconate Titanate (PZT) is the material that contains elements PbZr0,52Ti0,48O3. This

research was carried out by grinding, compacting with variations of pressure of 35.150 N/m2 and 49.210 N/m2, and heating at a temperature of 950oC for 4 hours so-called solid state reaction. After the synthesis process has been done the characterization materials using X-ray diffractometer (XRD) and Brunauer, Emmet, Teller (BET). The result of identification using XRD shows that the synthesis product had a tetragonal crystal structure of perovskite. The good PZT will be crushed again with the addition of gram PVDF fraction of 1,5% and 2,5% for PZT pressure of 35.150 N/m2 and 5% for PZT pressure of 49.210 N/m2. Then proceed with the process of polling with the voltage 4 kV/mm using a high voltage of source series of TV 14-21 inches. The success of the process of polling proved by measurements of the piezoelectric constants using d33 meter. The results of the

highest piezoelectric constants obtained from PZT material piezoeletrik 49.210 N/m2 pressure is 61 x 10-12 C/N. The addition of PVDF on PZT reduce

piezoelectric’s constant value.

Keywords: Piezoelectric, PZT, tetragonal perovskite, PVDF, polling, piezoelectric constants

DAFTAR ISI

Persetujuan i

Pernyataan ii

Penghargaan iii

Abstrak iv

Abstract v

Daftar Isi vi

Daftar Tabel viii

Daftar Gambar ix

Daftar Lampiran x

Bab 1. Pendahuluan

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Perumusan Masalah 3

1.3. Batasan Masalah 4

1.4. Tujuan Penelitian 4

1.5. Manfaat Penelitian 4

Bab 2. Tinjauan Pustaka

2.1. Piezoelektrik 5

2.2. Struktur Kristal 6

2.3. Struktur Bahan Piezoelektrik 8

2.4. Kurva Hysteresis Bahan Ferroelektrik 9

2.5. Metode Solid State Reaction 10

2.6. Morphotropic Phase Boundary (MPB) 12

2.7. Prinsip Efek Piezoelektrik (Proses Poling) 13

2.8. PVDF (Polyvinylidene Flouride) 16

2.9. XRD (X-Ray Diffraction) 17

2.10.Metode BET (Brunauer-Emmet-Teller) 19 Bab 3. Metode Penelitian

3.1. Tempat dan Waktu 21

3.2. Alat-Alat

3.2.1. Alat Sintesa 21

3.2.2. Alat Pemolingan 21

3.2.3. Alat Karakterisasi 22

3.3. Bahan-Bahan 22

3.4. Prosedur Penelitian

3.4.1. Persiapan Penelitian 23

3.4.2. Tahapan Penelitian 23

3.4.2.1. Sintesa Bahan 23

3.4.2.2. Karakterisasi Bahan 24

3.4.2.3. Penambahan PVDF (Polyvinylidene Flouride) 25

3.5. Diagram Alir 27 Bab 4. Hasil dan Pembahasan

4.1. Karakterisasi Menggunakan X-ray Diffraction (XRD) 28

4.1.1. Pola Difraksi PbO 29

4.1.2. Pola Difraksi ZrO2 30

4.1.3. Pola Difraksi TiO2 31

4.2. Sintesa PZT

4.2.1. Pola Difraksi Hasil Sintesa (PZT) 32 4.2.2. Pola Difraksi PZT pada Tekanan 35.150 N/m2 dan

49.210 N/m2 ₃₄

4.3. Penambahan PVDF 36

4.4. Karakterisasi Menggunakan BET 37

4.5. Hasil Pemolingan Bahan Piezoelektrik PZT 38 Bab 5. Kesimpulan dan Saran

5.1. Kesimpulan 43

5.2. Saran 44

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Sel Satuan Konvensional dan 14 Kisi Bravais 7 Tabel 4.1. Perbedaan Titik Leleh dan Titik Didih Bahan Dasar 32 Tabel 4.2. Hasil Karakterisasi BET Bahan Piezoelektrik PZT pada

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1.1. Loket Tiket Stasiun JR East Station 2

Gambar 2.1. Piezoelektrik dalam Menghasilkan Energi Listrik 5 Gambar 2.2. Struktur Kristal Menunjukkan Sudut hkl 6

Gambar 2.3. Kristal Perovskit 9

Gambar 2.4. Kurva hysteresis bahan ferroelektrik BaTiO3padasuhu

Kamar 10

Gambar 2.5. Perubahan Struktur Mikro pada Saat Sintering 12

Gambar 2.6. MPB pada Pb(Zr(1-x)Tix)O3 12

Gambar 2.7. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan

Pembangkit dari Piezoelektrik 13

Gambar 2.8. Proses Pengutuban 14

Gambar 2.9. Gaya pada Arah 1 dan Elektroda pada Permukaan 3 15 Gambar 2.10. Arah Elektroda pada Permukaan 1 dan Memotong

Tekanan (stress) 16

Gambar 2.11. Penampang Material Piezoelektrik dalam Arah Gaya pada

Arah 3 dan Permukaan 3 16

Gambar 2.12. Struktur PVDF 17

Gambar 2.13. Struktur Rantai PVDF 17

Gambar 2.14. Difraksi Sinar-X oleh Kristal 18

Gambar 3.1. Diagram Waktu Proses Sintering 24

Gambar 3.2. Skema Proses Pemolingan 26

Gambar 3.3. Tahapan Penelitian 27

Gambar 4.1. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PbO 29 Gambar 4.2. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada ZrO2 30

Gambar 4.3. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada TiO2 31

Gambar 4.4. Pola Difraksi Hasil Sintesa PZT dan Struktur Perovskit 33 Gambar 4.5. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PZT Tekanan

35.150 N/m2 _{dan Tekanan 49.210 N/m}2 ₃₄

Gambar 4.6. FWHM pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 dan Tekanan

49.210 N/m2 35

Gambar 4.7. Hubungan antara 2θ dengan Intensitas pada PVDF 36 Gambar 4.8 Hubungan antara Distribusi Diameter Pori dengan Volume

Pori pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 dan Tekanan 49.210

N/m2 37

Gambar 4.9. Proses Pemolingan Bahan Piezoelektrik PZT 38 Gambar 4.10. Hubungan antara Waktu dengan Konstanta Piezoelektrik

pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 Penambahan PVDF 2,5% 39 Gambar 4.11. Hubungan antara Suhu dengan Konstanta Piezoelektrik

pada PZT Tekanan 35.150 N/m2 Penambahan PVDF 1,5% 40 Gambar 4.12. Hubungan antara Waktu dengan Konstanta Piezoelektrik

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Gambar Bahan Dasar 49

Lampiran 2. Gambar Peralatan 50

Lampiran 3. Pola Difraksi Sinar-X Pada Bahan Dasar 53 Lampiran 4. Perhitungan Perbedaan Persentase Pergeseran Puncak

Bahan Eksperimen yang Digunakan dengan COD 59 Lampiran 5. Perhitungan Ukuran Butiran Kristal Bahan Piezoelektrik

PZT 61

Lampiran 6. Hasil Karakterisasi BET 62

Lampiran 7. Hasil Pemolingan 65