Efek Penambahan Boron Terhadap Mikrostruktur, Sifat Fisis, dan Magnetik Barium Heksaferit

  EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT TESIS Oleh DELOVITA GINTING 127026007/FIS PROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

  

EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,

SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT

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 Universitas Sumatera Utara Oleh DELOVITA GINTING 127026007/FIS PROGRAM PASCASARJANA

  

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

  PENGESAHAN TESIS Judul Tesis : EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT Nama Mahasiswa : DELOVITA GINTING Nomor Induk Mahasiswa : 127026007 Program Studi : MAGISTER FISIKA Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Menyetujui

Komisi Pembimbing

  Dr. Nasruddin M.N.,M.Eng.Sc Prof. Perdamean Sebayang, M.Sc Ketua Anggota Ketua Program Studi, Dekan, Dr. Nasruddin M.N.,M.Eng.Sc Dr. Sutarman, M.sc NIP. 19950701981021002 NIP. 196310261991031001

  

PERNYATAAN ORISINALITAS

EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,

SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK

BARIUM HEKSAFERIT

  

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

  Delovita Ginting

  NIM. 127026007

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

  Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama : Delovita Ginting Nim : 127026007 Program Studi : Magister Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Ekslusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:

  

EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,

SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK

BARIUM HEKSAFERIT

  Dengan hak Bebas Royalti Non-Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara 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

   Delovita Ginting

KATA PENGANTAR

  Bismillahirahmanirrahim, Syukur Alhamdulillah penulis Panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan karunia dan rahmat kepada hamba-Nya. Sholawat serta salam semoga tercurah bagi Nabi besar Muhammad SAW satu-satunya manusia yang patut menjadi teladan. Karena berkat dan bimbingan serta kasih

• –Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini. Manisnya rintangan telah mewarnai penyusunan Tesis ini dan Alhamdulillah telah dapat dilalui.

  Penulisan Tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Master Fisika pada Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara - Medan. Saya menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan, penelitian sampai penyusunan Tesis ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Ayahanda tercinta Robinson Ginting, S.E Ibunda tercinta Jusmiati, S.Pd yang selalu mendukung dan memotivasi serta mendoakan dengan penuh keikhlasan sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini.

  2. Adik-adik saya Delvina Ginting dan Royi Aildiltra Ginting yang dengan penuh cinta kasih membantu dan menyemangati saya dalam mengerjakan tesis ini.

  3. Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM), Sp. A(K)., selaku Rektor Universitas Sumatera Utara

• – Medan.

  4. Bapak Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc., selaku Ketua Program Studi Magister Fisika Universitas Sumatera Utara

• – Medan sekaligus sebagai pembimbing satu yang dengan senang hati membimbing dan mengarahkan penulis dalam penulisan tesis ini.

  5. Bapak Prof. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing dua, serta pembimbing lapangan saya selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang rela meluangkan waktunya kepada penulis ditengah kesibukannya dalam pekerjaannya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini.

  6. Kepada pendamping pembimbing lapangan saya Bapak Agus Sukarto, Bapak Toto Sudiro, dan Bapak Muljono yang dengan sabar membimbing penulis dalam proses penelitian hingga akhir.

  7. Mbak Ayu Yuswitasari, Mas Candra, dan Mas Lukman, Bapak Boy dan Bapak Amat yang selalu sabar membantu penulis dalam penggunaan alat LAB.

  8. Teman-teman satu perjuangan angkatan 2012 Pascasarjana USU yang tidak dapat disebutkan satu persatu telah saling support satu sama lain, terutama Yola Allan Sembiring sebagai teman satu penelitian dan seperjuangan selama di P2F LIPI.

  9. Kakak kelas angkatan 2011 Pascasarjana USU Achmad Maulana Soehada Sebayang yang dengan sabar memberikan saran dan dukungan kepada penulis.

  10. Adik-adik S1 Fisika Universitas Sumatera Utara - Medan: Dahniar, Ussi, Citra, Eka, Tere, Tari, Lya, Lasmi, dan Ataran yang saling support selama melakukan penelitian di P2F LIPI.

  Penulis telah berupaya semaksimal mungkin dengan baik, namun demikian penulis menyadari masih ada beberapa kekurangan dari Tesis ini. Untuk itu pada kesempatan ini penulis menyambut baik kritik dan saran dari pembaca demi kesempurnaan Tesis ini.

  Akhir kata, saya berharap ALLAH S.W.T. berkenan untuk membalas kebaikan dari semua pihak yang telah membantu. Semoga Tesis ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia, Amin.

  Medan, 24 Juli 2014 Delovita Ginting

  

EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP

MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK

BARIUM HEKSAFERIT

ABSTRAK

  Pada penelitan ini telah dilakukan studi efek penambahan B O pada material

  2

  3 Barium heksaferit (BaFe O ) serbuk komersial pencampuran dilakukan dengan

  12

  19

  metode dry milling menggunakan High Energy Milling melalui proses mechanical

  alloying selama 48 jam. Variabel penelitian yang dilakukan adalah kosentrasi

  B

  2 O 3 sebagai subsitusi aditif Boron pada bahan Barium hexaferrite (BaFe

  12 O 19 ) o

  sebanyak 0, 0.5, 1.0,dan 2,0 % berat serta suhu sintering 1100, 1150, dan1200 C yang masing-masing ditahan selama 1 jam. Besaran-besaran yang diamati meliputi ukuran partikel, true density, porositas, bulk density, flux density, kurva histerisis, analisa mikrostruktur dengan XRD, SEM, dan µXRF serta uji termal material tersebut dengan menggunakan Dilatometer. Dari hasil pengamatan ukuran partikel menggunakan Particle Size Analyzer (PSA) dengan penambahan B O dapat memperkecil ukuran partikel Barium heksaferit yaitu 72.29% dari

  2

  3 o

  identifikasi pola sinar-X (XRD) Barium heksaferit dalam penelitian ini memiliki struktur tunggal BaFe

  12 O

  19. Morfologinya relatif homogen dengan bentuk partikel

  menyerupai batang dengan ukuran partikel 0.375 - 2.75 µm. Magnet Barium heksaferit relatif padat dengan porositas < 8%, bulk density berkisar 3.66

• – 4.18

  3

  g/cm , flux density magnetik berkisar 463.9 r 1.64 -

• – 832.5 Gauss, remanensi B 2.28 kGauss, koersivitas H CB 2.11 max 0.30 - 2.18 MGOe.
• – 2.85 kOe dan BH Kondisi terbaik pada penelitian ini adalah penambahan B

  2 O 3 sebesar 0.5 % berat.

  Kata kunci: Magnet Permanen, Barium heksaferit, Aditif Boron, Sifat Magnetik

  EFFECT OF BORON ADDITION ON MICROSTRUCTURE,

PHYSICAL PROPERTIES, AND MAGNETIC OF BARIUM

HEXAFERRITE ABSTRACT

  

Study effect of B O addition of Barium hexaferrite material (BaFe O )

  2

  3

  12

  19 commercial powder mixing with dry milling method using the High Energy Milling through the process of mechanical alloying for 48 hours. Variables research is concentration B

  2 O 3 as additive, Boron substitution in Barium

hexaferrite (BaFe O ) is 0, 0.5, 1.0, and 2.0 %wt and the sintering temperature

  12

  19 o

1100, 1150, and 1200 C held for 1 hour. Observed magnitudes include particle

size, true density, porosity, bulk density, flux density, hysteresis curves, microstructure analysis by XRD, SEM, and XRF and thermal analysist with Dilatometer. Distribution of particle size using Particle Size Analyzer (PSA, and the addition of B O can reduce the particle size of barium hexaferrite ie 72.29%

  2

  3 o of its initial size. The best sintering temperature is 1100

  C. In this study identification of the X-ray Difraction (XRD) Barium hexaferrite have a single structure BaFe

  12 O 19 , morphology of Barium hexaferrite relatively homogeneous with a particle size is 0.375 - 2.75 µm. Porosity of Barium hexaferrite magnets

  3 <8%, bulk density ranges from 3.66 , the magnetic flux density

• – 4.18 g/cm ranges from 463.9 - 832.5 Gauss, remanensi Br 1.64
• – 2.28 kGauss, coercivity study is 0.5 %wt B

2 O 3 aid.

  Keywords : Permanent magnets, Barium ferrite, Aditive Boron, Magnetic Properties

  DAFTAR ISI Halaman

  2.2 Sifat Kemagnetan Bahan .................................................................. 8

  2.3 Material Magnetik ............................................................................ 13

  2.2.5 Bahan Ferrimagnetik ........................................................... 12

  2.2.4 Bahan Anti Ferromagnetik .................................................. 11

  2.2.3 Bahan Ferromagnetik .......................................................... 10

  2.2.2 Bahan Paragmanetik ........................................................... 9

  2.2.1 Bahan Diagmanetik ............................................................. 8

  2.1 Pengertian Magnet ............................................................................ 7

  

KATA PENGANTAR .............................................................................................. ii

ABSTRAK ................................................................................................................ iii

ABSTRACT ............................................................................................................... iv

DAFTAR ISI ............................................................................................................. v

DAFTAR TABEL .................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ ix

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................ xii

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

  

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 7

  1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................ 6

  1.4 Tujuan Penelitian .............................................................................. 6

  1.3 Batasan Masalah ............................................................................... 5

  1.2 Perumusan Masalah .......................................................................... 5

  1.1 Latar Belakang.................................................................................. 1

  2.3.1 Magnet Tetap ...................................................................... 14

  2.3.2 Magnet Tidak Tetap ............................................................ 17

  2.3.3 Magnet Buatan .................................................................... 17

  2.4 Magnet Keramik ............................................................................... 17

  2.5 Barium Hexaferrite (BaFe ) ...................................................... 19

  12 O

  19

  2.6 Boron Trioxide .................................................................................. 21

  2.7 Sifat-Sifat Magnet ............................................................................ 22

  2.8 Metalurgi Serbuk .............................................................................. 25

  2.8.1 Pencampuran (mixing) ........................................................ 26

  2.8.2 Penekanan (kompaksi) ........................................................ 27

  2.8.3 Pemanasan (sintering) ......................................................... 27

  2.9 High Energy Milling (HEM) ............................................................ 30

  2.10 Karakterisasi dan Evaluasi Magnet Permanen ................................. 31

  2.10.1 Particle Size Analyzer (PSA) .............................................. 31

  2.10.2 Densitas dan Porositas ........................................................ 32

  2.10.3 Pengujian Dilatometer (DIL) .............................................. 33

  2.10.4 Uji Difraksi Sinar-X (XRD) ............................................... 34

  2.10.5 Scanning Electron Microscope (SEM) ............................... 36

  2.10.6 X-Ray Fluorosence (XRF) .................................................. 36

  2.10.7 Permagraph ........................................................................ 37

  2.10.8 Flux Density ........................................................................ 37

  

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................ 39

  3.1 Tempat dan Waktu Penelitian .......................................................... 39

  3.2 Alat Dan Bahan ................................................................................ 39

  3.2.1 Alat ...................................................................................... 39

  3.2.2 Bahan .................................................................................. 40 3.3 Diagram Alir Penelitian ....................................................................

  41

  3.4 Preparasi Sampel .............................................................................. 42

  3.4.1 Preparasi Serbuk BaFe

  12 O 19 dan B

  2 O 3 ................................ 43 3.4.2 Proses Pencetakan ...............................................................

  43 3.4.3 Proses Sintering ..................................................................

  44

  3.5 Karakterisasi Sampel Uji ................................................................... 44

  4.3 Karakteristik Sintering Menggunakan Dilatometer (DIL) ............... 61 4.4 Scanning Electron Microscope (SEM-EDX) ...................................

  5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 80

  

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 80

  4.10 Flux Density Magnetik ..................................................................... 79

  49 Kurva Histerisis ............................................................................... 76

  4.8 Bulk Density ..................................................................................... 75

  4.7 Porositas ........................................................................................... 73

  4.6 Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ................................................... 70

  4.5 X-Ray Fluorescene (XRF) .............................................................. 70

  4.4.2 Energy Dispersive X-ray (EDX) ......................................... 66

  4.4.1 Scanning Electron Microscope (SEM) ............................... 62

  62

  4.2 True Density ..................................................................................... 59

  3.5.1 Uji Densitas ......................................................................... 44

  4.1 Particle Size analyzer (PSA) ............................................................ 53

  

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................... 53

  3.5.7 Scanning Electron Microscope (SEM-EDX) ...................... 51

  50

  3.5.5.2 Flux Density ............................................................. 50 3.5.6 X-Ray Difraction (XRD) .....................................................

  3.5.5.1 Permagraph ........................................................... 49

  3.5.5 Uji Sifat Magnet .................................................................. 49

  48

  3.5.4 Uji Termal (Dilatometer) ....................................................

  3.5.3 Particle Size Analyzer (PSA) ............................................... 46

  3.5.2 Porositas .............................................................................. 46

  5.2 Saran ................................................................................................ 81

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 82

LAMPIRAN .............................................................................................................. 86

  DAFTAR TABEL No. Tabel Judul Halaman

  2.1 Nilai Kerapatan dari beberapa jenis Ferrite

  23

  3.1 Bahan baku BaFe O : B O dalam % berat

  43

  12

  19

  2

  3

  4.1 Persen atomik unsur-unsur yang diperoleh dari

  67 hasil Scanning Electron Microscope (SEM) dengan

  Energy Dispersive X-ray (EDX)

  4.2 Hasil pengujian XRF serbuk Barium heksaferit

  70 komersil

  4.3 Sifat magnet BaFe O penambahan aditif B O

  76

  12

  19

  2

  3

  sebanyak 0.0, 0.5, 1.0, dan 2.0 % berat dengan

  o

  suhu sintering 1100 C (1 jam)

  viii

  56

  38

  22 2.16 (a) material magnetik lunak (b) material magnetik keras

  25 2.17 (a) Sebelum sinter, partikel mempunyai permukaan masing-masing. (b) Setelah sinter hanya mempunyai satu permukaan

  30

  2.18 Contoh grafik perhitungan ukuran distribusi partikel

  31

  2.19 Tiga nilai pada sumbu x D10, D50 dan D90

  32

  2.20 Diagram skematik alat Dilatometer

  34

  2.21 Geometri sebuah Difraktometer sinar

  34

  2.22 Garis gaya magnet

  3.1 Diagram Alir Penelitian

  21

  41

  3.2 Prinsip PSA dengan metode cair

  48 3.3 Dilatometer hasil pengembangan. .

  49

  3.4 Kurva histeris

  50

  3.5 Hasil spektra (peaks) XRD

  51

  4.1 Grafik distribusi ukuran partikel Barium heksaferit digiling selama 0, 12, 24, dan 48 jam.

  54

  4.2 Histogram distribusi ukuran partikel Barium heksaferit digiling selama (a) 0 jam, (b) 12 jam, (c) 24 jam, dan (d) 48 jam.

  55

  4.3 Distribusi partikel diukur dengan Particle Size

  2.15 Pertumbuhan boron pada magnet ferit

  2.14 Struktur Boron Trioksida

  

ix

DAFTAR GAMBAR

No. Gambar Judul Halaman

  2.8 Samarium-Cobalt Magnet

  2.1 Arah domain dan kurva bahan Diamagnetik

  8 2.2 Arah domain dan kurva bahan paramagnetik (a). Sebelum diberi medan magnet luar, (b). Setelah diberi medan magnet luar.

  9

  2.3 Arah domain dan kurva bahan ferromagnetik

  10

  2.4 Arah domain dan kurva bahan anti ferromagnetik, (a) Sebelum diberi medan luar, (b) Setelah diberi medan luar

  12

  2.5 Arah domain dan kurva bahan ferrimagnetik

  12

  2.6 Keberadaan permeabilitas magnet yang dikaitkan dengan sifat magnetik bahan

  13

  2.7 Neodymium Magnet

  14

  15

  20

  2.9 Keramik magnet

  15

  2.10 Plastik magnet

  16

  2.11 Magnet Alnico

  17

  2.12 Struktur kristal BaFe

  12 O

  

19

  19

  2.13 Skema struktur kristal BaFe

  12 O

  19

• – X

Analyszer

  4.4 Grafik perbandingan cumulative values distribusi

  56 ukuran serbuk Barium heksaferit di bawah 10 µm pada waktu milling 12, 24, dan 48 jam.

  4.5 Distribusi ukuran partikel Barium heksaferit dengan

  57 penambahan B

  2 O 3 sebanyak 0, 0.2, 0.5, 1.0, dan

  2.0% berat digiling selama 48 jam

  4.6 Histogram distribusi ukuran partikel Barium

  57 heksaferit dengan penambahan B

  2 O 3 sebanyak (a)

  0% berat, (b) 0.2% berat, (c) 0.5% berat, (d) 1.0% berat, dan (e) 2.0% berat

  4.7 Distribusi partikel Barium heksaferit dengan

  58 penambahan B

  2 O 3 diukur dengan Particle Size Analyszer

  4.8 Grafik perbandingan cumulative values distribusi

  59 ukuran serbuk Barium heksaferit di bawah 10 m pada dengan penambahan B

  2 O

  3

  4.9 Grafik true density serbuk Barium heksaferit

  60 digiling selama 0, 12, 24, dan 48 jam

  4.10 Grafik true density Barium heksaferit dengan

  60 penambahan B

2 O

  3

  4.11 Hubungan waktu, temperatur dan susut bahan pada

  61 pengujian Dilatometer magnet Barium heksaferit komersil.

  4.12 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit

  63 komersial

  4.13 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit

  63 setelah penggilingan selama 48 jam

  4.14 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit

  64 setelah pemberian imbuhan B

  2 O 3 sebesar 0.5%

  berat

  4.15 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit

  65

  o

  komsersial disinter pada suhu 1100 C

  4.16 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit setelah

  65 penggilingan selama 48 jam disinter pada suhu

  o

  1100 C

  4.17 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit dengan

  66 penambahan aditif B O sebesar 0.5% berat

  2

  

3

o

  disinter pada suhu 1100 C

  4.18 Hasil SEM-EDX indikasi keberadaan sebaran

  68 unsur pada serbuk Barium heksaferit + B

  2 O 3 0.5%

  berat

  4.19 Hasil SEM-EDX (A) Serbuk Barium heksaferit

  69

  original (b) Barium heksaferit milling 48 jam (c)

• + Barium heksaferit B

  2 O

  3 x

  4.20 Pola XRD dari serbuk Barium heksaferit dan B O

  71

  2

  3

  4.21 Pola XRD (a) serbuk Barium heksaferit komsersial,

  72 (b) Barium heksaferit setelah penggilingan selama 48 jam, dan (c) setelah pemberian imbuhan B

  2 O

  3 sebesar 0.5 % berat.

  4.22 Pola XRD (a) pelet Barium heksaferit komsersial,

  72 (b) Barium heksaferit setelah penggilingan selama 48 jam, dan (c) setelah pemberian imbuhan B

  2 O

  3 sebesar 0.5 % berat.

  4.23 Grafik porositas dari bahan magnet Barium

  74 heksaferit dengan penambahan B

  2 O

  3

  4.24 Grafik bulk density dari bahan magnet Barium

  75 heksaferit dengan penambahan B

  2 O 3 sebanyak 0,

  0.2, 0.5, 1.0, dan 2.0 % berat digiling selama 48 jam

  o

  yang disinter pada suhu: 1100, 1150, dan 1200 C.

  4.25 Kurva histerisis (B-H curve) dari magnet Barium

  77 heksaferit dengan penambahan aditif B

  2 O 3 0, 0.5,

  1.0, dan 2.0 % berat yang disinter pada suhu 1100

  o C dengan penahanan selama 1 jam.

  4.26 Grafik flux density dari bahan magnet Barium

  79 heksaferit dengan penambahan B

  2 O 3 . xi