BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Magnet Secara Umum - Pengaruh Temperatur Heat Treatment Dan Holding Time Terhadap Sifat Fisis, Mikrostruktur Dan Sifat Magnet Permanen Bonded NdFeB

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Magnet Secara Umum

Kata magnet berasal dari Magnesia, nama suatu kota di kawasan Asia. Di kota inilah orang-orang Yunani sekitar tahun 600 SM menemukan sifat magnetik dari mineral magnetik. Secara umum, pengertian magnet adalah kemampuan suatu benda untuk menarik benda-benda lain yang berada disekitarnya.

Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnet-magnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub- kutub magnet pada ujung logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara (N) dan selatan (S). Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya.

Magnet dapat menarik benda lain, beberapa benda bahkan tertarik lebih kuat dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang mempunyai daya tarik yang tinggi oleh magnet. Sedangkan oksigen cair adalah contoh materi yang mempunyai daya tarik yang rendah oleh magnet. Satuan intensitas magnet menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah

2 Tesla dan SI unit untuk total fluks magnetik adalah weber (1 weber/m = 1 tesla) yang mempengaruhi luasan satu meter persegi.

2.2. Fluks Magnetik

Fluks magnetik adalah jumlah medan magnetik ( garis gaya magnet ) yang dihasilkan sumber magnetik, dilambangkan dengan (phi). Satuan fluks magnetic Weber (Wb). Kerapatan fluks magnet adalah jumlah total fluks yang menembus area yang tegak lurus dengan fluks tersebut, dirumuskan :

B = (2.1) Dengan :

2 B = Rapat fluks magnet ( T atau Wb/m )

= Fluks magnet (Wb)

2 A = Luas Penampang ( m )

2.2.1. Permeabilitas Magnet

Permeabilitas magnet merupakan konstanta perbandingan antara rapat fluks magnet (B) dengan kuat medan (H) yang dihasilkan magnet. Untuk udara dan bahan non magnet, permeabilitas dnyatakan sebagai permebilitas ruang

kosong ( = 4 x 10 H/m ), sehingga :

B/H = (2.2)

Untuk bahan lain maka permeabilitasnya sebanding dengan permeabilitas ruang kosong dikalikan permebilitas relative bahan ( ). sehingga diperoleh :

B/H = (2.3)

o r

Permebilitas relatif didefenisikan sebagai : =

(2.4)

Sehingga pada ruang hampa, = 1 dan . =

r r o

ߤ ߤ ߤ ߤ dinamakan permeabilitas absolute. Dengan konstanta permeabilitas maka karakteristik kemagnetan suatu bahan dapat digambarkan dalam kurva perbandingan B – H.

Gambar 2.1 Kurva Perbandingan B – H dari berbagai bahan

2.2.2. Hukum Ampere

Hukum Ampere menyatakan bahwa untuk setiap pola loop tertutup, jumlah total panjang elemen-elemen medan magnet dalam arah panjang elemen itu sama dengan permeabilitas arus listrik yang melingkupi loop tersebut.

Gambar 2.2 Hukum Ampere

(2.5) ∮ ⃗. ⃗ =

Dengan : = Arus listrik (ampere)

= Kerapatan fluks medan magnet (tesla)

Keliling lingkaran (m) ∮ ⃗ =

= Permeabilitas ruang = 4 x 10-7 Tm/A μ0

2.3. Macam-Macam Magnet

Berdasarkan sifat kemagnetannya magnet dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu:

2.3.1. Magnet Permanen

Magnet permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnet yang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut magnet alam karena memiliki sifat kemagnetan yang tetap. Magnet permanen dibuat orang dalam berbagai bentuk dan dapat dibedakan menurut jenis bahannya menjadi:

2.3.1.1. Neodymium Magnets

Magnet neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah jarang, terbuat dari campuran logam neodymium. Tetragonal

Nd Fe B memiliki struktur kristal yang sangat tinggi uniaksial anisotropi

magnetocrystalline (HA ~ 7 teslas ). Senyawa ini memberikan potensi untuk memiliki tinggi koersivitas (yaitu, ketahanan mengalami kerusakan magnetik).

Sinter Nd Fe B cenderung rentan terhadap korosi. Secara khusus, korosi

sekecil apapun dapat menyebabkan kerusakan magnet sinter. Masalah ini dibahas dalam banyak produk komersial dengan menyediakan lapisan pelindung. Pelapisan nikel atau dua pelapisan tembaga berlapis nikel digunakan sebagai metode standar, meskipun pelapisan dengan logam lainnya atau polimer dan lapisan pelindung pernis juga digunakan.

2.3.1.2. Samarium-Cobalt Magnets

Magnet Samarium-Cobalt adalah salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan kobalt. Mereka dikembangkan pada awal tahun 1970. Mereka umumnya-terkuat kedua jenis magnet dibuat, kurang kuat dari magnet neodymium , tetapi memiliki peringkat temperatur yang lebih tinggi dan lebih tinggi koersivitas. Mereka rapuh, dan rawan terhadap retak dan chipping. Samarium- kobalt magnet memiliki produk-produk energi maksimum (BH max) yang berkisar dari 16 oersteds megagauss-(MGOe) menjadi 32 MGOe; batas teoretis mereka adalah 34 MGOe. Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alat-alat elektronik seperti VCD, DVD, VCR Player, Handphone, dan lain-lain.

2.3.1.3. Ceramic Magnets

Ferrites adalah senyawa kimia yang terdiri dari keramik bahan dengan besi (III) oksida (Fe O ) sebagai komponen utama. Bahan ini digunakan untuk membuat

magnet permanen, seperti core ferit untuk transformator, dan berbagai aplikasi lain. Ferit keras banyak digunakan dalam komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil, pengeras suara (loud speaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver ,circulator , dan rice cooker.

2.3.1.4.Plastic Magnets

Fleksibel (Karet) magnet dibuat dengan mencampur ferit atau bubuk Neodymium magnet dan pengikat karet sintetis atau alami. Fleksibel (Karet) magnet dibuat dengan menggulung atau metode ekstrusi. Magnet plastik dibuat karena keuntungan dari magnet ini fleksibilitas, biaya rendah, dan kemudahan dalam penggunaan.

Magnet plastik biasanya diproduksi dalam bentuk lembaran strip atau yang banyak digunakan dalam mikro-motor, gasket dan lain-lain. Ferit bahan fleksibel berbasis sering dilaminasi dengan vinil dicetak putih atau berwarna.

2.3.1.5.Alnico Magnets

Alinco magnet adalah magnet paduan yang mengandung Alumunium (Al), Nikel (Ni), Cobalt (Co). Karena dari tiga unsur tersebut magnet ini sering disebut Alinco. Sebenarnya magnet alinco ini tidak hanya mengandung ketiga unsur saja melainkan ada beberapa unsur mengandung besi dan tembaga, tetapi kandungan besi dan tembaga tersebut relative sedikit. Alinco magnet dikembangkan pada tahun 1930-an dengan metode sintering atau lebih umum disebut metode casting.

Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alat-alat motor (kipas angin, speaker, mesin motor). Magnet ini juga sering dijumpai dalam lab sekolahan bahkan dapat ditemukan pada sepatu kuda yang berfungsi untuk meningkatkan daya lari kuda. Magnet ini adalah magnet yang masih termasuk kategori berenergi rendah.

2.3.2. Magnet Tidak Tetap

Magnet tidak tetap (remanen) adalah suatu bahan yang hanya dapat menghasilkan medan magnet yang bersifat sementara. Medan magnet remanen dihasilkan dengan cara mengalirkan arus listrik atau digosok-gosokkan dengan magnet alam. Bila suatu bahan pengantar dialiri arus listrik, besarnya medan magnet yang dihasilkan tergantung pada besar arus listrik yang dialirkan. Medan magnet

remanen yang digunakan digunakan dalam praktek kebanyakan dihasilkan oleh arus oleh arus dalam kumparan yang berinti besi. berinti besi. Agar medan magnet yang dihasilkan cukup an cukup kuat, kumparan diisi dengan besi dengan besi atau bahan sejenis besi dan sistem ini dinamakan sistem ini dinamakan elektromagnet. Keuntungan Keuntungan elektromagnet adalah bahwa kemagnetannya kemagnetannya dapat dibuat sangat kuat, tergantung kuat, tergantung dengan arus yang dialirkan dan kemagne kemagnetannya dapat dihilangkan dengan n dengan memutuskan arus listriknya.

2.3.3. Magnet Buatan Magnet Buatan

Magnet buatan meliputi meliputi hampir seluruh magnet yang ada sekarang ini. sekarang ini. Bentuk magnet buatan antara lain antara lain : Magnet silinder, magnet batang , magnet magnet jarum, magnet U, magnet ladam dan magnet keping gnet ladam dan magnet keping

2.4. Jenis Magnet Permanen Magnet Permanen

Produk magnet permanen a permanen ada dua macam berdasarkan teknik pembuatannya yait pembuatannya yaitu magnet permanen isotropi dan magnet permanen anisotropi. n isotropi dan magnet permanen anisotropi.

Gambar 2.3 Arah partikel pada m Arah partikel pada magnet isotropi dan anisoropi (Masno sotropi dan anisoropi (Masno

G,dkk, 2006) Magnet permanen permanen isotropi adalah dimana pada proses pembentuk pembentukan arah domain magnet partikel partikel-partikelnya masih acak, sedangkan anisotropi anisotropi magnet pada pembentukkannya dilakukan pembentukkannya dilakukan di dalam medan magnet sehingga arah sehingga arah domain magnet partikel-partikelnya partikelnya mengarah pada satu arah tertentu seperti ditunjukkan seperti ditunjukkan pada gambar 2.7 Untuk Untuk membedakan isotropi dan anisotropi. Magnet permanen Magnet permanen isotropi memiliki sifat magnet sifat magnet atau remanensi magnet yang jauh yang uh yang lebih rendah dibandingkan magnet permanen anis bandingkan magnet permanen anisotropi. (Handoko & Manaf, 2007) , 2007)

2.5. Klasifikasi Material Magnetik

Material magnetik adalah material yang mempunyai sifat magnetik. Sifat magnetik adalah fenomena suatu bahan menarik atau menolak material lain yang berada di dekatnya. Berdasarkan nilai suseptibilitas material magnetik dibedakan menjadi 3 yaitu diamagnetik, paramagnetik, dan ferromagnetik.

2.5.1. Diamagnetik Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing- masing atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol (Halliday & Resnick, 1989). Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan magnet luar tersebut.

Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron. Karena atom mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya. Permeabilitas bahan ini:

X > 0. Nilai bahan

m = dengan suseptibilitas magnetik bahan:

3 diamagnetik mempunyai orde -10 m /kg. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng.

2.5.2. Paramagnetik

Material paramagnetik mempunyai nilai suseptibilitas positif di mana magnetisasi M paralel dengan medan luar. Material yang termasuk dalam paramagnetik adalah logam transisi dan ion logam tanah jarang (rare-earth ions). Ion-ion ini mempunyai kulit atom yang tidak terisi penuh yang berisi momen magnet permanen. Momen magnet permanen terjadi karena adanya gerak orbital dan elektron (Omar, 1975). Setiap elektron berperilaku seperti magnet kecil yang pada

medan magnet memiliki salah satu orientasi yaitu searah atau berlawanan arah dengan medan magnet tergantung dengan arah spin elektron (Smallman, 2000). Ketika tidak ada medan luar orientasi momen magnet acak, tetapi ketika medan luar diterapkan maka orientasi momen magnetik sebagian mengarah ke medan luar.

(a) Tanpa adanya medan luar, (b) Dengan adanya medan luar (Sclater,1999)

Dalam bahan ini hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga bahan ini sedikit menarik garis-garis gaya. Dalam bahan paramagnetik, medanB yang dihasilkan akan lebih besar dibanding dengan nilainya dalam hampa udara. Suseptibilitas magnet dari bahan paramagnetik adalah positif dan berada dalam rentang 10-5 sampai 10-

3 m3/Kg, sedangkan permeabilitasnya adalah μ > μ 0. Contoh bahan paramagnetik : alumunium, magnesium dan wolfram.

2.5.3. Ferromagnetik

Ferromagnetik adalah fenomena magnetisasi spontan tanpa adanya medan magnetik pengimbas. Material ferromagnetik mempunyai momen dipol magnet yang sangat kuat yang berasal dari spin elektron. Pada logam ferromagnetik terjadi pengarahan spin elektron secara spontan karena adanya interaksi yang kuat meski tidak diterapkan medan luar. Contoh dari material ferromagnetik adalah besi, nikel, cobalt. Tanpa adanya medan luar orientasi domain adalah acak sehingga secara makroskopik jumlah magnetisasinya adalah nol. Domain adalah daerah dengan momen dipol magnet yang sama. Penerapan medan magnetik membuat domain dengan orientasi yang diutamakan tumbuh dengan mendesak domain yang lain oleh migrasi batas domain sehingga seluruh specimen

mengalami magnetisasi (Smallman, 2000 ). Struktur domain dalam material ferromagnetik dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.5 Struktur domain dalam material ferromagnetik, tanda panah menunjukkan arah magnetisasi. (a ) Magnetisasi adalah nol , ( b ) Penerapan

magnetisasi mengubah arahbeberapa domain. ( Christman, 1988 ) Bahan ini juga mempunyai sifat remanensi, artinya bahwa setelah medan magnet luar dihilangkan, akan tetap memiliki medan magnet, karena itu bahan ini sangat baik sebagai sumber magnet permanen. Permeabilitas bahan : dengan suseptibilitas bahan : . Contoh bahan ferromagnetik : besi, baja. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik akan hilang pada temperatur Currie. Temperatur Currie

o o

untuk besi lemah adalah 770 C dan untuk baja adalah 1043 C. Gambar skematik kurva B vs H dari paramagnetik, diamagnetik dan ferromagnetic diperlihatkan pada gambar 2.11.

Gambar 2.6 skematik dari densitas flux B vs Kuat medan H untuk diamagnetik, paramagnetik, dan ferromagetik (Miftahul Anwar, 2006)

Nilai magnetisasi material magnetik tergantung pada besar medan magnet luar yang diberikan. Magnetisasi mencapai nilai maksimum jika momen magnetik atom seluruhnya sudah sejajar. Nilai maksimum ini disebut magnetisasi jenuh (Ms) (Omar, 1975). Keadaan semua spin elektron terarahkan sepenuhnya hanya mungkin terjadi pada suhu rendah. Apabila temperatur dinaikkan maka magnetisasi jenuh berkurang, mula-mula turun perlahan kemudian bertambah dengan cepat hingga mencapai temperatur kritis yang disebut temperatur Curie (Tc). Di atas temperatur Curie specimen tidak bersifat ferromagnetik tetapi berubah menjadi paramagnetik (Smallman, 2000).

Ketika medan magnet diterapkan pada material ferromagnetik maka batas domain bergerak sehingga menyebabkan domain yang mempunyai magnetik acak searah dengan medan menjadi lebih besar dan domain yang berlawanan arah menjadi lebih kecil. Hubungan antara magnetisasi M induksi magnetik B dan besar medan magnetik H adalah (Christman, 1988):

(2.6)

B = μ ( H+M )

Persamaan di atas dapat ditunjukkan pada Gambar 2.5. Nilai H dan B positif menggambarkan arah medan searah, sedangkan nilai negatif menunjukkan medan berlawanan arah.

Gambar 2.5 Kurva histerisis (Christman, 1988)Gambar 2.7 Kurva histerisis (Christman, 1988)

Pada kondisi awal magnetisasi adalah nol. Saat medan dinaikkan pada arah positif

B bergerak dari 0

→1 →2, sedangkan ketika medan turun B akan bergerak dari

2 →3 → 4. Hc adalah medan koersif yaitu gaya koersif yang harus diterapkan pada arah berlawanan untuk membawa B menjadi nol dan Br adalah magnetisasi residual yaitu nilai B saat H nol. Berdasarkan sifat magnetisasinya material magnetik dibedakan menjadi 2 :

1. Magnet lunak (soft magnetic material) yaitu material yang sifat magnetnya sementara. Material soft magnetik mudah mengalami magnetisasi dan demagnetisasi. Bentuk kurva hysterisis material soft magnetik pipih karena energi yang hilang saat proses magnetisasi rendah sehingga

2. Magnet keras (hard magnetic material) yaitu material yang sifat magnetnya permanen. Bentuk kurvanya cembung karena energi yang hilang pada saat magnetisasi tinggi.

Gambar 2.8 histeris material magnet (a) Material magnet lunak, (b) Material

Magnet keras Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak pada gambar (a) dan material magnetic keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual B , yang disebut residual remanen, dan diperlukan medan magnet H yang

r c

disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.12 Nilai H yang rendah sudah memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan _c medan H yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di demagnetisasi.

2 Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m ) merupakan

energi per satuan volume, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai dapat diabaikan; medan magnet keras memerlukan energi lebih banyak sehingga pada kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan. Dikatakan, magnetisasi permanen.

2.6. Perkembangan Magnet

Pada awalnya magnet terbuat dari baja keras dan berbagai alloy misal ALNICO dari paduan logam Al dan Ni, kemudian berkembang menjadi terbuat dari keramik atau ferit dari oksida-oksida logam misalnya feroxdure SrFe O dan

19 Barium Ferrrite BrFe O , magnet-magnet ini relatif memiliki energi produk

yang rendah. Magnet NdFeB adalah material magnet permanen generasi ketiga yang terbuat dari tanah jarang memiliki energi produk yang besar, sudah menjadi bagian yang penting dalam kehidupan sehari-hari manusia.

Magnet NdFeB ini banyak diaplikasikan pada berbagai peralatan seperti motor listrik, speaker, CD player, oven microwave. Aplikasi lain dari komponen magnet juga banyak dijumpai pada peralatan intrumentasi, peralatan produksi dan pada laboratorium penelitian. Akan tetapi kontribusi magnet sering diabaikan karena komponen ini sudah tertanam di dalam suatu perangkat dan tidak terlihat. Pada kenyataannya kebutuhan akan komponen ini menjadi sangat beragam tergantung kepada kegunaan dan fungsi suatu perangkat. Secara umum, kebutuhan

akan komponen magnet dibedakan berdasarkan bentuk, dimensi dan kuat medannya. NdFeB dikenal sebagai magnet tanah jarang karena komposisi materialnya tersusun dari unsur-unsur tanah jarang. NdFeB memiliki sifat korosif dan energi produk yang maksimum (Tony K dkk,2013).

Di Indonesia, energi baru dan terbaru juga menjadi prioritas bidang energi untuk menggantikan energi yang berasal dari bahan fosil seperti BBM dan batubara. Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTAg) menjadi salah satu bidang energi yang sedang dikembangkan terutama di Indonesia bagian timur sebagai lumbung angin di Indonesia. Dalam sebuah sistem pembangkit listrik, generator magnet permanen. Fungsi magnet pada generator adalah untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Magnet adalah sumber energi lain yang sering dilupakan orang, padahal energi yang dihasilkan cukup tinggi dan tanpa efek pencemaran lingkungan. Sampai saat ini, kebutuhan magnet selalu diimport dari manca negara untuk berbagai kebutuhan komponen elektronik salah satunya generator.(Nanang dan Toni , 2013)

Karakteristik magnet permanen yang paling tinggi saat ini adalah Neodymium Iron Boron (NdFeB), yang memiliki nilai produk energi maksimum

sampai dengan 400 kJm . Sedangkan NdFeB bonded memiliki nilai produk

energy mak-simum sampai dengan 200 kJm

2.7. Neodymium Iron Boron( Nd Fe

14 Pada tahun 1980 ditemukan magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) dengan

kekuatan yang tinggi, dan mulai dikomersilkan sejak November 1984. NdFeB adalah material magnetik jenis permanen rare earth (tanah jarang), karena terbentuk oleh 2 atom dari suatu unsur tanah jarang neodymium (Nd), 14 atom besi (Fe) dan 1 atom boron (B), sehingga rumus molekul yang terbentuk adalah Nd Fe .

Karakteristik magnet yang dimiliki NdFeB lebih baik bila dibandingkan dengan magnet permanen lainnya, seperti Ferit, Alnico dan Samarium Cobalt. BH yang dimiliki dapat berkisar antara 30 MGOe sampai dengan 52 MGOe.

max

Karena memiliki karakteristik magnet yang tinggi, maka dalam aplikasinya magnet NdFeB memiliki dimensi dan volume yang kecil. Dalam beberapa aplikasi, magnet ini juga dapat menggantikan penggunaan magnet Samarium

o Cobalt, khususnya penggunaan pada suhu kurang dari 80

C. (Irasari & Idayanti, 2007).

Beberapa bahan magnet permanen dengan sifat karakteristik diperlihatkan

Tabel 2.1 Perbandingan karakteristik magnet permanen

Induksi Koersifitas Energi produk Material Remanen (Hc) (BH max ) ₃ (Br) (Tesla) (MA/m) (kJ/m ) Sr Ferit 0,43 0,20

34 Alnico 5 1,27 0,05

44 Alnico 9 1,05 0,12

84 SmCo 0,95 1,30 176 ₅ Sm Co 1,05 1,30 208 ₂ ₁₇ Nd Fe B 1,36 1,03 350 ₂ ₁₄ Neodymium Iron Boron (Nd Fe

B) merupakan bahan magnet permanen

yang memiliki medan anisotropi dan energi produk yang sangat tinggi. Susunan atom-atom Nd Fe B berbentuk struktur ferromagnetik tetragonal diperlihatkan

14 pada Gambar 2.13 sebagai berikut.

Gambar 2.9 Struktur kristal Nd Fe B (Novriati & Dedi, 2006)

14 Struktur Kristal Nd Fe B tetragonal memiliki anisotropi sangat tinggi

magnetokristallin uniaksial (HA ~ 7 teslas). Senyawa ini memberikan potensi untuk memiliki koersivitas tinggi (yaitu, perlawanan menjadi demagnetized). Senyawa ini juga memiliki magnetisasi saturasi tinggi (JS ~ 1,6 T atau 16 kg). Dalam prakteknya, sifat magnetik dari magnet neodymium bergantung pada komposisi paduan, struktur mikro, dan teknik manufaktur yang digunakan. Sel satuan NdFeB memiliki struktur kristal tetragonal yang kompleks. Terdiri 68 atom. Ada 6 atom besi pada sisi yang berbeda, 2 atom Nd dan B bersama dengan 4 atom Fe akan membentuk jaringan heksagonal. Setiap atom boron menempati tengah prisma tetragonal, yang dibentuk oleh 3 atom oksigen diatas dan dibawah bidang. Pada setiap lapisan bidang Fe pada atas dan bawah bidang terdapat Nd dan B yang dapat menstabilkan struktur ini. (Idayanti & Dedi, 2006)

Berdasarkan keunggulan dari bahan ini, maka bahan ini menjadi pioneer untuk diaplikasikan pada peralatan elektronik, motor listrik/generator, sensor, industri otomotif, industri petrokimia dan produk peralatan kesehatan. Namun magnet permanen berbasis logam tanah jarang (rare earth) ini juga memiliki

beberapa kekurangan, yaitu suhu curie relatif rendah sekitar 200-300

C, sehingga sulit untuk diaplikasikan pada suhu tinggi. Bahan ini juga memiliki ketahanan korosi yang relatif rendah sehingga dalam aplikasinya diperlukan surface treatment melalui coating atau pelapisan.

NdFeB magnet memiliki produk energi tertinggi dari setiap bahan magnet permanen yang pernah dikembangkan, tetapi peka terhadap suhu dan korosif lingkungan kerja. Magnet NdFeB juga tergantung pada suhu dan komposisi lingkungan, serangan terhadap magnet mungkin terjadi oleh oksidasi langsung di udara atau melalui elektrolit berair. Secara umum, tingkat oksidasi di udara rendah pada suhu di bawah 150 ° C. Modifikasi dalam komposisi paduan, dengan mengganti beberapa besi dengan kobalt atau vanadium, memiliki efek positif pada ketahanan korosi. Dalam penggunaanya selalu dilakukan pelapisan dengan nikel, tembaga dan seng. (Cygan & McNallan, 1994)

Gambar 2.10 Magnet Hasil Coating/Pelapisan

Sifat fisik magnet NdFeB adalah dapat kita lihat seperti tabel berikut ini :

Tabel 2.2 Sifat Fisik Magnet NdFeB (Novriati & Dedi, 2006)

Specified SI o

Curie Temperature 310 – 370 C

Maksimum Operating Temperature 80 – 200 C Resistivity 160

ߤ ohm.cm Hardness 560 – 580 Hv

3 Density 7,40 g/cm

Relative recoil permeability 1,05

rec

Saturation field Strength 30 – 40 kOe

Temperature Coefficient of Br -0,12 ~ - 10 %/ C

Temperature Coefficient of iHc -0,6 %/ C

2.8. Pembuatan Magnet

Pada saat ini, magnet NdFeB (Neodymium Ferum Boron) jenis permanen logam tanah jarang (rare earth) dikenal sebagai magnet yang memiliki kekuatan tinggi. Umumnya pembuatan magnet ini dilakukan dengan teknik sintering dan teknik compression bonded.

2.8.1. Sintered Magnet

Sintering adalah salah satu tahapan metodologi yang sangat penting dalam ilmu bahan, terutama untuk bahan keramik. Selama sintering terdapat dua fenomena utama yaitu : pertama adalah penyusutan (shrinkage) yaitu proses eliminasi porositas dan yang kedua adalah pertumbuhan butiran. Fenomena yang pertama dominan selama pemadatan belum mencapai kejenuhan, sedang kedua akan dominan setelah pemadatan mencapai kejenuhan. Parameter sintering diantaranya adalah : temperatur, waktu penahanan, kecepatan pendinginan, kecepatan pemanasan dan atmosfir.

Gambar 2.11 Magnet Hasil Sintered

Sintering biasanya digunakan pada sampel pada temperatur tinggi. Dalam terminologi teknik istilah sintering digunakan untuk menyatakan fenomena yang terjadi pada produk bahan, padat dibuat dari bubuk, baik logam / non logam. Sebuah kumpulan partikel dengan ukuran yang tepat (biasanya diameter beberapa mikro atau lebih kecil) dipanaskan sampai suhu antara ½ dan ¾ titik leleh, ini dalam orde menit selama perlakuan ini partikel-partikel tergabung bersama-sama.

Dari segi cairan, sintering dapat menjadi dua yaitu : sintering fasa padat dan sintering fasa cair. Sintering dengan fasa padat adalah sintering yang dilaksanakan pada suatu temperatur yang telah ditentukan, dimana dalam bahan transport massa. Jika dua partikel digabung dan dipanaskan pada suhu tertentu, dua partikel ini akan berikatan bersama-sama dan akan membentuk neck. Pertumbuhan disebabkan oleh transport yang meliputi evaporasi, kondensasi, difusi.

Setelah dilakukan proses sintering terhadap sample yang sebelumnya telah dilakukan proses kompaksi maka ikatan antar serbuk akan semakin kuat. Meningkatnya ikatan setelah proses sintering ini disebabkan timbulnya liquid bridge (necking) sehingga porositas berkurang dan bahan menjadi lebih kompak. Dalam hal ini ukuran serbuk juga berpengaruh terhadap kompaktibilitas bahan, semakin kecil ukuran serbuk maka porositas kecil dan luas kontak permukaan antar butir semakin luas.

2.8.2. Bonded Magnet

Proses pembuatan bonded magnet dilakukan dengan mencampurkan serbuk magnet permanen dengan binder. Binder yang banyak digunakan adalah berupa polimer, seperti epoxy resin. Kelebihan proses bonded ini adalah mudah dibentuk, dan menggunakan suhu rendah dalam prosesnya.

2.8.2.1.Pencampuran Bahan Baku

Magnet bonded NdFeB adalah magnet yang dibuat dengan cara mencampurkan bahan serbuk magnet permanen dengan polimer sebagai pengikatnya. Metode pencampuran dengan bahan polimer terbagi 2 yaitu, menggunakan bahan polimer cair dan serbuk (Idayanti,dkk, 2007). Pencampuran bahan magnetik Nd-Fe-B dengan bahan polimer sebagai media perekat untuk menghasilkan magnet permanen berperekat atau bonded permanent magnets yang memiliki aplikasi luas pada berbagai produk teknologi.

Selain itu bahan polimer berperekat juga akan menghasilkan kekuatan magnet Nd-Fe-B berperekat dibandingkan dengan magnet permanen yang lain adalah fisiknya yang dapat dengan mudah dibentuk dan mampu beradaptasi dengan bentuk-bentuk yang rumit serta bahan utamanya adalah besi (Fe) murah dan berlimpah. Dengan perkataan lain, magnet Nd-Fe-B berperekat sanggup memenuhi baik "cost effective" dalam proses fabrikasi maupun "volume effective" dalam produk teknologi.

Namun sifat kemagnetan magnet permanen berperekat umumnya lebih rendah dibandingkan dengan sifat kemagnetan bahan magnet permanen itu sendiri oleh karena adanya penambahan bahan non-magnetik sebagai perekat pada magnet. Makin besar jumlah bahan non-magnetik untuk setiap satuan volume magnet berperekat makin besar pula penurunan sifat kemagnetan tersebut. Penurunan sifat kemagnetan itu tidak saja ditentukan oleh jumlah bahan magnetik pada magnet tetapi faktor preparasi magnet berperekat ikut menentukan sifat kemagnetannya. (Manaf & Nugroho)

2.8.2.2.Proses Kompaksi

Penekanan adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan. Terdapat beberapa metode penekanan, diantaranya, penekanan dingin (cold compaction) dan penekanan panas (hot compaction). Penekanan terhadap

serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu dengan lainnya sebelum ditingkatkan ikatannya dengan proses sintering. Dalam proses pembuatan suatu paduan dengan metode metalurgi serbuk, terikatnya serbuk sebagai akibat adanya interlocking antar permukaan, interaksi adesi-kohesi, dan difusi antar permukaan.

Gambar 2.12 Magnet bonded NdFeB (Tony & Nanang, 2013)

2.8.2.3. Heat Treatment

Heat treatnent adalah proses pemanasan dan pendinginan material yang terkontrol

dengan maksud merubah sifat fisik dari material tersebut. Proses Heat Treatment akan menyebabkan perubahan struktur-struktur suatu material yang mulanya masih mengumpul menjadi terurai sehingga menjadi lebih keras, ulet dan tangguh. Secara umum proses Heat Treatment adalah sebagai berikut:

1. Pemanasan material sampai suhu tertentu,

2. Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu (holding time) sehingga temperaturnya merata,

3. Pendinginan dengan metode media pendingin (air, oli atau udara).

2.9. Karakterisasi

2.9.1. Densitas

Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material atau sering didefinisikan sebagai perbandingan antara massa (m) dengan volume (v) dalam hubungannya dapat dituliskan sebagai berikut (M M. Ristic, 1979):

= (2.7) Dimana:

= Densitas (gram/cm3) ρ m = Massa sampel (gram) v = Volume sampel (cm3) Dalam pelaksanaannya kadang-kadang sampel yang diukur mempunyai ukuran bentuk yang tidak teratur sehingga untuk menentukan volumenya menjadi sulit, akibatnya nilai kerapatan yang diperoleh tidak akurat. Untuk menentukan rapat massa (bulk density) dari suatu bahan mengacu pada standar (ASTM C 373). Oleh karena itu untuk menghitung nilai densitas suatu material yang memiliki bentuk yang tidak teratur (bulk density) digunakan metode Archimedes yang persamaannya sebagai berikut:

Densitas = (2.8)

) (

Dimana: Mkw = massa kawat penggantung sampel (gram) Mb = massa sampel setelah direbus dalam air selama 3-5 jam (gram).

Mg = massa sampel digantung dalam air (gram). Mk = massa sampel kering setelah dilakukan pengeringan dalam oven

dengan suhu 100 C selama 1 jam, hal ini dilakukan sampai beberapa kali pengulangan hingga massanya konstan (gram).

2.9.2. Analisa Mikrostruktur Dengan Menggunakan SEM

SEM merupakan suatu mikroskop elektron yang mampu untuk menghasilkan gambar beresolusi tinggi dari sebuah permukaan sampel. Gambar yang dihasilkan oleh SEM memiliki karakteristik penampilan tiga dimensi, dan dapat digunakan untuk menentukan struktur permukaan dari sampel. Hasil gambar dari SEM hanya ditampilkan dalam warna hitam putih. SEM menerapkan prinsip difraksi elektron, dimana pengukurannya sama seperti mikroskop optik. Prinsipnya adalah elektron yang ditembakkan akan dibelokkan oleh lensa elektromagnetik dalam SEM. SEM menggunakan suatu sumber elektron berupa pemicu elektron (electrongun)

Elektron-elektron ini akan diemisikan secara termionik (emisi elektron dengan membutuhkan kalor, sehingga dilakukan pada temperatur yang tinggi) dari sumber elektron. Elektron-elektron yang dihasilkan adalah elektron berenergi tinggi, yang biasanya memiliki energy berkisar 20 keV-200 keV atau sampai 1 MeV. Dalam prinsip pengukuran ini dikenal dua jenis elektron, yaitu elektron primer dan elektron sekunder. Elektron primer adalah elektron berenergi tinggi yang dipancarkan dari katoda (Pt, Ni, W) yang dipanaskan. Katoda yang biasa digunakan adalah tungsten (W) atau lanthanum hexaboride (LaB6). Tungsten digunakan karena memiliki titik lebur yang paling tinggi dan tekanan uap yang paling rendah, sehingga memungkinkannya dipanaskan pada temperatur tinggi untuk emisi elektron. Elektron sekunder adalah elektron berenergi rendah, yang dibebaskan oleh atom pada permukaan. Atom akan membebaskan elektron sekunder setelah ditembakkan oleh elektron primer Elektron sekunder inilah yang akan ditangkap oleh detektor, dan mengubah sinyal tersebut menjadi suatu sinyal gambar.

Gambar 2.13 Skema Prinsip Kerja SEM (www.ammrf.org.au) dijelaskan sebagai berikut. Sinar elektron, yang biasanya memiliki energi berkisar

dari beberapa ribu eV hingga 50 kV, difokuskan oleh satu atau dua lensa condenser menjadi sebuah sinar dengan spot focal yang sangat baik berukuran 1 nm hingga 5

μm. Sinar tersebut melewatibeberapa pasang gulungan pemindai (scanning coils) di dalam lensa obyektif, yang akan membelokkan sinar itu dengan gaya raster di atas area berbentuk persegi dari permukaan sampel. Selagi elektron-elektron primer mengenai permukaan, mereka dipancarkan secara inelastis oleh atom-atom di dalam sampel. Melalui kejadian penghamburan ini, sinar elektron primer menyebar secara efektif dan mengisi volume berbentuk air mata, yang dikenal sebagai volume interaksi, memanjang dari kurang dari 100 nm hingga sekitar 5 nm ke permukaan. Interaksi di dalam wilayah ini mengakibatkan terjadinya emisi elektron sekunder, yang kemudian dideteksi untuk menghasilkan sebuah gambar.

Elektron-elektron sekunder akan ditangkap oleh detektor, dan mengubah sinyal tersebut menjadi suatu sinyal gambar. Kekuatan cahaya tergantung pada jumlah elektron-elektron sekunder yang mencapai detektor. Bagian terpenting dari SEM adalah apa yang disebut sebagai kolom electron (elektron column) yang memiliki piranti-piranti sebagai berikut:

1. Pembangkit elektron (elektron gun) dengan filamen sebagai pengemisi elektron atau disebut juga sumber iluminasi.

2. Sebuah system lensa electromagnet yang dapat dimuati untuk dapat memfokuskan atau mereduksi berkas elektron yang dihasilkan filamen ke diameter yang sangat kecil.

3. Sebuah sistem perambah (scan) untuk menggerakan berkas electron terfokus tadi pada permukaan spesimen.

4. Satu atau lebih system deteksi untuk mengumpulkan hasil interaksi antaramberkas elektron dengan spesimen dan merubahnya ke signal listrik.

5. Sebuah konektor ke pompa vakum.

Untuk SEM, signal yang sangat penting adalah electron sekunder dan electron terpantul karena kedua signal ini bervariasi sebagai akibat dari perbedaan topografi permukaan manakala berkas electron tersebut menyapu permukaan sampel. Emisi elektron sekunder terkungkung pada volume di sekitar permukaan di mana berkas elektron menumbuk, sehingga memberikan bayangan dengan resolusi yang relatif tinggi.

2.9.3. Analisa Struktur Kristal Dengan Difraksi Sinar-X

X-Ray Diffractometer adalah alat yang dapat memberikan data-data difraksi dan kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut difraksi (2 θ) dari suatu bahan.

Tujuan dilakukannya pengujian analisis struktur kristal adalah untuk mengetahui perubahan fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pembuatan sampel uji. Tahap pertama yang dilakukan dalam analisa sinar-X adalah melakukan analisa pemeriksaan terhadap sampel x yang belum diketahui strukturya. Sampel ditempatkan pada titik focus hamburan sinar- X yaitu tepat ditengah-tengah plate yang digunakan sebagai tempat yaitu sebuah plat tipis yang berlubang ditengah berukuran sesuai dengan sampel (pellet) dengan perekat pada sisi baliknya. (Sholihah & Zainuri, 2012).

Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif (menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi inilah yang digunakan untuk analisis.Difraksi sinar X hanya akan terjadi pada sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu. Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel standar.

Di dalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan sinar –X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller. Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga jika disinari dengan sinar –X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram yang khas pula. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncakpuncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut dengan database ICDD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program RIETAN (Rietan hanya salah satu tool saja dan ada tool-tool yang lain). Melalui refinement tersebut, fase beserta sruktur, space group, dan parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui.

2.9.4. Analisa Partikel Dengan PSA ( Partikel Size Analizer)

Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk mengetahui ukuran suatu partikel yaitu:

1. Metode ayakan (Sieve analyses)

2. Laser Diffraction (LAS)

3. Metode sedimentasi

4. Electronical Zone Sensing (EZS)

5. Analisa gambar (mikrografi)

6. Metode kromatografi

7. Ukuran aerosol submikron dan perhitungan

Sieve analyses (analisis ayakan) dalam dunia farmasi sering kali digunakan

dalam bidang mikromeritik. Yaitu ilmu (bagaimana konektifitas antara kalimat sebelum dan sesudah) yang mempelajari tentang ilmu dan teknologi partikel kecil. Metode yang paling umum digunakan adalah analisa gambar (mikrografi). Metode ini meliputi metode mikroskopi dan metode holografi. Seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan yang lebih mengarah ke era nanoteknologi, lebih akurat untuk bila dibandingkan dengan metode analisa gambar maupun metode ayakan (sieve analyses), terutama untuk sample-sampel dalam orde nanometer maupun submicron.

2.9.5. VSM (Vibrating Sample Magnetometer)

Vibrating Sample Magnetometer (VSM) merupakan salah satu jenis peralatan

yang digunakan untuk mempelajari sifat magnetik bahan. Dengan alat ini akan dapat diperoleh informasi mengenai besaran-besaran sifat magnetik sebagai akibat perubahan medan magnet luar yang digambarkan dalam kurva histeresis, sifat magnetik bahan sebagai akibat perubahan suhu, dan sifat-sifat magnetik sebagai fungsi sudut pengukuran atau kondisi anisotropik bahan.

Salah satu keistimewaan VSM adalah merupakan vibrator elektrodinamik yang dikontrol menggunakan arus balik. Sampel dimagnetisasi dengan medan magnet homogen. Jika sampel bersifat magnetik, maka medan magnet akan memagnetisasi sampel dengan meluruskan domain magnet. Momen dipol magnet sampel akan menciptakan medan magnet di sekitar sampel, yang biasa disebut

magnetic stray field. Ketika sampel bergetar, magnetic stray field dapat ditangkap

oleh coil. Medan magnet tersebar tersebut akan menginduksi medan listrik dalam

coil yang sebanding dengan momen magnetik sampel. Semakin besar momen

magnetik, maka akan menginduksi arus yang makin besar.

Dengan mengukur arus sebagai fungsi medan magnet luar, suhu maupun orientasi sampel, berbagai sifat magnetik bahan dapat dipelajari. Dalam penelitian ini, nilai magnetisasi diukur selain untuk mengetahui kemampuan magnetik nanosfer yang dihasilkan juga untuk mendapatkan informasi komposisi nanosfer. Karakterisasi Sifat Magnetik dengan VSM. Data yang diperoleh dari karakterisasi sifat magnet berupa kurva histeresis dengan sumbu x merupakan medan magnet yang menginduksi sampel dalam satuan Tesla dan sumbu y merupakan magnetisasi sampel dalam satuan emu/gram.

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Magnet Secara Umum - Pengaruh Temperatur Heat Treatment Dan Holding Time Terhadap Sifat Fisis, Mikrostruktur Dan Sifat Magnet Permanen Bonded NdFeB