STUDI SINTESIS BAHAN YSZ (YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA, Y2O3-ZrO2) MELALUI PEMADUAN DENGAN PROSES ULTRASONIK.
STUDI SINTESIS BAHAN YSZ
(
YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA,
Y2O3-ZrO2) MELALUI
PEMADUAN DENGAN PROSES ULTRASONIK
SKRIPSI
GALIH PUTRA DRANTOU MUNGGARAN
0910442034
JURUSAN FISIKA
FAKULTASMATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
(2)
STUDI SINTESIS BAHAN YSZ (Yttria Stabilized Zirconia, Y2O3-ZrO2) MELALUI PEMADUAN DENGAN PROSES ULTRASONIK
ABSTRAK
Telah dilakukan studi sintesis bahan YSZ (Yttria Stabilized Zirconia, Y2O3-ZrO2)
melalui pemaduan dengan proses ultrasonik. Untuk mendapatkan perbandingan
analisis, dilakukan juga sintesis bahan YSZ dengan high energy ball milling dan
penggerusan. Komposisi kimia dari Y2O3:ZrO2 adalah 4,5% mol:95,5% mol
(4,5YSZ) dan 8,0% mol:92% mol (8YSZ). Serbuk yttria dan zirkonia berukuran nano ditambahkan dengan toulene cairan dan kemudian dipadukan dengan
menggunakan ultrasonic probe dengan frekuensi 20 kHz dan amplitudo 39%
selama 10 dan 40 jam. Setelah itu, serbuk hasil pemaduan dikalsinasi pada temperatur 500°C selama 3 jam dan dikompaksi pada tekanan ~100 Mpa, kemudian disintering pada temperatur 1.400°C selama 3 jam. Karakterisasi
berturut-turut dilakukan dengan menggunakan XRD (X-ray Diffraction)
spektroskop , SEM-EDS (Scanning Electron Microscope-Energi dispersif X-ray
spektroskop) dan LCR (Induktansi, Kapasitansi dan Resistance) meter. Hasil penelitian menunjukkan bahwa serbuk hasil pemaduan cukup homogen dengan proses ultrasonik meskipun fasa YSZ belum sepenuhnya terbentuk untuk semua variasi komposisi dan waktu pemaduan. Namun, fasa YSZ telah terbentuk untuk semua sampel pelet YSZ setelah proses sintering meskipun masih teridentifikasi sebagian kecil puncak fasa monoklinik zirkonia. Selain itu, nilai konduktivitas ionik-nya relatif baik. Nilai ini meningkat dengan bertambahnya temperatur dan komposisi yttria sesuai dengan karakteristik ionik pada padatan YSZ. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses ultrasonik untuk memadukan serbuk yttria dan zirkonia dalam sintesis bahan YSZ berpotensi untuk digunakan dan dieksplorasi.
Kata kunci: YSZ, yttria, zirkonia, ultrasonik, high energy ball milling,
(3)
STUDY ON SYNTHESIS OF YSZ (Yttria Stabilized Zirconia, Y2O3-ZrO2) MATERIALS BY ULTRASONIC METHOD FOR MIXING PROCESS
ABSTACT
The synthesis of YSZ (Yttria Stabilized Zirconia, ZrO2-Y2O3) materials by
ultrasonic method for mixing process have been done. In order to have comparison analyses, high energy ball milling and grinding methods for mixing process to syntheses of YSZ materials were also done. The chemical compositions
of Y2O3:ZrO2 were 4.5 mol%:95.5 mol% (4.5YSZ) and 8.0 mol%:92 mol%
(8YSZ). Yttria and zirconia nano-sized powders were added with a liquid toulene
and then mixed using ultrasonic probe with a frequency of 20 khz and amplitude of 39% for 10 and 40 hours. Afterward, the mixed powders were calcined at temperature of 500°C for 3 hours, compacted with pressure of ~100 Mpa, and then sintered at temperature of 1,400°C for 3 hours. Characterizations were done using XRD (X-ray Diffraction) Spectroscope, SEM-EDS (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscope) and LCR (Inductance, Capacitance and Resistance) meter, respectively. The results showed that the powders were mixed quite homogeneous by ultrasonic method process even though YSZ phase has not been fully formed for all the variation of compositions and mixing times. However, the phase of YSZ has been formed for all the YSZ pellets samples after sintering process although small peaks of monoclinic phase of zirconia were still indicated. Furthermore, the ionic conductivity values were relatively good. The values increased with the increasing of temperature and yttria composition which is related to the characteristics of solid state ionics of YSZ. The results showed that the ultrasonic method to mix of yttria and zirconia powders for synthesizing of YSZ materials is potential to be used and explored. Keywords: YSZ, yttria, zirconia, ultrasonic method, high energy ball milling, grinding,
(4)
1
BAB I
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Zirkonium dioksida (ZrO2) atau yang disebut dengan zirkonia adalah
bahan keramik maju yang penting karena memiliki kekuatannya yang tinggi dan titik lebur yang sangat tinggi (2700°C). Selain itu, bahan zirkonia juga memiliki konduktivitas ion oksigen, konduktivitas termal yang rendah, fleksibilitas yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi (Rivai dan Takahashi, 2010). Zirkonia telah
digunakan sebagai pompa oksigen, sensor oksigen, sel bahan bakar (fuel cell),
lapisan penghalang termal (thermal barrier coatings), dan aplikasi suhu tinggi
lainnya (Shackelford dan Doremus, 2008). Beragamnya aplikasi zirkonia ini berkaitan dengan sifat-sifat khusus dan kemampuan yang dimilikinya.
Salah satu aplikasi penting zirkonia yang tengah dikembangkan di PTBIN-BATAN adalah sebagai bahan untuk sensor oksigen. Sensor oksigen diperlukan sebagai perangkat yang dapat memantau konsentrasi oksigen pada sistem nuklir
berpendingin lead alloy seperti pada LFR (Lead alloy-cooled Fast Reactor)
maupun target spalasi pada ADS (Accelerator Driven System). Dengan sifatnya
yang tahan korosi dan kuat secara mekanik di dalam cairan logam berat pada temperatur yang relatif tinggi (Gessi, 2009), zirkonia dipilih sebagai bahan pada pembuatan sensor oksigen. Telah diketahui bahwa timbal cair dan timbal-bismut
(5)
nuklir pada LFR maupun target spalasi pada ADS, tetapi timbal cair dan LBE bersifat korosif untuk baja pada suhu tinggi dan cenderung menyebabkan pembentukan PbO dalam komponen suhu rendah dari sistem (OECD/NEA
Handbook, 2007). Pengaturan kadar konsentrasi oksigen di dalam cairan lead
alloy sangat penting di lakukan pada teras reaktor LFR dan ADS untuk pengendalian korosi dan pencegahan pembentukan oksida timbal. Oleh sebab itu, pengembangan sensor oksigen merupakan salah satu isu utama dalam pengembangan sistem reaktor LFR dan ADS.
Zirkonia murni memiliki struktur yang tidak stabil dalam fungsi temperatur, karena zirkonia murni memiliki tiga macam struktur kristal pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur ruang zirkonia memiliki struktur monoklinik. Pada temperatur yang lebih tinggi (>1000°C) zirkonia memiliki struktur tetragonal dan kubik. Untuk berbagai aplikasi termasuk sensor oksigen
zirkonia digunakan dalam keadaan stabil (stabilized state). Hal ini karena zirkonia
memiliki ketangguhan mekanik yang dimiliki pada fasa tetragonal atau untuk konduktivitas ionik yang tinggi pada fasa kubik (Shackelford dan Doremus, 2008). Untuk proses stabilisasi zirkonia, biasanya zirkonia ditambahkan dengan oksida lain. Bila zirkonia dicampur dengan bahan oksida lain, maka fasa tetragonal dan fasa kubik zirkonia menjadi stabil pada temperatur ruang.
Sensor oksigen adalah aplikasi yang menggunakan konduktivitas yang
sangat tinggi dari zirkonia pada struktur kubik yang distabilkan oleh yttria (Y2O3)
(Shackelford dan Doremus, 2008). Untuk menstabilkan zirkonia pada struktur kubik diperlukan penambahan 6-8% mol yttria (Ramamoorthy, 2003). Zirkonia
(6)
yang telah distabilkan oleh yttria disebut YSZ (Yttria Stabilized Zirconia).
Penambahan yttria pada zirkonia mengakibatkan pergantian beberapa ion Zr4+
dalam kisi zirkonia dengan ion Y3+ (Shakthinathan dkk, 2012). Hal ini
menghasilkan kekosongan oksigen karena tiga ion O2- dari yttria menggantikan
empat ion O2- pada zirkonia. Kondisi ini memungkinkan pergerakan ion-ion O
2-pada temperatur yang cukup untuk menghasilkan energi bagi ion-ion tersebut bergerak.
Pengembangan bahan YSZ telah dilakukan dengan berbagai metode
sintesis dan dikategorikan dalam metode kimia dan metode fisika (solid state
reaction). Metode kimia memiliki beberapa kelebihan antara lain zat yang
disintesis memiliki homogenitas tinggi. Sedangkan metode solid state reaction
memiliki kelebihan yaitu relatif sederhana dalam proses sintesis. Metode ini merupakan metode yang paling banyak digunakan untuk sintesis bahan anorganik dengan mengikuti rute yang hampir universal, yakni melibatkan pemanasan berbagai komponen pada temperatur tinggi selama periode yang relatif lama (Ismunandar, 2006). Selain itu, metode ini menghasilkan material yang lebih murni.
Sintesis bahan YSZ dengan metode solid state reaction secara
konvensional dilakukan melalui pemaduan dengan proses penggerusan
menggunakan agate mortar dan pastel serta ball mill. Metode solid state reaction
dalam sintesis bahan YSZ juga dapat dilakukan melalui proses pemaduan dengan
high energy ball milling (Tonejc dkk., 1999). Proses penggerusan dan high energy ball milling memiliki beberapa kekurangan dalam sintesis bahan YSZ.
(7)
Pada proses pemaduan dengan penggerusan, proses penggerusan harus diulang beberapa kali, jika produk hasil sintesis belum terbentuk sempurna. Sedangkan
pada proses high energy ball milling, kecenderungan terdapatnya pengotor yang
diakibatkan dari benturan bola-bola serta benturan bola dengan wadah milling
(vial). Oleh karena, itu perlu dilakukan pengembangan proses pemaduan lain
dalam sintesis bahan YSZ dengan metode solid state reaction.
Proses ultrasonik merupakan proses yang biasa diterapkan untuk mencampur dan menyebarkan campuran serta memperkecil ukuran partikel. Penggunaan proses ultrasonik pada sintesis bahan YSZ telah dilakukan sebelumnya oleh peneliti lain (Indayaningsih dan Nurhayati, 2006). Namun, proses ultrasonik yang dilakukan hanya untuk mengurangi ukuran diameter partikel serbuk YSZ yang telah disintesis sebelumnya. Proses ultrasonik
memungkinkan terjadinya reaksi solid state (padat-padat) yang diakibatkan
adanya temperatur yang sangat tinggi yang dihasilkan pada proses pemaduan akibat adanya proses kavitasi dalam campuran/larutan. Selain itu, potensi adanya pengotor dari proses pemaduan dengan utrasonik dapat diminimalisasi. Oleh karena itu, proses ultrasonik dapat dikembangkan dan berpotensi dalam sintesis bahan YSZ.
Pada penelitian ini dilakukan sintesis YSZ dengan metode solid state
reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik dan sebagai pembanding terhadap hasil sintesis YSZ, sintesis YSZ juga dilakukan dengan proses pemaduan
lainnya yaitu high energy ball milling dan penggerusan. Penelitian ini merupakan
(8)
untrasonik. Diharapkan dari penelitian ini dapat diperoleh hasil sintesis bahan YSZ yang lebih baik. Sebagai parameter tingkat keberhasilan sintesis, bahan YSZ yang diperoleh dikarakterisasi dari sisi morfologi, struktur mikro, homogenitas komposisi, fasa, maupun konduktivitas ionik.
1.2 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mensintesis bahan YSZ dengan metode
solid state reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik. Bahan hasil sintesis dibandingkan dengan hasil sintesis melalui proses pemaduan lainnya yaitu
high energy ball milling dan penggerusan.
Manfaat dari penelitian ini adalah diperoleh pemahaman dan informasi
tentang proses sintesis YSZ melalui proses pemaduan dengan ultrasonik, high
energy ball milling dan penggerusan. Serta dapat diketahui pengaruh masing-masing proses pemaduan terhadap karakterisasi bahan YSZ hasil sintesis tersebut dengan variasi komposisi dan waktu pemaduan.
1.3 Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian
Penelitian sintesis bahan YSZ dilakukan dengan metode solid state
reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik, high energy ball millling, dan penggerusan dengan memvariasikan komposisi bahan dasar. Variabel
komposisi Y2O3:ZrO2 yang digunakan dalam penelitian ini yaitu, 4,5% mol:95,5%
(9)
waktu pemaduan yaitu 10 jam dan 40 jam dilakukan pada metode ultrasonik dan
high energy ball milling untuk setiap variasi komposisi. Sementara pengulangan penggerusan dilakukan sebanyak 2 kali untuk setiap komposisi pada metode penggerusan. Bahan hasil sintesis kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan XRD, SEM-EDS, dan LCR meter.
(1)
1
BAB I
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Zirkonium dioksida (ZrO2) atau yang disebut dengan zirkonia adalah
bahan keramik maju yang penting karena memiliki kekuatannya yang tinggi dan titik lebur yang sangat tinggi (2700°C). Selain itu, bahan zirkonia juga memiliki konduktivitas ion oksigen, konduktivitas termal yang rendah, fleksibilitas yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi (Rivai dan Takahashi, 2010). Zirkonia telah digunakan sebagai pompa oksigen, sensor oksigen, sel bahan bakar (fuel cell), lapisan penghalang termal (thermal barrier coatings), dan aplikasi suhu tinggi lainnya (Shackelford dan Doremus, 2008). Beragamnya aplikasi zirkonia ini berkaitan dengan sifat-sifat khusus dan kemampuan yang dimilikinya.
Salah satu aplikasi penting zirkonia yang tengah dikembangkan di PTBIN-BATAN adalah sebagai bahan untuk sensor oksigen. Sensor oksigen diperlukan sebagai perangkat yang dapat memantau konsentrasi oksigen pada sistem nuklir berpendingin lead alloy seperti pada LFR (Lead alloy-cooled Fast Reactor) maupun target spalasi pada ADS (Accelerator Driven System). Dengan sifatnya yang tahan korosi dan kuat secara mekanik di dalam cairan logam berat pada temperatur yang relatif tinggi (Gessi, 2009), zirkonia dipilih sebagai bahan pada pembuatan sensor oksigen. Telah diketahui bahwa timbal cair dan timbal-bismut eutektik (lead-bismuth eutectic/LBE) adalah kandidat yang baik untuk pendingin
(2)
nuklir pada LFR maupun target spalasi pada ADS, tetapi timbal cair dan LBE bersifat korosif untuk baja pada suhu tinggi dan cenderung menyebabkan pembentukan PbO dalam komponen suhu rendah dari sistem (OECD/NEA Handbook, 2007). Pengaturan kadar konsentrasi oksigen di dalam cairan lead alloy sangat penting di lakukan pada teras reaktor LFR dan ADS untuk pengendalian korosi dan pencegahan pembentukan oksida timbal. Oleh sebab itu, pengembangan sensor oksigen merupakan salah satu isu utama dalam pengembangan sistem reaktor LFR dan ADS.
Zirkonia murni memiliki struktur yang tidak stabil dalam fungsi temperatur, karena zirkonia murni memiliki tiga macam struktur kristal pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur ruang zirkonia memiliki struktur monoklinik. Pada temperatur yang lebih tinggi (>1000°C) zirkonia memiliki struktur tetragonal dan kubik. Untuk berbagai aplikasi termasuk sensor oksigen zirkonia digunakan dalam keadaan stabil (stabilized state). Hal ini karena zirkonia memiliki ketangguhan mekanik yang dimiliki pada fasa tetragonal atau untuk konduktivitas ionik yang tinggi pada fasa kubik (Shackelford dan Doremus, 2008). Untuk proses stabilisasi zirkonia, biasanya zirkonia ditambahkan dengan oksida lain. Bila zirkonia dicampur dengan bahan oksida lain, maka fasa tetragonal dan fasa kubik zirkonia menjadi stabil pada temperatur ruang.
Sensor oksigen adalah aplikasi yang menggunakan konduktivitas yang sangat tinggi dari zirkonia pada struktur kubik yang distabilkan oleh yttria (Y2O3)
(Shackelford dan Doremus, 2008). Untuk menstabilkan zirkonia pada struktur kubik diperlukan penambahan 6-8% mol yttria (Ramamoorthy, 2003). Zirkonia
(3)
yang telah distabilkan oleh yttria disebut YSZ (Yttria Stabilized Zirconia). Penambahan yttria pada zirkonia mengakibatkan pergantian beberapa ion Zr4+ dalam kisi zirkonia dengan ion Y3+ (Shakthinathan dkk, 2012). Hal ini menghasilkan kekosongan oksigen karena tiga ion O2- dari yttria menggantikan empat ion O2- pada zirkonia. Kondisi ini memungkinkan pergerakan ion-ion O 2-pada temperatur yang cukup untuk menghasilkan energi bagi ion-ion tersebut bergerak.
Pengembangan bahan YSZ telah dilakukan dengan berbagai metode sintesis dan dikategorikan dalam metode kimia dan metode fisika (solid state reaction). Metode kimia memiliki beberapa kelebihan antara lain zat yang disintesis memiliki homogenitas tinggi. Sedangkan metode solid state reaction
memiliki kelebihan yaitu relatif sederhana dalam proses sintesis. Metode ini merupakan metode yang paling banyak digunakan untuk sintesis bahan anorganik dengan mengikuti rute yang hampir universal, yakni melibatkan pemanasan berbagai komponen pada temperatur tinggi selama periode yang relatif lama (Ismunandar, 2006). Selain itu, metode ini menghasilkan material yang lebih murni.
Sintesis bahan YSZ dengan metode solid state reaction secara
konvensional dilakukan melalui pemaduan dengan proses penggerusan menggunakan agate mortar dan pastel serta ball mill. Metode solid state reaction
dalam sintesis bahan YSZ juga dapat dilakukan melalui proses pemaduan dengan
high energy ball milling (Tonejc dkk., 1999). Proses penggerusan dan high energy ball milling memiliki beberapa kekurangan dalam sintesis bahan YSZ.
(4)
Pada proses pemaduan dengan penggerusan, proses penggerusan harus diulang beberapa kali, jika produk hasil sintesis belum terbentuk sempurna. Sedangkan pada proses high energy ball milling, kecenderungan terdapatnya pengotor yang diakibatkan dari benturan bola-bola serta benturan bola dengan wadah milling
(vial). Oleh karena, itu perlu dilakukan pengembangan proses pemaduan lain dalam sintesis bahan YSZ dengan metode solid state reaction.
Proses ultrasonik merupakan proses yang biasa diterapkan untuk mencampur dan menyebarkan campuran serta memperkecil ukuran partikel. Penggunaan proses ultrasonik pada sintesis bahan YSZ telah dilakukan sebelumnya oleh peneliti lain (Indayaningsih dan Nurhayati, 2006). Namun, proses ultrasonik yang dilakukan hanya untuk mengurangi ukuran diameter partikel serbuk YSZ yang telah disintesis sebelumnya. Proses ultrasonik memungkinkan terjadinya reaksi solid state (padat-padat) yang diakibatkan adanya temperatur yang sangat tinggi yang dihasilkan pada proses pemaduan akibat adanya proses kavitasi dalam campuran/larutan. Selain itu, potensi adanya pengotor dari proses pemaduan dengan utrasonik dapat diminimalisasi. Oleh karena itu, proses ultrasonik dapat dikembangkan dan berpotensi dalam sintesis bahan YSZ.
Pada penelitian ini dilakukan sintesis YSZ dengan metode solid state reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik dan sebagai pembanding terhadap hasil sintesis YSZ, sintesis YSZ juga dilakukan dengan proses pemaduan lainnya yaitu high energy ball milling dan penggerusan. Penelitian ini merupakan studi awal untuk pembuatan bahan YSZ melalui proses pemaduan dengan
(5)
untrasonik. Diharapkan dari penelitian ini dapat diperoleh hasil sintesis bahan YSZ yang lebih baik. Sebagai parameter tingkat keberhasilan sintesis, bahan YSZ yang diperoleh dikarakterisasi dari sisi morfologi, struktur mikro, homogenitas komposisi, fasa, maupun konduktivitas ionik.
1.2 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mensintesis bahan YSZ dengan metode solid state reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik. Bahan hasil sintesis dibandingkan dengan hasil sintesis melalui proses pemaduan lainnya yaitu
high energy ball milling dan penggerusan.
Manfaat dari penelitian ini adalah diperoleh pemahaman dan informasi tentang proses sintesis YSZ melalui proses pemaduan dengan ultrasonik, high energy ball milling dan penggerusan. Serta dapat diketahui pengaruh masing-masing proses pemaduan terhadap karakterisasi bahan YSZ hasil sintesis tersebut dengan variasi komposisi dan waktu pemaduan.
1.3 Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian
Penelitian sintesis bahan YSZ dilakukan dengan metode solid state reaction melalui proses pemaduan dengan ultrasonik, high energy ball millling, dan penggerusan dengan memvariasikan komposisi bahan dasar. Variabel komposisi Y2O3:ZrO2 yang digunakan dalam penelitian ini yaitu, 4,5% mol:95,5%
(6)
waktu pemaduan yaitu 10 jam dan 40 jam dilakukan pada metode ultrasonik dan
high energy ball milling untuk setiap variasi komposisi. Sementara pengulangan penggerusan dilakukan sebanyak 2 kali untuk setiap komposisi pada metode penggerusan. Bahan hasil sintesis kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan XRD, SEM-EDS, dan LCR meter.