LAPORAN AKHIR PELAKSANAAN PENELITIAN PNBP USU TAHUN ANGGARAN 2014

  Kode/Nama Rumpun Ilmu : Fisika

LAPORAN AKHIR

  

PELAKSANAAN PENELITIAN PNBP USU

TAHUN ANGGARAN 2014 PEMBUATAN ELEKTRODA KOMPOSIT KONDUKTIF BERBASIS CuO-ZnO Dr. Susilawati, S.Si., M.Si. / 0007127402 Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si., M.Sc. / 0016077413 Dibiayai oleh Dana Penerimaan Negara Bukan Pajak (PNBP) Universitas Sumatera Utara Tahun Anggaran 2014, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penugasan Penelitian Dana PNBP USU Nomor : 7377/UN5.1.R/KEU/2014, tanggal 17 September 2014. UNIVERSITAS SUMATERA UTARA NOVEMBER 2014

  

RINGKASAN

  Telah dilakukan pembuatan elektroda komposit CuO-ZnO dengan teknik konvensional yaitu metode cetak dan tekan dari campuran bahan baku : serbuk CuO sebagai matriks dan serbuk ZnOsebagai filler dengan variasi komposisi CuO:ZnO 75%:25%, 80%:20%, 85%:15%, 90%:10% dan 95%:5%. Dasar pemilihan bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan pada serbuk CuO mengandung energi gap sebesar 1,2 - 1,9 eV. Selain itu, logam Cu yang terkandung pada CuO memiliki konduktivitas cukup baik sebesar 6,0 x

  7 -1

  10 dan Seng Oksida (ZnO) sebagai filler memiliki energi gap sebesar 3.3eV pada (Ωm) suhu kamar, merupakan bahan yang memiliki sifat listrik. Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan dalam pembuatan keramik. Pembuatan sampel dilakukan tiga tahap. Tahap pertama serbuk diayak ukuran partikel 100 mesh kemudian serbuk tersebut dicampur sampai homogen selama 5 menit dengan metode pencampuran kering. Tahap kedua serbuk yang telah tercampur homogen dicetak dengan tekanan 300 MPa ditahan selama 10 menit. Tahap ketiga serbuk yang telah ditekan berbentuk pellet

  o o o

  kemudian dibakar dengan perlakuan suhu 800

  C, 900 C dan 1000 C serta ditahan selama 3 jam. Masing-masing sampel yang telah dibakar dikarakterisasi yang meliputi : sifat fisis (densitas dan porositas), sifat mekanik (kuat tekan dan kekerasan) dan sifat listrik dan struktur dengan SEM dan XRD. Hasilmenunjukkan bahwa komposisi CuO:ZnO yang optimum yaitu 95%:5% dengan

  o ₃

  perlakuan suhu 1000 C memiliki nilai densitas tertinggi sebesar 9.205gram/cm , porositas sebesar 12.1%, nilai kuat tekan 218.799 MPa, nilai kekerasan 1816.920 MPa, nilai konduktivitas listrik 16,989 S/m, memiliki nilai energi gap sebesar 4.07 eV, memiliki ukuran (diameter) kristal untuk CuO sebesar 52.6237 nm memiliki struktur kristal monoklinik dengan parameter kisi a = 4,6786 Å ; b = 3,4327 Å dan c = 5,13762 Å serta ZnO memiliki ukuran (diameter) kristal sebesar 53.709 nm struktur kristal hexagonal dengan parameter kisi a=b=3.25 Å dan c = 5,216 Å dan hasil pengujian SEM juga menunjukkan bahwa struktur permukaan yang paling baik juga diperoleh dari komposisi CuO:ZnO yaitu 95:5% dengan suhu sintering 1000 C.

  

Kata Kunci : Tembaga Oksida (CuO), Seng Oksida (ZnO), Elektroda Keramik Komposit

Konduktif, Karakterisasi.

  

PRAKATA

  Dengan nama Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang, peneliti mulai menyusun laporan kemajuan penelitian dengan judul “Pembuatan Elektroda Komposit Konduktif

  Berbasis CuO-ZnO

  ”, dengan maksud menyebarkan/menginformasikan hasil penelitian kepada seluruh pembaca akan suatu proses untuk menghasilkan elektroda keramik komposit konduktif yang dapat digunakan untuk penjernihan air. Penelitian ini sebenarnya merupakan pengembangan penelitian yang telah peneliti lakukan sebelumnya yaitu proses elektrokoagulasi dengan menggunakan elektroda Tembaga (Cu). Elektroda Cu merupakan elektroda alternatif yang bisa digunakan sebagai elektroda pada proses elektrokoagulasi karena nilai konduktivitas dari logam Cu lebih tinggi bila dibandingkan dengan elektroda Al dan Juga Fe yang biasa digunakan untuk penjernihan air.

  Penggunaan elektroda Cu menjadikan proses elektrokoagulasi menjadi lebih efektif, namun dari segi kualitas terhadap air yang dijernihkan masih ada kekhawatiran akan kandungan logam Cu dalam air yang dijernihkan, mengingat logam Cu adalah salah satu logam berat yang jika dikonsumsi di atas batas yang ditentukan akan membahayakan kesehatan dan konsekwensi dari logam yang mudah terkorosi. Untuk mengatasi kekhawatiran ini peneliti mencoba membuat elektroda keramik komposit konduktif sebagai pengganti elektroda Cu.

  Secara teori kita tahu bahwa keramik merupakan material yang kuat, keras dan juga tahan korosi. Ikatan ion keramik juga lebih kuat dari pada logam, akibatnya sifat seperti kekerasan dan ketahanan panas dan listrik secara signifikan lebih tinggi keramik dari pada logam. Seng Oksida (ZnO) memiliki energi gab sebesar 3.3 pada suhu kamar, merupakan bahan yang memiliki sifat listrik. Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan dalam pembuatan keramik.

  Pada penelitian ini, penulis mencoba membuat suatu elektroda keramik konduktif dari bahan komposit CuO dan ZnO. Dalam pembuatan elektroda keramik konduktif ini, bahan yang digunakan sebagai matriks adalah Tembaga Oksida (CuO) dengan penguatnya Seng Oksida (ZnO) dengan metode cetak tekan. Pertimbangan pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan karena pada serbuk CuO mengandung unsur logam Cu yang

  7 -1

  memiliki konduktivitas cukup baik sebesar 6,0 x 10 serta memiliki energi gap sebesar (Ωm) 1,2 - 1,9 eV.

  Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan dalam pembuatan keramik oleh karena itu, ZnO merupakan bahan yang memiliki sifat listrik. Hasil penelitian ini kiranya dapat memberikan alternatif elektroda selain logam yang dapat digunakan untuk pengolahan/penjernihan air untuk berbagai jenis air (air sungai, air limbah, air sumur, maupun air gambut) yang sederhana dan murah namun keefektifannya tidak diragukan. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu baik secara moril maupun materil dalam penyelesaian penelitian ini. Peneliti tetap berupaya melakukan penyempurnaan terhadap hasil penelitian yang telah diperoleh.

DAFTAR ISI

  HALAMAN PENGESAHAN i

  RINGKASAN ii

  PRAKATA iii

  DAFTAR ISI v

  DAFTAR TABEL vi

  DAFTAR GAMBAR vii

  DAFTAR LAMPIRAN viii

  BAB 1 PENDAHULUAN

  1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

  2

  2.1 Material Keramik

  3

  2.2 Material Komposit

  4

  2.3 Karakterisasi Komposit

  6

  2.4 Bahan Dan Struktur Elektroda

  10 BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

  11

  3.1 Tujuan Penelitian

  11

  3.2 Manfaat Penelitian

  11 BAB 4 METODE PENELITIAN

  12

  4.1 Tempat dan Waktu

  12

  4.2 Alat dan Bahan

  12

  4.3 Tahapan Penelitian

  12

  4.4 Diagram Alir Penelitian

  13

  4.5 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Komposit

  14

  4.6 Luaran Penelitian

  14 BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN

  15

  5.1 Hasil Pengujian Densitas

  15

  5.2 Hasil Pengujian Porositas

  17

  5.3 Hasil Pengujian Kuat Tekan

  20

  5.4 Hasil Pengujian Kekerasan

  22

  5.5 Hasil Pengujian Konduktivitas Listrik

  24

  5.6 Hasil Pengujian Energi Gap

  26

  5.7 Hasil Pengujian Struktur Kristal Dengan XRD

  28

  5.8 Karakteristik SEM

  36 BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN

  39

  6.1 Kesimpulan

  39

  6.2 Saran

  39 DAFTAR PUSTAKA

  40 LAMPIRAN

  41

  

DAFTAR TABEL

Tabel Judul Hal.

  22

  5.8 Orientasi Bidang kristal CuO Pada Pola Difraksi Sampel Komposit CuO-ZnO

  34

  5.7 Orientasi Bidang kristal CuO Pada Pola Difraksi Sampel Komposit CuO-ZnO

  30

  5.6 Puncak Tertinggi Hasil Pola Difraksi Komposit CuO-ZnO

  24

  5.5 Hasil Pengujian Konduktivitas Listrik

  5.4 Hasil Pengujian Kuat Tekan Pada Beberapa Temperatur

  2.1 Kelebihan dan kekurangan dari Tiga Bahan Keramik

  20

  5.3 Hasil Pengujian Kekerasan Pada Beberapa Temperatur

  18

  5.2 Hasil Pengujian Porositas Pada beberapa Temperatur

  15

  5.1 Hasil Pengujian Densitas Pada Beberapa Temperatur

  5

  35

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar Judul Hal.

  2.1 Ilustrasi Komposit berdasarkan Penguatnya

  6

  3.1 Diagram Alir Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda

  13

  5.1 Pengaruh Komposisi Terhadap Densitas Elektroda

  16

  5.2 Pengaruh Komposisi Terhadap Porositas Elektroda

  18

  5.3 Pengaruh Komposisi Terhadap Kekerasan Elektroda

  21

  5.4 Pengaruh Komposisi Terhadap Kuat Tekan Elektroda

  23

  5.5 Pengaruh Komposisi Terhadap Konduktivitas Listrik Elektroda

  25

  5.6 Grafik Hubungan Absorbansi dengan Panjang gelombang

  o

  Sampel CuO 100% Pada Suhu 1000 C

  26

  5.7 Grafik Hubungan Absorbansi dengan Panjang gelombang

  o

  Pada Komposisi CuO:ZnO 75% : 25% Pada Suhu 800 C

  26

  5.8 Grafik Hubungan Absorbansi dengan Panjang gelombang

  o

  Pada Komposisi CuO:ZnO 85% : 15% Pada Suhu 900 C

  27

  5.9 Grafik Hubungan Absorbansi dengan Panjang gelombang

  o

  Pada Komposisi CuO:ZnO 95% : 5% Pada Suhu 1000 C

  27

  o

  5.10 Pola Difraksi (XRD) CuO 100% Temperatur 1000 C

  28

  5.11 Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO Komposisi

  o

  75% : 25% Temperatur 800 C

  29

  5.12 Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO Komposisi

  o

  85% :15% Temperatur 900 C

  29

  5.13 Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO Komposisi

  o

  95% :5% Temperatur 1000 C

  29

  5.14 Grafik Puncak Pola Difraksi (XRD) CuO 100%

  o

  Temperatur 1000 C

  31

  5.15 Grafik Puncak Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO

  o

  Komposisi 75% : 25% Temperatur 800 C

  32

  5.16 Grafik Puncak Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO

  o

  Komposisi 85% : 15% Temperatur 900 C

  32

  5.17 Grafik Puncak Pola Difraksi (XRD) Komposit CuO:ZnO

  o

  Komposisi 95% : 5% Temperatur 1000 C

  33

  DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Judul Hal.

  1 Formulir Evaluasi Atas Capaian Luaran Penelitian

  2 Personalia Tenaga Peneliti

  3 Draft Artikel Ilmiah

  4 Data Hasil Pengujian Kekerasan

  5 Data Hasil Pengujian Kuat Tekan

  6 Lampiran A

  7 Lampiran B

  8 Match

  9 Dokumentasi Penelitian

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Sebagian besar kerak bumi terdiri atas oksida. Oksida terbentuk ketika unsur-unsur

  dioksidasi oleh oksigen di udara. Bahkan materi yang dianggap sebagai unsur murni pun seringkali mengandung selubung oksida. Misalnya CuO yang merupakan bahan material keramik yang sering dimanfaatkan manusia dalam kehidupan sehari - hari. Salah satu penggunaan bahan Oksida tembaga misalnya digunakan sebagai pada keramik untuk menghasilkan warna biru, merah, dan hijau (dan kadang-kadang abu-abu, pink, atau hitam) glasir . Di samping itu telah banyak inovasi di bidang material salah satunya adalah material komposit. Material komposit adalah perpaduan dari dua atau lebih bahan material yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing

• – masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat fisik, mekanik dan listrik yang lebih baik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing
• – masing material penyusun. Salah satu dari beberapa jenis material komposit yang sering digunakan berdasarkan jenis matriksnya adalah komposit matriks keramik (KMK). KMK merupakan material yang terdiri dari dua fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement (filler) dan 1 fasa sebagai matriks, dimana matriksnya terbuat dari keramik seperti Tembaga Oksida (CuO). KMK menjadi salah satu material alternatif yang dapat digunakan karena dimensinya stabil bahkan lebih stabil dari pada logam, sangat tangguh, mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus, unsur kimianya stabil pada temperatur tinggi, tahan pada temperatur tinggi (creep), kekuatan dan ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi (Akmal Johan, 2009). Beberapa penelitian sebelumnya tentang keramik konduktif yaitu H. Huang (2014) yang memanfaatkan keramik konduktif ZnO sebagai anoda untuk baterai isi ulang. ZnO adalah material yang memiliki energi gab sebesar 3.3 eV dan energi ikat eksitasi sebesar 60 MeV pada suhu kamar.

Li Ji Le (2013) membuat keramik varistor berbasis ZnO didoping dengan Nd

  2 O 3 dengan

  metode keramik konvensional dan menunjukkan sifat listrik yang baik dengan tegangan ambang 556,4 V/m. Wiendartun (2013) memanfaatan komposit keramik CuO dengan keramik Fe

2 O 3 untuk menghasilkan komposit keramik yang memiliki konduktivitas yang baik sehingga dapat digunakan sebagai termistor.

  Pada penelitian ini, penulis mencoba membuat suatu elektroda keramik konduktif dari bahan komposit CuO dan ZnO. Dalam pembuatan elektroda keramik konduktif ini, bahan yang digunakan sebagai matriks adalah Tembaga Oksida (CuO) dengan penguatnya Seng Oksida (ZnO) dengan metode cetak tekan. Pertimbangan pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan karena pada serbuk CuO mengandung unsur

  7 -1

  logam Cu yang memiliki konduktivitas cukup baik sebesar 6,0 x 10 serta memiliki (Ωm) energi gap sebesar 1,2 - 1,9 eV .(Kendyq , 2010). Disisi lain, sebagai bahan pengikatnya adalah ZnO. Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan dalam pembuatan keramik Oleh karena itu, ZnO merupakan bahan yang memiliki sifat listrik. (Gupta, 2010).

  Pembuatan elektroda dari bahan komposit CuO-ZnO berbasis keramik konduktif yang dikarakterisasi sifat-sifat fisis, sifat mekanik, sifat listrik, energy gap dan mikrostrukturnya serta struktur kristalnya dan diharapkank keramik konduktif ini yang nantinya dapat digunakan sebagai material alternatif sebagai elektroda.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Material Keramik

  Struktur kristal keramik (terdiri dari berbagai ukuran atom yang berbeda atau minimal terdiri dari 2 jenis unsur) merupakan salah satu yang paling kompleks dari semua struktur bahan. Ikatan antara atom-atom ini umumnya ikatan kovalen (berbagi elektron, sehingga ikatan ini kuat). Ikatan ion juga lebih kuat dari pada logam, akibatnya sifat seperti kekerasan dan ketahanan panas dan listrik secara signifikan lebih tinggi keramik dari pada logam. Keramik dapat berikatan kristal tunggal atau dalam bentuk polikristalin. Ukuran butir mempunyai pengaruh besar terhadap kekuatan dan sifat-sifat keramik, ukuran butir yang halus (sehingga dikatakan keramik halus), semakin tinggi kekuatan dan ketangguhannya. Karena ikatan keramik pada umumnya ion dan kovalen sehingga tidak ada elektron bebas. Hasil ini menyebabkan keramik dapat digunakan sebagai isolator listrik dan termal. Jika celah energinya kecil, maka dapat berfungsi sebagai bahan semikonduktor (Low, 2006).

2.1.1 Karakteristik Sifat Keramik

  Material keramik memiliki beberapa karakteristik yaitu sifat mekanik, sifat thermal, dan sifat listrik. Karakteristik sifat mekanik, keramik merupakan material yang kuat, keras dan juga tahan korosi. Selian itu keramik juga memilki kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, hanya saja keramik itu brittle (rapuh) yaitu kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit di dalam keramik karena kombinasi ikatan ion dan kovalen sehingga partikel-partikelnya tidak mudah bergeser.

  Sifat termal bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut. Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai kapasitor. Konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu. Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik atau kelistrikan tekan. Dalam bahan keramik , muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah dengan merubah komposisi dan merupakan dasar banyak aplikasi.

2.2 Material Komposit

  

Material komposit adalah material rekayasa yang dibuat dari pencampuran dua atau lebih

material untuk menciptakan sebuah kombinasi sifat material yang baru dan unik. Komposit

didefinisikan sebagai sebuah kombinasi dari dua atau lebih komponen yang berbeda dalam

bentuk atau komposisi pada skala makro, dengan dua atau lebih phasa yang berbeda yang

mempunyai ikatan antarmuka yang diketahui antara dua komponen tersebut. Sifat akhir dari

material komposit lebih baik dari pada sifat material pendukungnya (Somiya, 2003).

Material komposit dibentuk dari material penguat yang disisipkan dalam matriks perekat.

Penyusun komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa yaitu matriks dan filler. Matriks yang

didefenisikan sebagai fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume

terbesar (dominan). Dimana fungsi matriks pada komposit adalah sebagai berikut : Sebagai

  pelindung penguat dari lingkungan abrasif dan korosif, pemisah antar penguat dan juga mencegah timbulnya perambatan crack dari satu penguat dengan penguat lainnya, pemberi ketangguhan, kekuatan geser dengan mentransmisikan dan mendistribusikan ke penguat, sebagai penentu stabilitas bentuk dan ketahanan terhadap temperature, dan mengikat partikel penguat agar bisa menyatu dengan matriks melalui sifat adhesi dan kohesi. Filler atau Fiber adalah satu bagian utama dari komposit yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit. Penguat (reinforcement/filler) memiliki fungsi sebagai: (1) Memperbaiki sifat dari matriks sehingga sifat material komposit lebih baik dari sifat matriks. (2) Sebagai penguat atau penanggung beban utama pada komposit. (3) Untuk memberikan kekakuan, kekuatan, stabilitas panas, dan sifat struktur lainnya dalam komposit. (3) Menyediakan penghantaran atau insulasi elektrik, tergantung pada jenis serat atau serbuk yang digunakan.

  Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama : Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel. Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion). Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel. Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel antara lain: ukuran partikel, rapat jenis bahan yang digunakan, fraksi volume material, komposisi material, bentuk partikel, kecepatan dan waktu pencampuran, penekanan (kompaksi), pemanasan (sintering). Tabel 2.1 menunjukkan beberapa kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks yang digunakan :

  CMC (Composite

  Relatif mahal Sulit diproduksi dalam jumlah besar

  thermal shock buruk

  Kegetasan tinggi Ketahanan mekanikal dan

  cast iron

  C) Densitas rendah Elastik modulus besar Ketangguhan hampir sama dengan

  o

  Temperatur penggunaan sangat tinggi (>2000

  Matrix Ceramics)

  Bobot yang berat Ketahanan korosi yang buruk Biaya produksi mahal

Tabel 2.1 Kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks (Somiya, 2003)

  Temperatur penggunaan tinggi Kekuatan dan kekakuan yang baik Konduktivitas listrik dan panas yang baik Tidak menyerap kelembaban

  Matrix Composite )

  MMC (Metal

  Temperatur penggunaan rendah Sensitif terhadap radiasi dan lingkungan lembab

  Bobot ringan Ketangguhan baik Fabrikasi dan pembentukan yang mudah

  Matrix Composite )

  PMC (Polymer

  Jenis Komposit Kelebihan Kekurangan

  Sedangkan berdasarkan jenis penguatnya, maka material komposit dapat dijelaskan sebagai berikut : (a) Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel, (b) Fibre composite, penguatnya berbentuk serat, dan (c) Structural composite, penguatnya berbentuk lapisan. Adapun ilustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya

   Karakterisasi Komposit Karakterisasi Sifat Fisis Densitas

  Densitas merupakan pengukuran massa suatu benda per unit volume. Dimana pengujian densitas dengan ASTM C 373-88 untuk geometri material yang berbentuk seperti silinder, kubus atau balok dapat dihitung dengan persamaan :

  3

  dengan, ), M k : Massa kering sampel (gram), : Densitas (gram/cm

3 V : Volume sampel (cm )

  Porositas

  Pengujian porositas ini bertujuan untuk mengetahui banyaknya pori-pori suatu material yang menyusunnya. Berdasarkan ASTM C-373-88 uji ini dihitung dengan menggunakan persamaan :

  3

  dengan, ), M k : Massa kering sampel (gram), M j : Massa : Densitas (gram/cm

  3

  basah sampel (gram), dan V : Volume sampel (cm )

  Karakterisasi Sifat Mekanik Kuat Tekan

  Kekuatan tekan suatu material didefenisikan sebagai kemampuan material dalam menahan beban/gaya mekanis sampai terjadinya kegagalan (failure). Kuat tekan suatu bahan merupakan perbandingan besarnya beban maksimum yang dapat ditahan beban. Pengaruh kuat tekan menggunakan alat Ultimate Testing Machine (UTM) dengan kecepatan penekanan sebesar 4 mm/menit.Untuk pengukuran kuat tekan beton polimer mengacu pada standard ASTM C

• – 133 – 97 dan dihitung dengan persamaan berikut :

  2

  dengan, P : Kuat Tekan (N/m ), F maks : Gaya Maksimum (N),

2 A : Luas permukaan benda (m )

  Kekerasan

  Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastik yang diakibatkan tekanan atau goresan. Pengujian ini mengacu ASTM E-384 dengan metode Vickers dengan persamaan : Dengan, d : Panjang diagonal rata-rata jejak bujur sangkar (mm)

2 P : beban (kg/mm )

  Karakterisasi Sifat Listrik Konduktivitas Listrik

  Metode yang digunakan adalah dengan Two Point Probe yaitu menggunakan I-V meter dua probe dengan melakukan pengaliran arus listrik. Uji ini dihitung dengan menggunakan persamaan : Kemudian persamaan Setelah itu diperolehlah besar konduktivitas listrik dengan rumus : dengan,

  V : Tegangan (V) : Hambatan jenis bahan (Ωcm)

  I : Arus (A) L : Jarak antar anoda katoda (cm)

  3

  2 R : Hambatan (cm ) A : Luas penampang keramik (cm )

2.3.4 Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction)

  Karakterisasi dengan menggunakan spektroskopi difraksi sinar-X merupakan salah satu metoda karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. (Irvina dkk., 2009).

  XRD merupakan alat yang menggunakan prinsip dari hukum Bragg. Hukum Bragg merupakan perumusan matematika tentang persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan tersebut merupakan berkas difraksi. Sinar X dihasilakn dari tumbukkan elektron kecepataan tinggi dengan logam target (Ratna dkk., 2009).

  Analisis SEM (Scanning Electron Microscopy)

Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan

  electron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan resolusi tinggi. Analisis SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar electron dihasilkan dari filament yang dipanaskan disebut

  electron gun .

  Sistem penyinaran dan lensa SEM sama dengan mikroskop cahaya biasa. Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat konduktif agar dapat memantulkan berkas electron dan mengalirkannya ke ground. Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan emas. (Budi G dan Citra DA, 2007).

  Spektrofotometer UV-Vis Spektrofotometri ini merupakan gabungan antara spektrofotometri UV dan Visible.

  Menggunakan dua buah sumber cahaya berbeda, sumber cahaya UV dan sumber cahaya visible. Meskipun untuk alat yang lebih canggih sudah menggunakan hanya satu sumber sinar sebagai sumber UV dan Vis, yaitu photodiode yang dilengkapi dengan monokromator. Untuk sistem spektrofotometri, UV-Vis paling banyak tersedia dan paling popular digunakan. Kemudahan metode ini adalah dapat digunakan baik untuk sample berwarna juga untuk sample tak berwarna. Spektrofotometer UV-Vis (Ultra Violet-Visible) adalah salah satu dari sekian banyak instrumen yang biasa digunakan dalam menganalisa suatu senyawa kimia. Spektrofotometer umum digunakan karena kemampuannya dalam menganalisa begitu banyak senyawa kimia serta kepraktisannya dalam hal preparasi sampel apabila dibandingkan dengan beberapa metode analisa. Spektrofotometri UV/Vis melibatkan energi elektronik yang cukup besar pada molekul yang dianalisis, sehingga spetrofotometer UV/Vis lebih banyak dpakai ntuk analisis kuantitatif dibanding kualitatif. Spektrofotometri UV-vis adalah pengukuran serapan cahaya di daerah ultraviolet (200

• –350 nm) dan sinar tampak (350
• – 800 nm) oleh suatu senyawa. Serapan cahaya uv atau cahaya tampak mengakibatkan transisi elektronik, yaitu promosi elektron-elektron dari orbital keadaan dasar yang berenergi rendah ke orbital keadaan tereksitasi berenergi lebih tinggi. Absorbsi cahaya UV-Vis mengakibatkan transisi elektronik, yaitu promosi electron- electron dari orbital keadaan dasar yang berenergi rendah ke orbital keadaan tereksitasi berenergi lebih tinggi. Energi yang terserap kemudian terbuang sebagai cahaya atau tersalurkan dalam reaksi kimia. Absorbsi cahaya tampak dan radiasi ultraviolet meningkatkan energi elektronik sebuah molekul, artinya energi yang disumbangkan oleh foton-foton memungkinkan electron-electron itu mengatasi kekangan inti dan pindah ke luar ke orbital baru yag lebih tinggi energinya. Semua molekul dapat menyerap radiasi dalam daerah UV-tampak karena mereka mengandung electron, baik sekutu maupun menyendiri, yang dapat dieksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Energi gap dapat ditentukan berdasarkan panjang gelombang maksimum yang dihasilkan puncak absorbsi dari hasil uji UV-VIS spectroscopy tersebut. Sehingga digunakan persamaan berikut untuk memperoleh energy gap.

  (2.8) Absorptivitas (a) merupakan suatu konstanta yang tidak tergantung pada konsentrasi, tebal kuvet dan intensitas radiasi yang mengenai larutan sampel. Absorptivitas tergantung pada suhu, pelarut, struktur molekul, dan panjang gelombang radiasi. Satuan a ditentukan oleh satuan-satuan b dan c. Jika satuan c dalam molar (M) maka absorptivitas disebut dengan

• 1 -1 -1 -1 cm atau liter.mol cm .

  absorptivitas molar dan disimbolkan dengan ε dengan satuan M Jika c dinyatakan dalam persen berat/volume (g/100mL) maka absorptivitas dapat ditulis

  1% 1% dengan E 1cm A 1cm (Gandjar dan Rohman, 2007).

2.4 Bahan dan Struktur Elektroda

  Sebuah elektroda adalah sebuah konduktor berupa logam yang digunakan untuk bersentuhan dengan larutan elektrolit dalam sebuah sirkuit. Bahan elektroda yang ideal untuk banyak proses ialah stabil dalam medium elektrokoagulasi dan diperoleh hasil reaksi yang dikehendaki dengan efisiensi arus pada overpotential rendah. Bahan yang baik seringkali mahal dan yang lebih umum adalah bahan aktif yang dilapiskan pada bahan yang murah atau bahan inert. Untuk proses penelitian ini digunakan elektroda yang dibuat dari komposit dari bahan keramik tembaga oksida (CuO) dan Seng Oksida (ZnO), pada penelitian ini pertimbangan pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan karena pada serbuk CuO mengandung unsur logam Cu yang memiliki konduktivitas cukup baik sebesar 6,0 x

  7 -1

  10 dan energi gap sebesar1.2-1.9eV, disisi lain, sebagai bahan pengikatnya adalah (Ωm)

  ZnO yang memiliki energy gab sebesar 3.3 eV dan energi ikat eksitasi sebesar 60 MeV pada suhu kamar. Oleh karena itu, ZnO merupakan bahan yang memiliki sifat listrik (Gupta, 2010). diharapkan mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus, unsur kimianya stabil pada temperatur tinggi, tahan pada temperatur tinggi (creep), kekuatan dan ketangguhan tinggi, dan ketahanan korosi tinggi. Logam Tembaga adalah logam yang dipilih yang mempunyai nilai konduktivitas cukup baik dibandingkan dengan penghantar lainnya.

BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

  3.1 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut.

  Membuat komposit konduktif CuO dan ZnO yang dapat digunakan sebagai elektroda. Mengetahui sifat-sifat fisis, mekanik, listrik, energi gap, mikrostruktur serta struktur kristal dari elektroda keramik komposit konduktif yang berbasis CuO dan ZnO.

  3.2 Manfaat Penelitian

  Pada penelitian ini diharapkan nantinya memberikan manfaat seperti : Mengembangkan ilmu pengetahuan di bidang material mengenai elektroda keramik komposit konduktif yang berbasis CuO dan ZnO yang memiliki sifat tahan lama, stabil terhadap korosi dan tahan terhadap temperatur tinggi yang mampu mendukung kemajuan industri.

  Komposit CuO dan ZnO dapat digunakan sebagai elektroda keramik konduktif.

BAB IV METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Pembuatan Sampel (elektroda dari bahan komposit konduktif berbasis CuO dan ZnO)

  dilakukan di Laboratorium Material Test PTKI Medan. Pengujian sifat fisis dan mekanik dilakukan di Laboratorium Material Test PTKI Medan dan Laboratorium Fisika UNIMED.

  Alat dan Bahan Alat

  Pada pembuatan dan Karakteristik Elektroda Komposit CuO dan ZnO peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut : Ayakan 100 mesh, Neraca Digital, Beaker glass, Tanur

  (High Temprature Furnance)

  , Cetakan Sampel (molding), Hydraulic Press, Jangka Sorong, Universal Testing Machine, Hardness Tester, Multimeter, Power Supply, SEM (Scanning

  Elektron Microscope), XRD dan Spektrofotometer UV-Vis.

  Bahan

  Pada pembuatan dan Karakteristik Elektroda Komposit CuO dan ZnO bahan yang digunakan adalah sebagai berikut : Serbuk CuO (Tembaga Oksida) berfungsi sebagai matriks, ZnO (Seng Oksida) berfungsi sebagai filler.

  Tahapan Penelitian

  Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap. Percobaan tahap pertama dilakukan pembuatan elektroda komposit. Tahap kedua adalah karakteristik Parameter

• – parameternya meliputi : sifat fisis (porositas dan densitas), sifat mekanik (kuat tekan dan kekerasan), sifat listrik (konduktivitas listrik), energi gap, struktur kristal dengan XRD serta mikrostruktur dengan foto SEM.

  Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.1 Diagram Alir Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda

  Serbuk CuO

Pencampuran dengan variasi komposisi CuO dan ZnO

adalah 75% : 25%; 80% : 20% ; 85% : 15% ; 90% : 10%

dan 95% : 5%

Start

  Serbuk ZnO Hasil Campuran Dikompaksi dengan tekanan 300MPa dengan waktu tahan 10 menit Elektroda Keramik Konduktif CuO dan ZnO Disintering Dengan Suhu (800 ^o

  C, 900 ^o C dan 1000 ^o C)dengan waktu tahan masing- masing 2 jam Pengujian Sifat Fisis

  Sifat Listrik Data Porositas/Densitas/ Struktur dengan Foto SEM dan XRD Analisa Konduktifitas Listrik dan Energi Gab Sifat Mekanik

Kuat Tekan dan

Kekerasan

  Selesai

  Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Komposit

  Preparasi sampel dilakukan untuk pembuatan sampel uji elektroda komposit dari partikel CuO dan partikel ZnO melalui teknik konvensional cetak dan tekan dengan prosesnya sebagai berikut : Dicampurkan bahan baku matriks (serbuk CuO) yang berukuran 100 mesh dengan bahan penguat ZnO sampai homogen dengan perbandingan komposisi CuO dan ZnO adalah 75% : 25%; 80% : 20%. 85% : 15%, 90% : 10% dan 95% : 5% .. Dimasukkan campuran CuO dan ZnO ke dalam cetakan (molding) dan dilakukan penekanan (kompaksi) sebesar 300 Mpa ditahan selama 10 menit.

  Dikeluarkan pellet dari cetakan kemudian disintering dengan variasi suhu sintering adalah :

  o o o

  800 C, 900 C dan 1000 C ditahan selama 2 jam. Dilakukan karakterisasi sifat fisis (porositas dan densitas), sifat mekanik (kuat tekan dan kuat tarik), sifat listrik (konduktivitas listrik ), energi gap, struktur kristal dan mikrostruktur

  Luaran Penelitian

  Indikator keberhasilan penelitian ini ditinjau dari elektroda keramik komposit konduktif yang dihasilkan yang telah dianalisa sifat fisis (porositas, densitas, struktur dengan foto SEM dan XRD), sifat mekanik (kuat tekan dan kekerasan), dan sifat listrik (konduktivitas listrik dan energi gap). Informasi-informasi yang diperoleh dari penelitian ini akan dipublikasikan dalam Jurnal Nasional.

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1 Hasil Pengujian Densitas

  Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material atau sering didefenisikan sebagai perbandingan antara massa (m) dengan volume (v). Dalam penelitian yang telah dilakukan, maka nilai densitas dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 2.1. Pada penelitian ini diperoleh nilai densitas untuk bahan CuO adalah 8.322 gr/cm ³

  pada suhu sintering 1000 ^o

C. Nilai tersebut diperoleh melalui proses pencetakan (casting) dan

  penekanan (kompaksi) dengan menggunakan alat yaitu hydraulic press pada nilai beban 300 MPa dan waktu tahan (holding time) selama 10 menit. Dengan perhitungan yang sama, dapat dibuat tabel pengukuran nilai densitas material elektroda keramik konduktif CuO- ZnO sebagai berikut.

Tabel 5.1 Hasil Pengujian Densitas Pada Beberapa Temperatur

  Tempratur ( C) Kode Komposisi Sampel CuO :ZnO (%) Volume (cm ³ ) Massa Sampel (gr) Densitas (gr/cm ³ ) 800

  1 75 : 25 0.325 2.366 7.280

  2 80 : 20 0.319 2.402 7.530 3 85 : 15 0.283 2.304 8.141 4 90 : 10 0.279 2.350 8.423 5 95 : 5 0.291 2.492 8.564

  900 1 75 : 25 0.338

  2.552 7.550 2 80 : 20 0.293 2.308 7.877 3 85 : 15 0.296 2.422 8.182 4 90 : 10 0.291 2.449 8.416 5 95 : 5 0.290 2.553 8.803

  1000 1 75 : 25 0.290

  2.283 7.872 2 80 : 20 0.288 2.373 8.240 3 85 : 15 0.284 2.529 8.905 4 90 : 10 0.306 2.727 8.912 5 95 : 5 0.298 2.743 9.205 Dari Tabel 5.1 dapat dapat dibuat grafik hubungan antara nilai densitas elektroda keramik konduktif CuO-ZnO terhadap perubahan variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu sintering.

  Densitas-Vs-Komposisi

  10 ₃ ) gr/cm (

  8 s ta

  Temperatur 800 °C Densi

  Temperatur 900 °C Temperatur 1000 °C

  6

2 Komposisi CuO:ZnO

  4

  6 Gambar 5.1 Pengaruh Komposisi Terhadap Densitas Elektroda

  Pada Gambar 5.1 menggambarkan hubungan antara pengaruh variasi komposisi dengan nilai densitas bahwa nilai densitas yang optimum terjadi pada komposisi CuO-ZnO ₃ 95%:5% dengan nilai densitas berkisar 8.564 - 9.205 gr/cm . Sedangkan nilai densitas yang kurang optimum pada komposisi CuO-ZnO 75%:25% dengan nilai berkisar 7.280-7.872

  o

  3

  gr/cm . Dibandingkan dengan nilai densitas CuO yang telah disentering 1000 C tanpa ₃

  ,

  adanya bahan pengikat yang memiliki nilai 8.322 gr/cm besarnya nilai densitas yang diperoleh dipengaruhi adanya penambahan komposisi penguat ZnO. Ini terjadi karena sifat serbuk penguat ZnO yang dapat berpadu dengan senyawa lain (fleksibel). Hal disebabkan adanya ikatan kohesivitas (adesi-kohesi) antara lain : ikatan antar muka (interface) partikel penguat ZnO dengan matriks CuO, gaya elektrostatik dan gaya Van Der

  Walls

  . Ikatan antar muka penguat dan matriks berhubungan dengan kekasaran permukaan partikel, dimana semakin tinggi densitas suat partikel maka semakin luas kontak antar permukaan. Sedangkan ikatan elektrostatik terjadi karena adanya gaya gesek antar permukaan partikel yang diakibatkan oleh proses kompaksi (tekanan). Gaya Van Der Walls dipengaruhi oleh besar beban penekanan yang diberikan. Dalam interaksi antar muka partikel penguat dengan matriks apabila gaya tekan yang diberikan dibawah yield strenght dari mariks dan dibawah yield strenght penguat Gaya ini menyebabkan matriks dan penguat terdeformasi elastis dan mengakibatkan nilai densitas rendah. Nilai densitas juga dipengaruhi oleh perlakuan suhu sintering .Suhu sintering menunjukkan nilai densitas berbanding lurus dengan penambahan perlakuan suhu sintering, dimana semakin besar suhu yang diberikan maka densitas semakin meningkat. (M.Ristick, 1979).

  o

  Hasil pengamatan nilai densitas yang tinggi pada perlakuan suhu pembakaran 1000 C

  3

  dengan nilai densitas berkisar 8.564 - 9.205 gr/cm sedangkan nilai densitas yang rendah _o

  3

  pada perlakuan suhu 800 C dengan nilai berkisar 7.280-7.872 gr/cm . Hasil pengamatan

  3

  juga diperoleh bahwa CuO yang memiliki densitas (kerapatan) berkisar 6,31 gram/cm

  o

  setelah dikompaksi dan disentering dengan suhu 1000 C memiliki nilai densitas 8.322 ₃ . gr/cm Ini terjadi karena pada saat diberikan suhu tinggi atom-atom yang menyusun material komposit tersebut mengalami difusi sehingga atom-atom antara penguat dengan matriks berinteraksi membentuk suatu ikatan yang kuat dan memadat sehingga terjadi penyusutan pori-pori dan menjadi rapat.

5.2 Hasil Pengujian Porositas Porositas didefenisikan sebagai volume rongga kosong yang dinyatakan dengan persen.

  Porositas juga berhubungan dengan kerapatan. Pada penelitian ini pengujian porositas pada bahan elektroda keramik konduktif CuO-ZnO mengacu pada standart pengujian ASTM C 373-88. Nilai poroitas pada bahan elektroda keramik konduktif CuO-ZnO diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.2). Dengan perhitungan yang sama, dapat dibuat tabel pengukuran nilai kekerasan material elektroda keramik konduktif CuO-ZnO sebagai berikut.

Tabel 5.2 Hasil pengujian Porositas Pada Beberapa Temperatur

  Suhu ( ^o

  Volume (cm ³ ) Porositas (%)

  _k (gr) m _j (gr)

C) Komposisi CuO:ZnO (%) m

  75 100

  25

  12.1

  20.0 80:20 2.373 2.429 0.288 19.4 85:15 2.529 2.577 0.284 16.9 90:10 2.727 2.768 0.306 13.4 95:5 2.743 2.779 0.298

  75:25 2.283 2.341 0.290

  24.6 80:20 2.308 2.380 0.293 24.2 85:15 2.422 2.490 0.296 23.0 90:10 2.449 2.513 0.291 22.0 95:5 2.553 2.616 0.290 21.7 1000

  75:25 2.552 2.641 0.338

  800 75:25 2.366 2.653 0.325 88.3 80:20 2.402 2.600 0.319 62.2 85:15 2.304 2.475 0.283 60.5 90:10 2.350 2.474 0.279 44.4 95:5 2.492 2.595 0.291 35.4 900

Gambar 5.2 Pengaruh Komposisi Terhadap Porositas Elektroda

  50

  1

  Suhu 800°C Suhu 900°C Suhu 1000°C

  Dari tabel 5.2 dapat dapat dibuat grafik hubungan antara nilai porositas material elektroda keramik konduktif CuO-ZnO terhadap perubahan variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu sintering sebagai berikut.

  6 Por o si tas (% )

  5

  4

  

3

  2

  

Komposisi CuO:ZnO

Porositas -Vs-Komposisi

Gambar 5.2 menunjukkan bahwa kondisi optimum dari komposit CuO-ZnO diperoleh nilai porositas yang rendah yaitu pada komposisi CuO-ZnO 95%:5% dengan nilai

  porositas yaitu berkisar 35.4-12.1%. Sedangkan kondisi porositas yang tinggi terjadi pada komposisi CuO-ZnO 75%:25% dengan nilai porositas berkisar 20-88.3%. Dibandingkan

  o

  dengan nilai porositas CuO yang telah disentering 1000 C tanpa adanya bahan pengikat yang memiliki nilai porositas sebesar 14.381%. Dapat terlihat bahwa tanpa dan dengan penambahan filler ZnO, maka nilai porositas cenderung menurun apabila suhu sintering dinaikkan dimana pada proses pembakaran terjadi penyusutan pori-pori dan terbentuknya ikatan antara atom satu dengan atom lainnya yang mengakibatkan nilai kerapatan material tersebut semakin meningkat dan porositas material tersebut semakin menurun. Demikian halnya terjadi apabila penambahan filler ZnO diperkecil hingga 5%, maka nilai porositas juga akan semakin menurun.

  Rentang nilai porositas untuk penambahan filler ZnO sebanyak 25% hingga 5%

  o

  pada tempratur sintering 1000 C adalah dari 20% hingga 12.1%. Berdasarkan hasil nilai porositas terbaik maka dicapai komposisi optimum komposit CuO:ZnO yaitu 95%:5%

  o

  dengan suhu sintering 1000 C dengan nilai 12.1%. Gambar 5.2 menunjukkan bahwa kondisi optimum dari komposit CuO-ZnO diperoleh nilai porositas yang rendah yaitu pada komposisi CuO-ZnO 95%:5% dengan nilai porositas yaitu berkisar 35.4-12.1%. Sedangkan kondisi porositas yang tinggi terjadi pada komposisi CuO-ZnO 75%:25% dengan nilai porositas berkisar 20-88.3%. Dibandingkan dengan nilai porositas CuO yang telah

  o