Sintesis Dan Karakterisasi Magnet Berbasis Barium Heksaferit- Alumina
1
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT - ALUMINA
TESIS
Oleh
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
2
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT - ALUMINA
TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh
gelar Magister Sains dalam Program Studi
Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana
Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara
Oleh
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
3
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis
: SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET
BERBASIS BARIUM HEKSAFERITALUMINA
Nama Mahasiswa
Nomor Induk Mahasiswa
Program Studi
Fakultas
: TAUFIK HIDAYAT HIA
: 137026001
: Magister Ilmu Fisika
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Ketua
Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc
Anggota
Ketua Program Studi,
Dekan,
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
NIP 19550706 198102 1 002
Dr. Sutarman, M.Sc
NIP 19631026 199103 1 001
4
PERNYATAAN ORISINALITAS
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT – ALUMINA
TESIS
Dengan saya mengatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil
kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumbernya dengan benar.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
NIM 137026001
5
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan
di bawah ini :
Nama
NIM
Program Studi
Jenis Karya Ilmiah
:
:
:
:
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001
Magister Ilmu Fisika
Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive
Royalty Free Right) atas Tesis saya yang berjudul :
Sintesis dan Karakterisasi Magnet Berbasis Barium Heksaferit –
Alumina
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalty NonEksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan
Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya
sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
6
Telah diuji pada
Tanggal
: 27 Juli 2015
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Anggota
: 1. Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc
2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc
3. Prof. Drs. M. Syukur, M.S
4. Dr. Kerista Sebayang, M.S
7
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar : Taufik Hidayat Hia, S.Pd
Tempat dan Tanggal Lahir
: Lolohia, 15 September 1980
Alamat Rumah
: Desa Lolohia, Kec. Mandrehe Barat, Kab.
Nias Barat, Prov. Sumatera Utara
Telepon/Faks/HP
: 0813 7036 9849
E-mail
: [email protected]
Instansi Tempat Bekerja
: SMK Negeri 2 Mandrehe Barat
Alamat Kantor
: Desa Lolohia, Kec. Mandrehe Barat, Kab.
Nias Barat, Prov. Sumatera Utara
Telepon/Faks/HP
: -
DATA PENDIDIKAN
SD
: SDN 076716 Lolohia
Tamat
: 1993
SMP
: SLTP Negeri 3 Mandrehe
Tamat
: 1996
SMA
: SMA Negeri 1 Mandrehe
Tamat
: 1999
Strata-1
: Universitas Negeri Medan
Tamat
: 2005
8
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkatNya,
sehingga dapat menyelesaikan penulisan tesis ini dengan judul : “Sintesis dan
Karakterisasi Magnet Berbasis Barium Heksaferit-Alumina”. Penulisan tesis
ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar
Master Fisika pada Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana FMIPA Universitas
Sumatera Utara - Medan.
Dalam penyusunan tesis ini banyak masukan, bimbingan dan bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati menyampaikan
rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
- Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM), Sp. A(K)., selaku Rektor
Universitas Sumatera Utara – Medan.
- Dr. Sutarman, M.Sc., selaku Dekan Fakultas Matematika Ilmu Pengetahuan
Alam Universitas Sumatera Utara - Medan.
- Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc., selaku Ketua Program Studi Magister Fisika
Universitas Sumatera Utara – Medan dan sekaligus sebagai pembimbing satu
yang selalu memberikan masukan.
- Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing dua dan
pembimbing lapangan yang selalu bersedia meluangkan waktunya dalam
mengarahkan dan membimbing, sehingga penelitian ini dapat terlaksana
dengan baik.
- Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc (pembanding I), Prof. Drs. M. Syukur, MS
(pembanding II) dan Dr. Kerista Sebayang, M.S (Pembanding II) yang selalu
memberikan masukan.
- Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc., selaku pembimbing lapangan yang bersedia
meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan membimbing, sehingga
penelitian ini dapat terlaksana dengan baik serta pendamping pembimbing
lapangan Mas Boy, Mbak Ayu Yuswitasari, Mas Ibrahim dan Mas Lukman
yang selalu sabar membantu dalam penggunaan alat-alat laboratorium.
- Isteri tercinta Enasuciwati Gulo, Ayahanda tercinta Daliaro Hia, Ibunda
tercinta Rusifina Wau dan seluruh keluarga yang selalu mendukung dan
memotivasi serta mendoakan dengan penuh keikhlasan, sehingga penelitian ini
dapat terlaksana dengan baik.
- Teman-teman seperjuangan angkatan 2013 yang tidak dapat disebutkan satu
persatu dan adik-adik Fisika S1 Universitas Sumatera Utara – Medan (tugas
akhir di LIPI tahun 2015) yang selalu bersedia membantu dalam proses
penelitian.
Dalam penulisan tesis ini disadari bahwa masih terdapat kelemahan dan
kekurangan. Oleh karena itu, saran dan masukan dari pembaca demi
kesempurnaan tesis ini sangat diharapkan. Akhir kata, kiranya Tuhan Yang Maha
Kuasa yang membalas kebaikan dari semua pihak dan semoga tesis ini bermanfaat
bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia, Amin.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
9
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT – ALUMINA
ABSTRAK
Telah berhasil dibuat magnet permanen berbasis BaFe12O19-Al2O3 melalui metode
metalurgi serbuk. Variabel penelitian yang dilakukan adalah bahan barium
heksaferit (BaFe12O19) ditambahkan Al2O3 dengan variasi komposisi 100:0, 60:40,
50:50 dan 40:60 (% berat), serta suhu sintering 900, 950, 1000, 1050 dan 1100 0C
yang masing-masing ditahan selama 2 jam. Besaran-besaran yang diamati
meliputi densitas, porositas, fluks densitas, kurva histerisis, analisa mikrostruktur
dengan XRD dan SEM. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa penambahan
Al2O3 menghasilkan true density berkisar 3570-4450 kg/m3, green body density
berkisar 2600-3270 kg/m3, bulk density berkisar 4030-5170 kg/m3, porositas
berkisar 19,28-24,79%, shrinkage berkisar 2,37-10,92%, flux density magnetik
berkisar 13,00-65,45 Gauss, remanensi Br berkisar 0,03-0,20 kGauss, koersivitas
HCJ berkisar 0,082-0,096 kOe dan BHmax berkisar 0,046-0,290 MGOe. Kedua
bahan sebagian besar bereaksi, struktur fasa yang dihasilkan FeAl2O3, BaFeO3,
Fe2O3, Ba3Al2O6 dan Fe3O4. Sedangkan morfologinya relatif homogen dengan
bentuk partikel menyerupai batang dan ukuran partikel < 1 μm. Komposisi dan
suhu optimum adalah 40% wt Al2O3 pada suhu 1050 0C dengan menghasilkan
bulk density 4340 kg/m3, porositas 22,98%, shrinkage 6,27% dan flux density
63,00 Gauss. Magnet permanen yang dihasilkan bersifat soft magnetik yang
diharapkan dapat digunakan sebagai media recording atau material absorben
microwave.
Kata kunci : BaFe12O19, Al2O3, Sintering, Bulk Density, Magnetik flux density,
SEM, XRD.
10
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION BASED MAGNET
BARIUM HEXAFERRITE - ALUMINA
ABSTRACT
Permanent magnet based on BaFe12O19 - Al2O3 by powder metallurgy method has
been made. Variables of the research is barium hexaferrite (BaFe12O19) materials
added Al2O3 with variations in the composition of 100:0, 60:40, 50:50 and 40:60
(% weight) and the sintering temperature of 900, 950, 1000, 1050 and 1100 0C
with holding time of 2 hours. Quantities observed were include density, porosity,
flux density, hysteresis curve, microstructure analysis by XRD and SEM. From the
observation indicate that the addition of Al2O3 to produce true density ranges
from 3570 to 4450 kg/m3, green body density ranges from 2600 to 3270 kg/m3,
bulk density ranges from 4030 to 5170 kg/m3, porosity ranges from 19.28 to
24.79%, shrinkage ranges from 2.37 to 10.92%, magnetic flux density ranges
from 13.00 to 65.45 Gauss, remanence Br ranges from 0.03 to 0.20 kGauss,
coercivity HCJ ranges from 0.082 to 0.096 kOe and BHmax ranges from 0.046 to
0.290 MGOe. Both materials are generally reacted, the resulting phase structure
FeAl2O3, BaFeO3, Fe2O3, Ba3Al2O6 and Fe3O4. The morphology is relatively
homogeneous with the particle shape resembles a rod with a particle size < 1 μm.
The best composition and temperature is 40 %wt Al2O3 at a temperature of 1050
0
C with a bulk density of 4340 kg/m3, porosity of 22.98%, shrinkage of 6.27% and
flux density 63.00 Gauss. The resulting permanent magnet are soft magnetic
expected to be used as recording media or microwave absorbent material.
Keywords :
BaFe12O19, Al2O3, Sintering, Bulk Density, Magnetic flux density, SEM,
XRD.
11
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR .................................................................................
ABSTRAK ...................................................................................................
ABSTRACT .................................................................................................
DAFTAR ISI .................................................................................................
DAFTAR TABEL .......................................................................................
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................
1.1 Latar Belakang .......................................................................
1.2 Perumusan Masalah ...............................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian .................................................................
i
ii
iii
iv
vi
vii
ix
1
1
2
2
3
3
BAB II
4
4
4
5
6
9
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
15
17
17
17
18
19
20
21
22
23
23
24
26
TINJAUAN PUSTAKA .............................................................
2.1 Barium Ferit ...........................................................................
2.1.1 Kisi Kristal Barium Heksaferit .....................................
2.1.2 Sifat Magnet Barium Heksaferit ...................................
2.2 Alumina (Al2O3) ....................................................................
2.3 Polyvinyl Alkohol (PVA) ......................................................
2.4 Pengertian Magnet .................................................................
2.4.1 Medan Magnet ...........................................................
2.4.2 Momen Magnetik ......................................................
2.4.3 Induksi Mangetik .......................................................
2.4.4 Kuat Medan Magnetik ...............................................
2.4.5 Intensitas Kemagnetan ...............................................
2.4.6 Macam-macam Magnet .............................................
2.4.7 Sifat-sifat Magnet Permanen .....................................
2.4.7.1 Koersvitas ......................................................
2.4.7.2 Remanen dan Keterlambatan .........................
2.4.7.3 Saturasi Magnetisasi ......................................
2.4.7.4 Medan Anisotropi ..........................................
2.4.7.5 Temperatur Curie (Tc) ...................................
2.4.8 Bahan Magnetik .........................................................
2.4.8.1 Bahan Diamagnetik ........................................
2.4.8.2 Bahan Paramagnetik ......................................
2.4.8.3 Bahan Ferromagnetik .....................................
2.4.9 Material Magnet Lunak dan Magnet Keras ...............
2.4.10 Jenis Magnet Permanen .............................................
2.5 Metalurgi Serbuk ...................................................................
2.6 Proses Kalsinasi .....................................................................
2.7 Proses Sintering .....................................................................
2.7.1 Tahapan Sintering ......................................................
2.7.2 Klasifikasi Sintering ..................................................
12
2.7.3 Efek Sintering Terhadap Sifat Sampel ......................
2.8 Karakterisasi dan Evaluasi Magnet Permanen ......................
2.8.1 Uji Difraksi Sinar-X (XRD) ......................................
2.8.2 Scanning Electron Microscope (SEM) ......................
2.8.3 Permagraph ................................................................
2.8.4 Uji Densitas ...............................................................
2.8.5 Porositas .....................................................................
27
27
28
29
30
30
31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ...............................................
3.2 Peralatan dan Bahan ..............................................................
3.2.1 Peralatan ....................................................................
3.2.2 Bahan .........................................................................
3.3 Diagram Alir Penelitian .........................................................
3.4 Prosedur Penelitian ................................................................
3.4.1 Kalsinasi Bahan Baku ................................................
3.4.2 Pencampuran Bahan Baku .........................................
3.4.3 Proses Kompaksi .......................................................
3.4.4 Proses Sintering .........................................................
3.4.5 Magnetisasi ................................................................
3.5 Karakterisasi ..........................................................................
3.5.1 Karakterisasi Sifat Fisik .............................................
3.5.1.1 Bulk Density ..................................................
3.5.1.2 Porositas .........................................................
3.5.1.3 X-Ray Diffraction (XRD) ..............................
3.5.1.1 Struktur Mikro ...............................................
3.5.2 Karakterisasi Sifat Magnetik .....................................
33
33
33
33
34
34
35
36
36
37
37
37
37
37
37
38
38
38
38
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................
4.1 Particle Size Analyzer (PSA) ..............................................
4.2 True Density ........................................................................
4.3 Gree Body Density ..............................................................
4.4 Bulk Density .......................................................................
4.5 Porositas ..............................................................................
4.6 Shrinkage ............................................................................
4.7 Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ......................................
4.8 Scanning Electron Microscope (SEM) ................................
4.9 Fulx Density Magnetik ........................................................
4.10 Kurva Histerisis ...................................................................
39
39
42
43
45
46
48
49
50
51
53
BAB V
55
55
55
KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................
5.1 Kesimpulan ............................................................................
5.2 Saran ....................................................................................
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
13
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Judul
Halaman
Sifat-sifat Keramik Alumina
Nilai Kerapatan dari Beberapa Jenis Ferrite
Data Hasil Distribusi Diameter Partikel Barium
Heksa Ferit dan Alumina
Data Densitas Serbuk (True Density) BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (% wt) sesudah
dimilling 48 jam
Data Green Body Density dari Bahan Magnet
BaFe12O19 dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50
dan 60% wt) yang Dikompaksi pada Tekanan 35
kgf/cm2 dan ditahan selama
1 menit
Data Bulk Density dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Masing-masing Ditahan Selama 2 jam
Data Porositas dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Masing-masing Ditahan Selama 2 jam
Data Shrinkage dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Ditahan Selama 2 jam
Hubungan Flux Density Magnetik Terhadap Suhu
Sintering dari BaFe12O19 dengan Penambahan
Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
Hubungan Sifat Magnet Terhadap Suhu Sintering
dari BaFe12O19 dengan Penambahan Al2O3 (0, 40,
50 dan 60% wt)
8
15
40
42
44
45
46
48
52
53
14
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Judul
Struktur Barium Heksaferit
Struktur Kristal Mineral Korondum Alumina
Grafik Transformasi Fasa Alumina
Struktur Ikatan Kimia PVA
Arah Momen Magnetik Bahan Nonmagnetik
Arah Momen Magnetik Bahan Magnetik
Arah Domain-domain dalam Bahan Paramagnetik
Sebelum Diberi Medan Magnet Luar
Arah Domain dalam Bahan Paramagnetik Setelah
Diberi Medan Magnet Luar
Histeresis Material Magnet (a) Material Lunak
(b) Material Keras
Arah Partikel pada Magnet Isotropi dan Anisotropi
(a) Arah Partikel Acak (Isotrop) (b) Arah Partikel
Searah (Anisotropi)
Proses Sinter Padat (a) Sebelum Sinter Partikel
Mempunyai Permukaan Masing-masing (b) Setelah
Sinter Hanya Mempunyai Satu Permukaan
Pengaruh Suhu Sintering pada (1) Porositas, (2)
Densitas, (3) Tahanan Listrik, (4) Kekuatan, dan (5)
Ukuran Butir
Geometri Sebuah Difraktometer Sinar-X
Diagram Alir dari Pembuatan Magnet Berbasis
Barium Heksaferit – Alumina dengan Perekat PVA
Alat Pengukur Massa (Neraca)
Histogram distribusi ukuran partikel (a) BaFe12O19
kalsinasi 1000 0C, (b) Al2O3 kalsinasi 1000 0C, (c)
BaFe12O19+Al2O3 digiling selama 48 jam
Grafik hubungan true density terhadap penambahan
alumina (% wt) sesudah digiling selama 48 jam
Grafik hubungan green body density terhadap
penambahan alumina (% wt) yang dikompaksi pada
tekanan 35 kgf/cm2 dan ditahan selama 1 menit
Hubungan bulk density terhadap suhu sintering dari
bahan Magnet BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3
(0, 40, 50 dan 60% wt)
Grafik hubungan porositas terhadap temperatur
bahan Magnet BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3
(0, 40, 50 dan 60% wt)
Hubungan nilai shrinkage terhadap suhu sintering
dari BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3 (0, 40, 50
dan 60% wt)
Pola XRD dari BaFe12O19 dan Al2O3 setelah
dikalsinasi pada suhu 1000 0C (2 jam) serta disinter
pada suhu 900, 950, 1000, 1050 dan 1100 0C (2 jam)
Halaman
5
6
8
9
12
12
18
19
20
22
26
27
28
35
37
41
43
44
45
47
48
49
15
Sambungan…
4.8
4.9
4.10
Hasil Analisis SEM (Distribusi dan Ukuran butir)
Hubungan flux density terhadap suhu sintering dari
BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan
60% wt)
Hubungan Sifat magnet terhadap suhu sintering dari
BaFe12O19 dengan penambahan 40% Al2O3 (wt)
51
52
53
16
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Lampiran
A
Hasil Pengukuran True Density BaFe12O19 yang
ditambahkan dengan Al2O3 (Milling 48 jam)
B
Hasil Pengukuran Green Body Density BaFe12O19
yang ditambahkan dengan Al2O3 (Milling 48 jam)
C
Hasil Pengukuran Bulk Density dan Porositas
BaFe12O19 yang ditambahkan dengan Al2O3 dan
Disintering pada Suhu 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C (2 jam)
D
Dokumentasi
F
Density of Water (g/mL) vs. Temperature (0C)
G
Standard Test Method for Water Absorption, Bulk
Density, Apparent Porosity, and Apparent Spesific
Gravity of Fired Whiteware Product
H
Mesh vs. Micron Comparison Chart
Halaman
61
62
64
67
68
69
71
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT - ALUMINA
TESIS
Oleh
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
2
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT - ALUMINA
TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh
gelar Magister Sains dalam Program Studi
Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana
Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara
Oleh
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
3
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis
: SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET
BERBASIS BARIUM HEKSAFERITALUMINA
Nama Mahasiswa
Nomor Induk Mahasiswa
Program Studi
Fakultas
: TAUFIK HIDAYAT HIA
: 137026001
: Magister Ilmu Fisika
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Ketua
Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc
Anggota
Ketua Program Studi,
Dekan,
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
NIP 19550706 198102 1 002
Dr. Sutarman, M.Sc
NIP 19631026 199103 1 001
4
PERNYATAAN ORISINALITAS
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT – ALUMINA
TESIS
Dengan saya mengatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil
kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumbernya dengan benar.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
NIM 137026001
5
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan
di bawah ini :
Nama
NIM
Program Studi
Jenis Karya Ilmiah
:
:
:
:
TAUFIK HIDAYAT HIA
137026001
Magister Ilmu Fisika
Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive
Royalty Free Right) atas Tesis saya yang berjudul :
Sintesis dan Karakterisasi Magnet Berbasis Barium Heksaferit –
Alumina
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalty NonEksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan
Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya
sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
6
Telah diuji pada
Tanggal
: 27 Juli 2015
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Anggota
: 1. Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc
2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc
3. Prof. Drs. M. Syukur, M.S
4. Dr. Kerista Sebayang, M.S
7
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar : Taufik Hidayat Hia, S.Pd
Tempat dan Tanggal Lahir
: Lolohia, 15 September 1980
Alamat Rumah
: Desa Lolohia, Kec. Mandrehe Barat, Kab.
Nias Barat, Prov. Sumatera Utara
Telepon/Faks/HP
: 0813 7036 9849
: [email protected]
Instansi Tempat Bekerja
: SMK Negeri 2 Mandrehe Barat
Alamat Kantor
: Desa Lolohia, Kec. Mandrehe Barat, Kab.
Nias Barat, Prov. Sumatera Utara
Telepon/Faks/HP
: -
DATA PENDIDIKAN
SD
: SDN 076716 Lolohia
Tamat
: 1993
SMP
: SLTP Negeri 3 Mandrehe
Tamat
: 1996
SMA
: SMA Negeri 1 Mandrehe
Tamat
: 1999
Strata-1
: Universitas Negeri Medan
Tamat
: 2005
8
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkatNya,
sehingga dapat menyelesaikan penulisan tesis ini dengan judul : “Sintesis dan
Karakterisasi Magnet Berbasis Barium Heksaferit-Alumina”. Penulisan tesis
ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar
Master Fisika pada Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana FMIPA Universitas
Sumatera Utara - Medan.
Dalam penyusunan tesis ini banyak masukan, bimbingan dan bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati menyampaikan
rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
- Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM), Sp. A(K)., selaku Rektor
Universitas Sumatera Utara – Medan.
- Dr. Sutarman, M.Sc., selaku Dekan Fakultas Matematika Ilmu Pengetahuan
Alam Universitas Sumatera Utara - Medan.
- Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc., selaku Ketua Program Studi Magister Fisika
Universitas Sumatera Utara – Medan dan sekaligus sebagai pembimbing satu
yang selalu memberikan masukan.
- Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing dua dan
pembimbing lapangan yang selalu bersedia meluangkan waktunya dalam
mengarahkan dan membimbing, sehingga penelitian ini dapat terlaksana
dengan baik.
- Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc (pembanding I), Prof. Drs. M. Syukur, MS
(pembanding II) dan Dr. Kerista Sebayang, M.S (Pembanding II) yang selalu
memberikan masukan.
- Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc., selaku pembimbing lapangan yang bersedia
meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan membimbing, sehingga
penelitian ini dapat terlaksana dengan baik serta pendamping pembimbing
lapangan Mas Boy, Mbak Ayu Yuswitasari, Mas Ibrahim dan Mas Lukman
yang selalu sabar membantu dalam penggunaan alat-alat laboratorium.
- Isteri tercinta Enasuciwati Gulo, Ayahanda tercinta Daliaro Hia, Ibunda
tercinta Rusifina Wau dan seluruh keluarga yang selalu mendukung dan
memotivasi serta mendoakan dengan penuh keikhlasan, sehingga penelitian ini
dapat terlaksana dengan baik.
- Teman-teman seperjuangan angkatan 2013 yang tidak dapat disebutkan satu
persatu dan adik-adik Fisika S1 Universitas Sumatera Utara – Medan (tugas
akhir di LIPI tahun 2015) yang selalu bersedia membantu dalam proses
penelitian.
Dalam penulisan tesis ini disadari bahwa masih terdapat kelemahan dan
kekurangan. Oleh karena itu, saran dan masukan dari pembaca demi
kesempurnaan tesis ini sangat diharapkan. Akhir kata, kiranya Tuhan Yang Maha
Kuasa yang membalas kebaikan dari semua pihak dan semoga tesis ini bermanfaat
bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia, Amin.
Medan, 27 Juli 2015
TAUFIK HIDAYAT HIA
9
SINTESIS DAN KARAKTERISASI MAGNET BERBASIS
BARIUM HEKSAFERIT – ALUMINA
ABSTRAK
Telah berhasil dibuat magnet permanen berbasis BaFe12O19-Al2O3 melalui metode
metalurgi serbuk. Variabel penelitian yang dilakukan adalah bahan barium
heksaferit (BaFe12O19) ditambahkan Al2O3 dengan variasi komposisi 100:0, 60:40,
50:50 dan 40:60 (% berat), serta suhu sintering 900, 950, 1000, 1050 dan 1100 0C
yang masing-masing ditahan selama 2 jam. Besaran-besaran yang diamati
meliputi densitas, porositas, fluks densitas, kurva histerisis, analisa mikrostruktur
dengan XRD dan SEM. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa penambahan
Al2O3 menghasilkan true density berkisar 3570-4450 kg/m3, green body density
berkisar 2600-3270 kg/m3, bulk density berkisar 4030-5170 kg/m3, porositas
berkisar 19,28-24,79%, shrinkage berkisar 2,37-10,92%, flux density magnetik
berkisar 13,00-65,45 Gauss, remanensi Br berkisar 0,03-0,20 kGauss, koersivitas
HCJ berkisar 0,082-0,096 kOe dan BHmax berkisar 0,046-0,290 MGOe. Kedua
bahan sebagian besar bereaksi, struktur fasa yang dihasilkan FeAl2O3, BaFeO3,
Fe2O3, Ba3Al2O6 dan Fe3O4. Sedangkan morfologinya relatif homogen dengan
bentuk partikel menyerupai batang dan ukuran partikel < 1 μm. Komposisi dan
suhu optimum adalah 40% wt Al2O3 pada suhu 1050 0C dengan menghasilkan
bulk density 4340 kg/m3, porositas 22,98%, shrinkage 6,27% dan flux density
63,00 Gauss. Magnet permanen yang dihasilkan bersifat soft magnetik yang
diharapkan dapat digunakan sebagai media recording atau material absorben
microwave.
Kata kunci : BaFe12O19, Al2O3, Sintering, Bulk Density, Magnetik flux density,
SEM, XRD.
10
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION BASED MAGNET
BARIUM HEXAFERRITE - ALUMINA
ABSTRACT
Permanent magnet based on BaFe12O19 - Al2O3 by powder metallurgy method has
been made. Variables of the research is barium hexaferrite (BaFe12O19) materials
added Al2O3 with variations in the composition of 100:0, 60:40, 50:50 and 40:60
(% weight) and the sintering temperature of 900, 950, 1000, 1050 and 1100 0C
with holding time of 2 hours. Quantities observed were include density, porosity,
flux density, hysteresis curve, microstructure analysis by XRD and SEM. From the
observation indicate that the addition of Al2O3 to produce true density ranges
from 3570 to 4450 kg/m3, green body density ranges from 2600 to 3270 kg/m3,
bulk density ranges from 4030 to 5170 kg/m3, porosity ranges from 19.28 to
24.79%, shrinkage ranges from 2.37 to 10.92%, magnetic flux density ranges
from 13.00 to 65.45 Gauss, remanence Br ranges from 0.03 to 0.20 kGauss,
coercivity HCJ ranges from 0.082 to 0.096 kOe and BHmax ranges from 0.046 to
0.290 MGOe. Both materials are generally reacted, the resulting phase structure
FeAl2O3, BaFeO3, Fe2O3, Ba3Al2O6 and Fe3O4. The morphology is relatively
homogeneous with the particle shape resembles a rod with a particle size < 1 μm.
The best composition and temperature is 40 %wt Al2O3 at a temperature of 1050
0
C with a bulk density of 4340 kg/m3, porosity of 22.98%, shrinkage of 6.27% and
flux density 63.00 Gauss. The resulting permanent magnet are soft magnetic
expected to be used as recording media or microwave absorbent material.
Keywords :
BaFe12O19, Al2O3, Sintering, Bulk Density, Magnetic flux density, SEM,
XRD.
11
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR .................................................................................
ABSTRAK ...................................................................................................
ABSTRACT .................................................................................................
DAFTAR ISI .................................................................................................
DAFTAR TABEL .......................................................................................
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................
1.1 Latar Belakang .......................................................................
1.2 Perumusan Masalah ...............................................................
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................
1.5 Manfaat Penelitian .................................................................
i
ii
iii
iv
vi
vii
ix
1
1
2
2
3
3
BAB II
4
4
4
5
6
9
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
15
17
17
17
18
19
20
21
22
23
23
24
26
TINJAUAN PUSTAKA .............................................................
2.1 Barium Ferit ...........................................................................
2.1.1 Kisi Kristal Barium Heksaferit .....................................
2.1.2 Sifat Magnet Barium Heksaferit ...................................
2.2 Alumina (Al2O3) ....................................................................
2.3 Polyvinyl Alkohol (PVA) ......................................................
2.4 Pengertian Magnet .................................................................
2.4.1 Medan Magnet ...........................................................
2.4.2 Momen Magnetik ......................................................
2.4.3 Induksi Mangetik .......................................................
2.4.4 Kuat Medan Magnetik ...............................................
2.4.5 Intensitas Kemagnetan ...............................................
2.4.6 Macam-macam Magnet .............................................
2.4.7 Sifat-sifat Magnet Permanen .....................................
2.4.7.1 Koersvitas ......................................................
2.4.7.2 Remanen dan Keterlambatan .........................
2.4.7.3 Saturasi Magnetisasi ......................................
2.4.7.4 Medan Anisotropi ..........................................
2.4.7.5 Temperatur Curie (Tc) ...................................
2.4.8 Bahan Magnetik .........................................................
2.4.8.1 Bahan Diamagnetik ........................................
2.4.8.2 Bahan Paramagnetik ......................................
2.4.8.3 Bahan Ferromagnetik .....................................
2.4.9 Material Magnet Lunak dan Magnet Keras ...............
2.4.10 Jenis Magnet Permanen .............................................
2.5 Metalurgi Serbuk ...................................................................
2.6 Proses Kalsinasi .....................................................................
2.7 Proses Sintering .....................................................................
2.7.1 Tahapan Sintering ......................................................
2.7.2 Klasifikasi Sintering ..................................................
12
2.7.3 Efek Sintering Terhadap Sifat Sampel ......................
2.8 Karakterisasi dan Evaluasi Magnet Permanen ......................
2.8.1 Uji Difraksi Sinar-X (XRD) ......................................
2.8.2 Scanning Electron Microscope (SEM) ......................
2.8.3 Permagraph ................................................................
2.8.4 Uji Densitas ...............................................................
2.8.5 Porositas .....................................................................
27
27
28
29
30
30
31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ...............................................
3.2 Peralatan dan Bahan ..............................................................
3.2.1 Peralatan ....................................................................
3.2.2 Bahan .........................................................................
3.3 Diagram Alir Penelitian .........................................................
3.4 Prosedur Penelitian ................................................................
3.4.1 Kalsinasi Bahan Baku ................................................
3.4.2 Pencampuran Bahan Baku .........................................
3.4.3 Proses Kompaksi .......................................................
3.4.4 Proses Sintering .........................................................
3.4.5 Magnetisasi ................................................................
3.5 Karakterisasi ..........................................................................
3.5.1 Karakterisasi Sifat Fisik .............................................
3.5.1.1 Bulk Density ..................................................
3.5.1.2 Porositas .........................................................
3.5.1.3 X-Ray Diffraction (XRD) ..............................
3.5.1.1 Struktur Mikro ...............................................
3.5.2 Karakterisasi Sifat Magnetik .....................................
33
33
33
33
34
34
35
36
36
37
37
37
37
37
37
38
38
38
38
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................
4.1 Particle Size Analyzer (PSA) ..............................................
4.2 True Density ........................................................................
4.3 Gree Body Density ..............................................................
4.4 Bulk Density .......................................................................
4.5 Porositas ..............................................................................
4.6 Shrinkage ............................................................................
4.7 Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ......................................
4.8 Scanning Electron Microscope (SEM) ................................
4.9 Fulx Density Magnetik ........................................................
4.10 Kurva Histerisis ...................................................................
39
39
42
43
45
46
48
49
50
51
53
BAB V
55
55
55
KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................
5.1 Kesimpulan ............................................................................
5.2 Saran ....................................................................................
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
13
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Judul
Halaman
Sifat-sifat Keramik Alumina
Nilai Kerapatan dari Beberapa Jenis Ferrite
Data Hasil Distribusi Diameter Partikel Barium
Heksa Ferit dan Alumina
Data Densitas Serbuk (True Density) BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (% wt) sesudah
dimilling 48 jam
Data Green Body Density dari Bahan Magnet
BaFe12O19 dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50
dan 60% wt) yang Dikompaksi pada Tekanan 35
kgf/cm2 dan ditahan selama
1 menit
Data Bulk Density dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Masing-masing Ditahan Selama 2 jam
Data Porositas dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Masing-masing Ditahan Selama 2 jam
Data Shrinkage dari Bahan Magnet BaFe12O19
dengan Penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
yang Disinter pada Suhu : 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C dan Ditahan Selama 2 jam
Hubungan Flux Density Magnetik Terhadap Suhu
Sintering dari BaFe12O19 dengan Penambahan
Al2O3 (0, 40, 50 dan 60% wt)
Hubungan Sifat Magnet Terhadap Suhu Sintering
dari BaFe12O19 dengan Penambahan Al2O3 (0, 40,
50 dan 60% wt)
8
15
40
42
44
45
46
48
52
53
14
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Judul
Struktur Barium Heksaferit
Struktur Kristal Mineral Korondum Alumina
Grafik Transformasi Fasa Alumina
Struktur Ikatan Kimia PVA
Arah Momen Magnetik Bahan Nonmagnetik
Arah Momen Magnetik Bahan Magnetik
Arah Domain-domain dalam Bahan Paramagnetik
Sebelum Diberi Medan Magnet Luar
Arah Domain dalam Bahan Paramagnetik Setelah
Diberi Medan Magnet Luar
Histeresis Material Magnet (a) Material Lunak
(b) Material Keras
Arah Partikel pada Magnet Isotropi dan Anisotropi
(a) Arah Partikel Acak (Isotrop) (b) Arah Partikel
Searah (Anisotropi)
Proses Sinter Padat (a) Sebelum Sinter Partikel
Mempunyai Permukaan Masing-masing (b) Setelah
Sinter Hanya Mempunyai Satu Permukaan
Pengaruh Suhu Sintering pada (1) Porositas, (2)
Densitas, (3) Tahanan Listrik, (4) Kekuatan, dan (5)
Ukuran Butir
Geometri Sebuah Difraktometer Sinar-X
Diagram Alir dari Pembuatan Magnet Berbasis
Barium Heksaferit – Alumina dengan Perekat PVA
Alat Pengukur Massa (Neraca)
Histogram distribusi ukuran partikel (a) BaFe12O19
kalsinasi 1000 0C, (b) Al2O3 kalsinasi 1000 0C, (c)
BaFe12O19+Al2O3 digiling selama 48 jam
Grafik hubungan true density terhadap penambahan
alumina (% wt) sesudah digiling selama 48 jam
Grafik hubungan green body density terhadap
penambahan alumina (% wt) yang dikompaksi pada
tekanan 35 kgf/cm2 dan ditahan selama 1 menit
Hubungan bulk density terhadap suhu sintering dari
bahan Magnet BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3
(0, 40, 50 dan 60% wt)
Grafik hubungan porositas terhadap temperatur
bahan Magnet BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3
(0, 40, 50 dan 60% wt)
Hubungan nilai shrinkage terhadap suhu sintering
dari BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3 (0, 40, 50
dan 60% wt)
Pola XRD dari BaFe12O19 dan Al2O3 setelah
dikalsinasi pada suhu 1000 0C (2 jam) serta disinter
pada suhu 900, 950, 1000, 1050 dan 1100 0C (2 jam)
Halaman
5
6
8
9
12
12
18
19
20
22
26
27
28
35
37
41
43
44
45
47
48
49
15
Sambungan…
4.8
4.9
4.10
Hasil Analisis SEM (Distribusi dan Ukuran butir)
Hubungan flux density terhadap suhu sintering dari
BaFe12O19 dengan penambahan Al2O3 (0, 40, 50 dan
60% wt)
Hubungan Sifat magnet terhadap suhu sintering dari
BaFe12O19 dengan penambahan 40% Al2O3 (wt)
51
52
53
16
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Lampiran
A
Hasil Pengukuran True Density BaFe12O19 yang
ditambahkan dengan Al2O3 (Milling 48 jam)
B
Hasil Pengukuran Green Body Density BaFe12O19
yang ditambahkan dengan Al2O3 (Milling 48 jam)
C
Hasil Pengukuran Bulk Density dan Porositas
BaFe12O19 yang ditambahkan dengan Al2O3 dan
Disintering pada Suhu 900, 950, 1000, 1050 dan
1100 0C (2 jam)
D
Dokumentasi
F
Density of Water (g/mL) vs. Temperature (0C)
G
Standard Test Method for Water Absorption, Bulk
Density, Apparent Porosity, and Apparent Spesific
Gravity of Fired Whiteware Product
H
Mesh vs. Micron Comparison Chart
Halaman
61
62
64
67
68
69
71