A. JUDUL PENELITIAN

Pembuatan dan Karakterisasi Magnet Permanen Ba-Hexa Ferrite (BaO.6Fe2O3)

dengan Metode Koopresipitasi dengan Bahan Pasir Besi

B. BIDANG KAJIAN

Bidang kajian dari penelitian ini adalah Fisika Material dan Biofisika

C. LATAR BELAKANG

Teknologi nano merupakan salah satu solusi untuk memenuhi kebutuhan raw

material masa kini dan masa depan. Teknologi nano meliputi: partikel, struktur dan

device yang berukuran kecil, yaitu dalam orde 10-9 meter. Teknologi nano mancakup

bidang yang sangat luas, antara lain diantaranya adalah material magnet. Material

magnet ditinjau dari sifatnya ada dua macam, yaitu: magnet lunak (soft magnetic)

dan magnet keras (hard magnetic) [Masno G, dkk, 2006]. Magnet lunak merupakan

suatu sifat bahan yang tidak permanen, dimana bahan akan berubah menjadi magnet

apabila ada arus yang diberikan dan sifat magnetnya akan hilang bila arus

dilepaskan. Sedangkan pada bahan magnet keras merupakan suatu bahan yang

sengaja dibuat bersifat magnet secara permanen[Moulson A.J, dan J.M. Habert,

1985]. Teknologi material magnet sudah dikenal sejak lama, yaitu: magnet

permanen yang pada awalnya dibuat dari paduan logam seperti SmCo-

magnet,AlNiCo-magnet, dan kemudian berkembang ke arah material oksida atau

material keramik, misalnya feroxdure SrO.6Fe2O3, PbO.6Fe2O3 dan hexagonal

femite BaO.6Fe2O3, serta berbasis logam tanah jarang, contohnya Nd-Fe-B magent.

Bahan-bahan magnet dari keramik tersebut memiliki kemampuan untuk

menghasilkan remanensi magnet (BH) max sampai 3-20 MGOe dan medan magnet

koersifnya (Hc) sekitar 120-270 (KAM-1) [Martirosyan K.S., et.all, 2003]. Magnet

permanen femite berbasis oksida-oksida BaO dan Fe2O3 sangat banyak digunakan

sebagai komponen elektromotor, seal, filter, dan sebagainya. Kebutuhan magnet

permanen untuk industri di Indonesia masih 100% import dari Jepang dan Cina.

Bahan baku di Indonesia cukup melimpah sebagai contoh pasir besi banyak

depositnya di Indonesia. Magnet permanen berbasis BaO.6Fe2O3 dibuat dengan

ukuran butiran sekitar 1-2 µm dan dibakar pada suhu sintering sekitar 1250-13000C

[A. ATAIE, et.all,2002, Martirosyan K. S., et all, 2003]. Dari tabel 1, ditunjukkan

sifat-sifat magnetik dari beberapa bahan magnetik permanen.

Tabel 1. Beberapa dari Sifat magnet permanen [Moulson A.J., Herbert

J.M.,1985]

Perbandingan sifat magnetnya dari beberapa material dapat diperhatikan pada gambar 1.

Gambar 1. Kurva yang menunjukkan perbandingan sifat magnet dari

Beberapa jenis magnet permanen

Dari gambar 1 diperlihatkan bahwa ferrite merupakan jenis magnet permanen yang

tergolong sebagai material keramik dan hanya memiliki remanensi magnet maksimal

sekitar 0.2 - 0.6 T dan koersivitansta relatif rendah sekitar 100-400 kA/m. Memang

dibandingkan dengan magnet dari bahan logam / alloy (SmCo, dan NdFeB) memang

jauh perbedaanya, tetapi produksi magnet ferrite di dunia masih cukup besar, karena

bahan bakunya lebih murang dibandingkan dengan magnet dari jenis logam. Jadi

kebutuhan pasar akan magnet permanen ferrite masih tinggi. Keunggulan lainnya

dari magnet ferrite adalah memiliki suhu kritis (Tc) relatif tinggi dan lebih tahan

korosi.

Tahapan proses pada pembuatan magnet permanent ferrite dapat memberikan

pengaruh yang cukup signifikan terhadap sifat-sifat magnet yang dihasilkan. Pada

umumnya tahapan proses yang sering dilakukan adalah meliputi: preparasi serbuk,

pencetakan untuk menghasilkan green body, pemadatan pada suhu tinggi (sintering),

dan magnetisasi. Suhu sintering sangat tergantung pada jenis material yang

digunakan (komposisi dan ukuran serbuk), sedangkan suhu sintering yang

dibutuhkan adalah mendekati titik lebur capuran bahan baku (raw material) dan juga

sangat tergantung pada besarnya ukuran partikel [Masno G, dkk, 2006]. Pada proses

pembuatan magnet permanen ferrite, suhu sintering dapat diturunkan melalui

pendekatan penggunaan bahan baku yang lebih halus dengan ukuran sampai orde

nano, karena luas kontak antara partikelnya akan menjadi lebih besar. Efek ini akan

berdampak pada energi yang dibutuhkan untuk proses sintering, akan semakin

menjadi rendah dan dapat memberikan peningkatan sifat magnetnya. Karena partikel

dalam orde nano akan mendekati ke sifat single domain. Berdasarkan referensi untuk

barium hexa ferrite BaO.6Fe2O3 yang disentering pada suhu tinggi 13000C dan

ukuran partikel sekitar 1-2 µm, menghasilkan kekuatan maksimum 2000 sampai

3000 Gauss [Moulson A.J., and J.M. herbert, 1985]. Sedangkan magnet permanen

BaO.6Fe2O3 dengan ukuran partikel sekitar 80-100 nm dapat disinter pada suhu

10000C serta memiliki kekuatanmagnet bisa mencapai 4000 Gauss [Bahadur D., et,

All., 2006]. Dalam pembuatan nano partikel BaO.6Fe2O3 melalui proses kimia basah

atau koopresipitasi dengan menggunakan bahan baku FeCl3 dan BaCl2, dan media

pelarut aquades. Kemudian melalui teknik metalurgi serbuk yaitu dengan proses

pencetakan dan sintering, serta magnetisasi untuk dihasilkan magnet permanen

dengan kekuatan magnet 3000-4000 Gauss.

D. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Magnet Permanen dan sifat-sifatnya

Magnet keras atau hard ferrite merupakan magnet permanen yang memiliki

kurva histeresis yang lebar dan memiliki nilai koersivitas Hc yang tinggi. Hard

ferrite adalah material yang memiliki struktur heksagonal dengan formula

MO.6Fe2O3 dan M adalah unsur-unsur dari : Ba, Sr, dan Pb, dan jenis dari magnet ini

dikenal sebagai keramik magnet [Martirosyan K. S., et.all, 2003]. Keramik magnet

yang merupakan magnet permanen mempunyai struktur Hexagonal close-packed.

Yang paling banyak digunakan adalah jenis Barium heksa ferrit BaO.6Fe2O3 yang

memiliki parameter kisi a = 5,8920 angstrom, dan c = 23,1830 angstrom. Gambar

struktur kristal barium heksa ferrite BaO.6Fe2O3 diperlihatkan pada gambar 2.

Gambar 2. Struktur kristal BaO.6Fe2O3 [Moulson A.J, et.All., 1985]

Sifat-sifat kemagnetan suatu bahan dapat diperlihatkan dalam kurva histerisis yaitu

kurva hubungan intensitas magnet (H) terhadap medan magnet (B). Seperti

ditunjukkan pada gambar 3 merupakan kurva histeresis pada saat magnetisasi

Gambar 3. Kurva saat proses magnetisasi [Moulson A.J,et all., 1985]

Pada gambar 3 diatas tampak bahwa kurva tidak terbentuk garis lurus sehingga dapat

dikatakan bahwa hubungan antara B dan H tidak linear. Dengan kenaikan harga H,

mula-mula B turut naik cukup besar, tetapi mulai dari H tertentu terjadi kenaikan

nilai B yang kecil dan makin lama nilai B akan konstan. Harga medan magnet untuk

keadaan saturasi disebut dengan Bs atau medan magnet saturasi. Bahan yang

mencapai saturasi untuk harga H rendah disebut magnet lunak seperti yang

ditunjukkan kurva (a). Sedangkan bahan yang saturasinya terjadi pada harga H yang

tinggi disebut magnet keras seperti yang ditunjukkan kurva (c). Sesudah mencapai

saturasi ketika instensitas magnet H diperkecil hingga mencapai H = 0, ternyata

kurva B tidak melewati jalur kurva semula. Pada harga H = 0, medan magnet atau

rapat fluks B mempunyai harga Br ≠ 0 seperti ditunjukkan pada kurva histerisis pada

gambar 4. Jadi apabila arus pada toroida dimatikan (i=0) maka dalam bahan masih

tersimpan fluks induksi. Harga Br ini disebut dengan induksi remanen atau

remanensi bahan. Pada gambar 4 tampak bahwa setelah harga intensitas magnet

H = 0 atau dibuat negatif (dengan membali arus lilitan), kurva B(H) akan memotong

sumbu pada harga Hc. Intensitas Hc inilah yang diperlukan untuk membuat rapat

fluks B=0 atau menghilangkan fluks dalam bahan, intensitas magnet Hc ini disebut

koersivitas bahan. Bila selanjutnya harga diperbesar pada harga negatif sampai

mencapai saturasi dan dikembalikan melalui nol, berbalik arah dan terus diperbesar

pada harga H positif hingga saturasi kembali, maka kurva B(H) akan membentuk

satu lintasan tertutup yang disebut kurva histeresis. Bahan yang mempunyai

koersivitas tinggi kemagnetannya tidak mudah hilang. Bahan seperti itu baik untuk

membuat magnet permanen.

Gambar 4. Kurva histerisis material magnet [Moulson A.J, et all., 1985]

Produk magnet permanen ada dua macam berdasarkan teknik pembuatannya yaitu

magnet permanen isotropi dan magnet permanen anisotropi. Magnet permanen

isotropi magnet dimana pada proses pembentukkan arahdomain magnet partikel-

partikelnya masih acak, sedangkan yang anistropi pada pembentukkan dilakukan di

dalam medan magnet sehingga arah dommain magnet partikel-partikelnya mengarah

pada ara tertentu seperti ditunjukkan pada gambar 5 untuk membedakan isotropi dan

anisotropi.

Gambar 5. Arah partikel pada magnet isotropi dan anisotropi [Masno G, dkk, 2006]

Magnet permanen isotropi memiliki sifat magnet atau remanensi magnet yang jauh

lebih rendah dibandingkan dengan magnet permanen anisotropi. Perbandingan sifat-

sifat magnet permanen isotropi dan anisotropi dapat dilihat pada tabel 1. Beberapa

(a)

Arah partikel acak

(isotropi)

(b)

Arah partikel searah

(anisotropi)

aplikasi dari magnet permanen antara lain sebagai sealer, holder, komponen speaker,

komponen motor listrik, komponen generator listrik, dan dipergunakan dalam alat-

alat kesehatan pada gambar 6 diperlihatkan beberapa contoh aplikasi magnet

permanen [Moulson A.J, et all., 1985].

Gambar 6. Contoh Aplikasi Magnet permanen

2.2 Keramik Magnet

Keramik adalah bahan-bahan yang tersusun dari senyawa anorganik bukan

logam yang pengolahannya melalui perlakuan dengan temperatur tinggi.

Kegunaanya adalah untuk dibuat berbagai keperluan desain teknis khususnya

dibidang kelistrikan, elektronika, mekanik denngan memanfaatkan magnet keramik

sebagai magnet permanen, dimana material ini dapat menghasilkan medan magnet

tanpa harus diberi arus listrik yang mengalir dalam sebuah kumparan atau solenoida

untuk mempertahankan medan magnet yang dimilikinya. Disamping itu, magnet

permanen juga dapat memberikanmedan yang konstan tanpa meneluarkan daya yang

konitnyu [Moulson A.J, et all., 1985].

Bahan keramik yang bersifat magnetik umumnya merupakan golongan ferit,

yang merupakan oksida yang disusun oleh hematit (a-Fe2O3) sebagai komponen

utama. Bahan ini menunjukkan induksi magnetik spontan meskipun medanmagnet

dihilangkan. Material ferit juga dikenal sebagai magnet keramik, bahan itu tidak lain

adalah oksida be3si yang disebut ferit besi (ferrous ferrite) dengan rumus kimia MO.

(Fe2O3)6, dimana M adalah Ba, Sr atau Pb [A, ATAIE, et.all, 2002, Martirosyan

K.S., et.all,2003]

6Fe2O3 + BaCO3 BaO.6Fe2O3 + CO2

Pada umumnya ferrit dibagi menjadi tiga kelas:

1. Ferrit lunak, ferrit ini mempunyai formula Mfe2O4, dimana M = Cu, Zn, Ni,

Co, Fe, Mn dengan struktur kristal seperti mineral spinel. Sifat bahan

inimempunyai permeabilitas dan hambatan jenis yang tinggi, koersivitas yang

rendah

2. Ferrit keras, ferrit jenis ini adalah turunan dari struktur magneto plumbit yang

dapat ditulis sebagai Mfe12O19, dimana M = Ba, Sr, Pb. Bahan ini mempunyai

gagya koersivitas dan remanen yang tinggi dan mempunyai struktur kristal

heksagonal dengan momen-momen magnetik yang sejajar dengan sumbu c

3. Ferrit berstruktur Garnet, magnet ini mempunyai magnetisasi spontan yang

bergantung pada suhu secara khas. Strukturnya sangat rumit, berbentuk kubik

dengan sel satuan disusun tidak kurang dari 160 atom [idayanti, dkk,2002]

Magnet keramik yang merupakan magnet permanen mempunyai sturuktur hexagonal

close-pakced. Dalam hal ini bahan yang sering digunakan adalah Barrium Ferrite

(BaO.6Fe2O3). Dapat juga barium digantikan bahan yang menyerupai (segolongan)

denganya, yaitu seperti Strontium [Martirosyan K. S., et.all, 2003]. Material

magnetik ferit yang memiliki sifat-sifat campuran beberapa oksida logam valensi II,

dimana oksida besi valensi III (Fe2O3) merupakan komponen yang utama. Ferit keras

banyak digunakan dalam komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil,

pengeras suara (loud speaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver,

circulator, dan rice cooker. Kerapatan dari bahan ferit lebih rendah dibandingkan

logam-logam lain dengan ukuran yang sama. Oleh karenanya nilai saturasi dari

bahan ferit relatif rendah. Nilai kerapatan ferit dapat dilihat dalam daftar tabel 2, dan

nilai perbandingan denganmaterial magnetik yang lain. Ternyata berdasarkan tabel 2

nilai densitas dari BaO.6Fe2O3 adalah sebesar 5,3 g/cm3

Tabel 2. Nilai kerapatan dari berbagai jenis ferrite [Prihatin, Sujito. 2005]

E. TUJUAN DAN MANFAAT

1. Tujuan dari penelitian adalah:

Membuat partikel nano Barium hexa Ferrite [BaO.6Fe2O3] melalui metoda

koopresipitasi dari bahhan baku BaCl2 dan FeCl3

Membuat sinter pellet magnet permanen dari bahan serbuk nano partikel

melalui proses metalurgi serbuk untuk menghasilkan magnet permanen

dengan kekuatan magnet mencapai 3000-4000 Gauss

2. Manfaat dari penelitian adalah:

Mampu memberikan peningkatan skill dalam ilmu pengetahuan dan

teknologi khususnya bidang material magnet dan mampu bersaing dan

berkompetisi dengan negara lain.

Dapat dikuasai teknologi pembuatan magnet permanen BaO.6Fe2O3

diharapkan dapat menjadi pemicu munculnya industri magnet permanen

sehigga tidak perlu mengimport lagi material magnet.

F. METODOLOGI

Penelitian ini meliputi kegiatan di laboratorium untuk pembuatan nano partikel

BaO.6Fe2O3 melalui proses kimia basah (koopresipitasi) agar diperoleh serbuk

BaO.6Fe2O3 dengan ukuran partikel nano serta membuat pellet magnet permanen

BaO.6Fe2O3 melalui proses metalurgi serbuk.

Kegiatan penelitian yang akan dilakukan adalah:

1. Membuat serbuk nano partikel BaO.6Fe2O3 melalui proses kimia basah

(koopresipitasi) dengan bahan baku : FeCl3 dan BaCl2. Untuk dapat

menghasilkan struktur fasa hexagonal ferrite BaO.6Fe2O3 faktor komposisi

pencampuran akan menentukan sekali. Variasi komposisi yaitu: komposisi

stokiometri BaO : Fe2O3 = 1 : 6 (mole ratio), dan komposisi non stokiometri

juga yaitu BaO : Fe2O3 = 1 : 6,2 (mole ratio), dan BaO : Fe2O3 = 1 : 5,8 (mole

ratio). Dilakukan karakterisasi serbuk nano partikel BaO.6Fe2O3 yang meliputi:

pengukuran ukuran partikel dengan menggunakan SEM, analisa mikrostruktur

dengan XRD, dan analisa DTA/TG

2. Membuat sinter magnet permanen BaO.6Fe2O3 melalui solid sintering

(metalurgi serbuk) dengan bahan baku serbuk nano partijkel BaO.6Fe2O3.

Serbuk nano partikel BaO.6Fe2O3 diperolah kemudian dicampur dengan perekat

(PVA) untuk dilakukan pembentukan pellet dengan tekanan 3 Ton. Pellet

berupa green body disintering dengan variasi suhu sintering: 900, 950, 1000,

1050, dan 1100 0C menggunakan tungku listrik dengan waktu penahan 2 jam.

Sampel yang telah di bakar / sinter selanjutnya dikarakterisasi meliputi

pengukuran, densitas, porositas, XRD, dan SEM. Sebagian sampel yang telah

disinter dimagnetisasi dengan energi sebesar 5 – 10 kGaus. Karakterisasi yang

dilakukan meliputi pengukuran; kurva histerisis, dan pengukuran temperatur

curie

Diagram alir pembuatan magnet permanen diperlihatkan pada gambar 6 sebagai

berikut:

Gambar 7. Diagram alir pembuatan magnet permanen BaO.6Fe2O3

Pada tabel 3 diperlihatkan komposisi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu

Tabel 3. Komposisi (mole ratio) dari BaO terhadap Fe2O3