p~ ~ N~ I:I~ N~ u.. ~ X k:t 3. ISSN 1410-')6g6

PREP ARASI,STRUKTUR MIKRO DAN SIF A T LISTRIKKERAMIK ALUMINA PORSELEN UNTUK KOMPONEN ISOLATOR LISTRIK

Pardarnean Sebayang, Muljadi, Etty Marti Wigayati

Puslitbang Fisika Terapan -L/Pl Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

PREPARASI STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT LlSTRIK KERAMIK ALUMINA PORSELEN UNTUK KOMPONEN ISOLATORLlSTRIK. Telah dilakukan pembuatan keramik alumina porselin dengan menggunakan bahan baku lokal : 25-35 % (be rat) feldspar, 25-35 %(berat) kaolin, 21,43-30 % (berat) silika dan penambahan 0 -28,57 % (berat) A1203. Preparasi serbuk bahan baku tersebut dilakukan dengan caramenggiling dengan menggunakan ball mill selama 10 jam dan diayak hingga lolos 200 mesh. Pencetakan benda uji dilakukan dengan tekanan 200kg/cm2, Trayek pembakaran keramik porselin ditentukan berdasarkan data hRsil analisa OTA. Suhu sinteringnya adalah 1300, 1400 dan 1500 °Cyang masing-masing ditahan pada suhu tersebut selama 1 jam. Sifat fisis yang diamati antara lain: kuat tembus, resistivitas dan analisa fasanya.Oari hasil pengukuran kuat tembus dari keramik porselin berkisar antara 6,64 -8,94 kV/mm. Resistivitas berkisar antara 105 -109Q-cm untukrentang suhu pengukuran 200 hingga 400°C. Hasil analisa fasa dari keramik porselin menunjukan bahwa fasa yang terbentuk adalah mullite(orthorombic), quartz (hexagona~, corundum (rhombohedra~ dan sisanya gel as. Ternyata pengaruh komposisi AI203 dan suhu sinteringmemberikan sifat listrik dan struktur mikro lebih spesifik.

ABSTRACT

MICROSTRUCTURE PREPARATION AND ELECTRICAL PROPERTIES OF CERAMIC Al203 FOR ELECTRICAL ISOLATOR.Porcelain ceramic have been synthesized using local raw materials: 25-35 wt. % feldspar, 25-35 wt. % kaolin, 21.43-30 wi. % quartz and 0 -28.57wi. % AI203 additive. Raw materials were prepared using ball mill for 10 hours and sieving through 200-mesh screen. Test samples were dry-pressed about 200 kg/cm2. Firing schedule for the porcelain ceramic was based on OTA measurement. The sintering temperatures were 1300,1400 and 15000C, with 1 hour holding time for each samples at those temperature. The physical properties observed were dielectric strength,resistivity, and their phase analysis. The dielectric strength of porcelain ceramic is about 6.64 -8.94 kV/mm. The resistivity of porcelain ceramic isabout 105 -109 'o'-cm in the range temperature 200 to 400°C. The results of phase analysis of porcelain ceramic show that the phase formed aremullite (orthorhombic), quartz (hexagonal), corundum (rhombohedral) and the remains are glassy phase. In fact, the AI203 composition and

sintering temperature influence give significant electrical properties and microstructure.

PENDAHULUAN

(cutouts) [I]. Pada dasamya porselin dapat dibentuk daribahan baku feldspar, kaolin (ball clay) dan kuarsa [3].Untuk maksud tertentu, misalnya perbaikan sifat-sifatnyadapat dilakukan penambahan bahan tertentu, sepertialumina, batu kapur, talk, dolomit, magnesit dan lainnya.Adapun fungsi bahan tersebut dapat meningkatkanplastisitas badan (plasticity of body), kekuatan,kemudahan untuk pengerjaan / pembentukan danterbentuknya struktur kristal tertentu. Sebenamya bahanbaku tersebut cukup melimpah di Indonesia dan perludioptimasi penggunaannya melalui proses pengolahanbahan baku alam yang siap digunakan oleh industri.Dengan demikian ketergantungan bahan baku dariproduk luar negri dapat teratasi. Hal ini merupakan dasarpemikiran untuk melakukan penelitian ini denganmenggunakan bahan baku lokal, seperti feldspar dari

Porselin adalah salah satu jenis kerarnik yangkeras, kuat, berwarna putih, tembus cahaya (translucent),tidak paras, dan halus [1]. Porselin pertama kali dibuat diChina pada abad 16 masa dinasti r'ang[I]. Saat ituporselin digunakan terbatas sebagai barang seni,peralatan rumah tangga dan bangunan. Sejalan denganperkembangannya, oleh Albert Champion [2] pada tahun1905 di Perancis telah membuat busi (spark plugs)dengan merk yang terkenal Champion. Secara intensifmaterial porselin terns dikembangkan, diantaranya olehMc. Dougel Borlett, Schuartz Waller dan Ridale yangmenghasilkan isolator alumina yang mampu dipakai padakondisi tekanan tinggi. Secara umum keramik porselindapat digunaan sebagai stop kontak, sekering, busi,isolator jaringan listrik, sakelar pemutus tegangan tinggi(high voltage circuit breaker), dan pemutus arus

~I 2g J~ 200072

p~ ~ M~ ~ ~ ~ ~ A~ p~ ~ K-t-1~ ~

p~~.~.

diukur menggunakan rangkaian seperti pada gambardan dihitung melalui persamaan berikut[6]:

v A

L

Resistivitas, p = (2)

Dengan, V adalah tegangan yang diberikan (kV), Iadalah arus listrik (~A), L adalah panjang bend a uji (cm),A adalah luas penampang benda uji (cm1.

Lodoyo -Jatim, kaolin dari Belitung daD kuarsa dariCibadak -Sukabumi. Komposisi bahan baku untukpembuatan keramik alumina porselin terdiri dari 25-35%(berat) feldspar, 25-35% (berat) kaolin, 21,43-30%(berat) silika daD alumina (AlzO3) sebesar: 0 -28,57%[4]. Suhu pembakaran (sintering) pada pembuatankeramik alumina porselin adalah sebagai berikut 1300,1400, daD 1500°C.

Dari basil pembuatan ini diamati sifat fisisnyaantara lain kuat tembus, resistivitas daD analisa fasanya.Dengan memperoleh besaran fisis tersebut maka dapatdiketahui komposisi daD suhu sintering yang optimumserta dapat diperkirakan sejauh mana aplikasi yang dapat

diterapkan.

Tabel2. Komposisi bahan baku pada pembuatan keramikalumina Dorselin

Komposisi bahan baku (% berat)Senyawa

A353530

B c D E

FeldsparKaolinSilika

31,8231,8227,27

29,1729,1725

26,9226,9223,08

2525

21,43

METODOLOGI PENELITIAN

Metodologi penelitian ini mencakup preparasibenda uji dan pengukuran sifat fisisnya. Preparasi bendauji meliputi penggilingan dan pencampuran bahan bakudengan ball mill selama 10 jam, pengayakan serbukhingga lolos ayakan 200 mesh, pencetakan dengantekanan 200 kgicm2 dan variasi suhu sintering [5].Trayek pembakaran dari keramik porselin dapatdiperkirakan dengan menggunakan data analisa termal,DT A. Sedangkan suhu sintering divariasi mulai dari1300 -1500°C dengan interval kenaikan 100°C. Untuk

mengetahui senyawa yang terkandung dari masing-masing bahan baku maka perlu dilakukan analisa kimiadengan menggunakan XRF. Hasil analisa kimia dankomposisi bahan baku pada pembuatan keramik aluminaporselin diperlihatkan pada tabell dan 2.

Untuk mengetahui sifat-sifat dan kemampuanbahan keramik porselin yang dibuat maka perludilakukan pengujian atau analisa. Pengujian yangdilakukan : kuat tembus (dielectric strength) menurutstandar ASTM 149-92 dan pengukuran resistivitas [6].Kuat tembus merupakan suatu ukuran kemampuan bahanuntuk menahan kebocoran (break down) pada saat bahandiberi arus listrik. Tegangan yang terukur disebuttegangan tembus (break down voltage, Vb). Kuat tembus(dielectric strength) sangat dipengaruhi impuritas,porositas dan suhu. Besamya kuat tembus dapatditentukan melalui persamaan berikut [I]:

Alumina,AI2O)

9,09 16,66 23,08 28,57

vVd:L- 0

A L

l (~~~:~:) Gambar 1. Skema pengukuran resistivitas

keramik alumina porselin

VbKuat tembus Ds = ,

d

,...,,~ "'t~';'..(1) A

~---

.....,

'\

: I ~ ::J ~

.,.~ ,~: "~. ,~ "!' ~ ~?" .~ ..~ ~ ,~ ,,~'.,..;

Gambar 2. Kurva DT A serbuk pembentuk keramikalumina porselin.

[:':""'... .,'l,.!,...r,-i

:~--'fDengan, Vb adalah tegangan tembus (kV), d adalahtebal benda uji (mm).

Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakanalat Metrohm, E -3640, Flash tester. Resistivitas sangatpenting diketahui, khususnya untuk bahan isolator listrikatau komponen listrik lainnya[7]. Resistivitas adalahbesamya tegangan yang diberikan terhadap luaspenampang bahan tertentu dibagi besamya arus yangmengalir sepanjang bahan tersebut. Besamya resistivitas

~, 2CJ J~ 2000 73

p~ ~ H~ ~ ~ ~ ~ A~ p~ ~ K...f-t.. (~ ~p~ ~, JJ,/L.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil analisa DT A daTi serbuk keramik aluminaporselin, seperti pada gambar 2 menunjukan terjadinyaperistiwa sebagai berikut:

200 -350°C : pelepasan air kristal/terikat dalam bentukOH[5].

600°C : kaolinit [(AI2SiO2Os)OH4] dekomposisimembentuk amorfus meta kaolin (fasameta stabil), adanya kontraksi quartzdalam jumlah yang besar pada daerahtersebut membentuk rasa a -13 (puncak

endotermik)[l].

V:-- "'4",_"~ .-

-",~p --Simpil A~ -&- Simpil C

0 0.6 t 1.& 2 2.6 3 3.6 4

Tegangan .V (kV)

Gambar 5. Hubungan arus -tegangan yangmenunjukkan daerah kebocoran keramik

alumina porselin dari komposisi A dan C yang disinterpada suhu 1400°C.

990-102S0C 03

0.26

0.2

-.0.t5

J o.t.O.~.

o.

: Temperatur eutektik, butiran feldsparbereaksi dengan silika clan claymembentuk cairan kental, terjadinyakristalisasi kaolinit oleh y aluminaclan mullite (puncak eksotermik)[l].

Dari data-data tersebut maka dapatdirencanakan skedul pembakaran seperti terlihat padagambar 3. Hasil pengukuran kuat tembus diperlihatkanpada gambar 4. Dari hubungan arus tegangan dapatdiperlihatkan daerah kebocoran (break down region),seperti terlihat pada gambar 5. Temyata pengaruh suhusintering dapat meningkatkan kuat tembus dan pengaruhpenambahan alumina cukup berarti untuk suhu 1500°C.Harga kuat tembus yang diperoleh berkisar antara 6,64 -8,94 kV/mm. Sedangkan menurut literatur[4], khususnyauntuk isolator listrik adalah 6,1 -13 kV/mm. Dengandemikian maka pembuatan keramik alumina porselinsudah memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahanisolator listrik. Nilai optimum masing-masing diperolehpada suhu sin/ering 1300°C dengan komposisi A,1400°C dengan komposisi C, dan 1500°C dengankomposisi E.

c~

Waktu (jam)

Gambar 3. Skedul pembakaran keramik alumina porselinyang dibuat.

Gambar 6 b. Kurva resistivitas keramik alumina porselin,suhu sinter 1400oc.

74 ~, 2g J~ 2000

P~~H~k..~~~A~P~~~r~~P~ ~, .lItt..

data jarak antar bidang yang diperoleh yang dicocokandengan Hanawalt File. Dari basil analisa menunjukanbahwa rasa yang terbentuk adalah mullite sebagaimayoritas dan rasa minoritas adalah quartz dancorundum. Untuk rasa quartz mempunyai strukturhexagonal, rasa corundum mempunyai strukturrhombohedral dan rasa mul/ite mempunyai strukturorthorhombic. Apabila dilihat dari suhu sintering makapacta 1300°C terbentuk rasa mul/ite sebagai rasadominan, rasa quartz dan corundum sebagai minoritas.Untuk suhu 1400°C rasa yang terbentuk adalah mul/itedaD corundum, sedangkan pacta 1500°C hanya terbentukrasa mul/ite.

Gambar 6 c. Kurva resistivitas keramik alumina porselin,suhu sinter 1500°C. KESIMPULAN

Penggunaan bahan baku lokal (kaolin, feldspar daDsilika) dengan penambahan komposisi alumina dapatdigunakan untuk pembuatan keramik alumina porselinsebagai bahan isolator. Dilihat dari basil percobaan dapatdisimpulkan sebagai berikut :I. Kuat tembus dari keramik alumina porselin sekitar

an tara 6,64 -8,94 kV/mm. Pengaruh penambahanalumina daD suhu sintering dapat meningkatkan nilaikuat tembus.

2. Nilai resistivitas dari keramik alumina porselinberkisar antara 105 -109 .Q-cm untuk rentang suhupengukuran 200 -400°C. Pengaruh penambahanalumina daD suhu sintering menunjukan terjadinyakenaikan harga resistivitas. Sebagai gambaran, padasuhu pengukuran 250°C nilai optimum resistivitasadalah:.Pada komposisi A dengan suhu sintering

1300°C, resistivitas = 0,22 x 109 .Q-cm.

.Pada komposisi C dengan suhu sintering1400°C, resistivitas = 1,23 x 109 .Q-cm.

.Pada komposisi E dengan suhu sintering1 500°C, resistivitas = 1,99 x 109 .Q-cm.

3. Hasil anal is a struktur mikro menunjukan bahwa :.Suhu sintering 1300°C terbentuk rasa mullite

dengan struktur orthorhombic sebagai rasadominan, minoritas adalah quartz (heksagonal)daD corumdum (rhombohedra/).

.Suhu sintering 1400°C terbentuk rasa mu/lite(orthorhombic) sebagai dominan daD minoritasadalah corum dum (rhombohedra/).

.Suhu sintering 1500°C hanya terbentuk rasamu/lite ( orthorhombic).

DAFTARPUSTAKA

[1] YET-MING CHIANG; DUNBAR BIRNIE, Ill; W.DAVID KINGERY; Physical Ceramics Principlefor Ceramic Science and Engineering; John Wileyand Sons, Inc, New York, 1997.

Hasil pengukuran resistivitas ditunjukkan pactagambar 6. Dari hasil pengukuran menunjukan bahwaharga resistivitas yang diperoleh sekitar 105 -109 Q-cmpacta suhu pengukuran 200 -400°C. Sedangkan menurutliteratur[4] untuk suhu kamar dan 100°C adalah 10]4 dan1010 Q-cm. Ternyata apabila dilihat dari bentuk kurvayang dihasilkan maka harga tersebut sudah memenuhi.Nilai resistivitas optimum untuk suhu pengukuran 250°Cadalah sebagai berikut : pacta komposisi A dengan suhusintering 1300°C sebesar 0,22 x 109 Q-cm, komposisi Cdengan suhu 1400°C sebesar 1,23 x 109 Q-cm, dankomposisi E dengan suhu 1500°C adalah sebesar 1,99 x109 Q-cm.

Hasil analisa struktur mikro dari keramikalumina porselin dengan menggunakan XRDdiperlihatkan pacta gambar 7. Fasa bidang ( h k I ) danstruktur yang terbentuk dapat diidentifikasi berdasarkan

75~I 2~ J~ 2000

p~ ~ ,.,~ k... ~ ~ ~ At...,.."... P.,..,dl... ~ K r- ,~ ~p~ ~I .lU.

[2].

[3].

[6].

[4].[7][8]

Nasional V Kimia Industri dan LingkunganJaringan Kerjasama Kimia Analitik Indonesia,ISSN : 0854 -4778, Halaman 170 -176,Yogyakarta, 1996.DA VID A. COLLING AND THOMAS V ASILOS,Industrial Materials, Volume 1,Metals and Alloys, New Jersey USA, 1995.M.M. RlSTIC, Sintering -New Development,Material Science Monographs, 4; Proceedings ofThe 4 th International Round Table Conference on

Sintering, Elsevier Scientific Publishing Company,New York, 1979.

[5]

JAN HLAVAC, The Technology of Glass andCeramics An Introduction, Elsevier ScientificPublishing Company, New York, 1983.---, Porcelain Insulator, NGK INSULATO, Japan,September 1990.REL V A C. BUCHANAN, Ceramic Materials forElectronics, Processing, Properties, andApplications, Marcel Bekker, Inc., New York,1986.PERDAMEAN SEBA YANG, DKK, PembuatanGelas Keramik Sistem ..MgO -Al2O3 -Si02sebagai Isolator Listrik, Prosiding Seminar

TANYA-JAWAB

Penanya: Sunardi (P3IB-BATAN):1. Bagaimana pengaruh suhu sintering terhadap kuat tembus listrik?

JawabanSuhu sintering sangat tergantung pada komposisi material bahan pembentuk keramik porselin terse but danumumnya semakin tinggi suhu sintering maka kuat tembus listriknyajuga semakin baik / tinggi.

76 ~, 2g J~ 2000