keramik porselin alumunium sebagai - (UMN) Al

KERAMIK PORSELIN ALUMUNIUM SEBAGAI
BAHAN ISOLATOR LISTRIK
Drs. M. Gade, M.Si
Dosen Kopertis Wilayah I dpk pada FKIP UMN Al-Washliyah Medan
Abstrak
Porselin merupakan bahan keramik yang keras, kuat bewarna putih, tembus cahaya, tidak
poros, halus bila dibakar pada suhu tinggi dan bersifai Isolator listrik.
Keramik porselin alumina sangat mempengaruhi pada sifat fisis, mekanik, termal, listrik
dan mikrostrukturnya. dari karakterisasi sifat listrik yang dihasilkan akan bersamanya
kuat tembus listrik dengan komposisi bahan, suhu sintering dan dapat digunakan
sebagaibahan isolator listrik tegangan tinggi.
Kata kunci : Porselin, alumina, sintering, isolator listrik.
PENDAHULUAN
P
orselin merupakan keramik polikristalin
yang umumnya mempunyai fasa quarts,
mullit dan lebih dari 10 % volumenya
adalah fasa-fasa gelas. Porsein adalah bahan
keramik yang keras, kuat, bewarna putih, tembus
cahaya, tidak poros, halus bila dibakar pada suhu
tinggi dan bersifat isolator listrik (Relva C.
Buchanan.
1999).
Salah
satu
contoh
pengembangan porselin dalam bidang industri
otomotif adalah pembuatan busi (Sparks Plugs).
Tahun 1930 dikembangkan industri porselin
untuk bahan isolator frekuensi tinggi. Kemudian
pengembangan dilakukan secara intensif oleh
MC. Dugel Borkett yang menghasilkan isolator
alumina yang dapat digunakan pada kondisi
tekanan tinggi. Pada dasarnya material porselin
dibentuk dari bahan baku: feldsfar, kaolin (ball
elay) dan kuarsa. Untuk maksud tertentu,
misalnya perbaikan sifat fisisnya dilakukan
penambahan aditif tertentu, antara lain : kapur,
talk, dolomite dan lainnya. Aditif ini dapat juga
berfungsi untuk meningkatkan plastisitas bodi,
kekuatan, memudahkan pembentukannya dan
terbentuknya struktur tertentu. Klasifikasi
keramik porselin dibedakan berdasarkan
komposisi, sifat-sifat dan aplikasinya. Aplikasi
keramik porselin lainnya adalah sebagai bahan
stop kontak, sekring, busi, isolator jaringan
listrik, sakelar pemutus tegangan listrik dan
sebagainya. Mengingat Indonesia kaya akan
bahan galian yang tersebar di daerah-daerah
maka usaha untuk mendorong pemanfaatan
bahan tersebut, khususnya untuk pembuatan
bahan isolator listrik menjadi topik dalam
pembahasan. Dengan demikian dapat diharapkan
suatu terobosan pemanfaatan bahan galian
sehingga memberikan nilai tambah tersendiri
yang cukup berarti.
1.
Keramik Porselin
Keramik porselin merupakan salah satu
jenis keramik konvensional yang memiliki
mikrostruktur yang lebih halus, dan lebih
padat dibandingkan dengan keramik
konvensional lainnya seperti gerabah dan
stoneware. Penggunaan keramik porselin
tidak hanya terbatas sebagai barang seni,
peralatan rumah tangga dan tegel (Tile),
tetapi sudah digunakan sebagai komponen
peralatan teknik misalnya : isolator listrik,
komponen pada busi dan pompa.
Berdasarkan komposisi campuran bahan
baku, keramik porselin diklasifikasikan
menjadi tiga yaitu : Feldspatik Porselin,
alumina Porselin dan Kristobalit Porselin
(Muljadi at all, Jurnall LIPI 2002).
Bodi porselin konvensional dapat
dikalsifikasikan dalam dua tipe yaitu : low
tension porcelain dan high tension
porcelain. Perbedaan kedua tipe ini sangat
tergantung pada komposisi, jumlah fasa
gelas yang terbentuk, sifat-sifat sifat-sifat
dan aplikasinya (Relva C. Buchanan, 1991).
Porselin lunak 9low tension porcelaian)
biasanya kekuatan mekaniknya rendah,
tahan terhadap kejut suhu, respon terhadap
frekuensi tinggi kurang baik, hanya pada
frekuensi rendah (lebih kecil dari 104 Hz).
Porselin jenis ini biasanya disinter pada
suhu 1260 – 1320 °C.
Porselin keras (high tension porcelaian)
yang disebut sebagai porselin tegangan
tinggi, biasanya disinter pada suhu 1250 –
1450 °C, permukaannya halus dan
mengkilap (Relva C. Buchanan, 1991).
Bodi pembentuk porselin terdiri dari :
fieldsfar ()Kna)2O.3AL2O3.6Sio2, Kaolin
Al2O3. 2SiO2. 2H2O dan kuarsa SiO2.
Sifat
fisis
dari
keramik
porselin
diperlihatkan pada tabel dibawah ini.
Tabel Sifat fisis dari keramik porselin High
Tension (Charles A. Harper, 2003
Besaran Fisis
Porositas
Densitas
Temperatur
Sintering
Resivitas (25°C)
Kekerasan
Modulus of
Rupture (MOR)
Bending Strenght
Satuan
%
g/cm3
°C
Kekuatan
Dialektrik
Dialectrik Constant
Loss factor
kV/mm
137,8 –
310
13 - 18
-
6,0 – 7,0
0,020
 - cm
Pa
MPa
MPa
Nilai
0,0
2,3 – 2,5
1300 –
1450
1012 - 1014
18 – 236
83
Dari diagram fasa dapat dilihat bahwa
komposis porselin Alumina adalah 40 – 60%
(berat clay, 20 – 35% (berat) feldsfar dan 20 –
30% (berat) kuarsa.
Kaolin amerupakan bahan baku utama
badan keramik, yang berfungsi untuk
mengontrol rentang pembakaran dan distorsi
selama pembakaran. Kaolin akan membentuk
fasa cair pertama dalam sistem pada suhu sekitar
9000 °C. Kemudian fasa kristalin utama dan
berikutnya mullite (Relva C. Buchanan, 1991).
Feldsfar berfungsi sebagai bahan
pelebur (fluks) yang dapat menurunkan suhu
sinter, meningkatkan fasa gelas, menghindari
pori dan membentuk fasa mullite.
Peningkatan fasa gelas dan kandungan
alkali cendrung menurunkan sifat elektrik dan
kekuatan mekanik porselin. Larutnya fasa diatas
1200 °C akan meningkatkan viscositas dan
mempertahankan bentuk selama pembakaran.
Meningkatnya kandungan kuarsa berarti
meningkatnya kekuatan mekanik, menghasilkan
ukuran butir dibawah 10 m dan menurunkan
ekspansi termal. Pada keramik porselin dimana
elektron-elektron atom penyusunnya terikat
dengan kuat sehingga ion-ion tersebut tidak
berdifusi. Susunan kimia bahan keramik sangat
bervariasi mulai dari senyawa sederhana hingga
berupa campuran beberapa fasa kompl;eks.
Sedangkan porselin alumina merupakan salah
satu jenis porselin non konvensional. Porselin
alumina
biasanya
mengandung
alumina
sebanyak 10 – 40% dari tola berat campuran.
Struktur
kristal
dari
porselin alumina
mengandung 10-40 % adalah korudum, 8 – 20%
quartz dan < 10% adalah fasa gelas. Kekuatan
mekanik porselin ini menjadi tinggi oleh karena
adanya
matriks
gelas
yang
berfungsi
meningkatkan Young modulus dan kekuatannya
setara dengan korodum. Kelebihan dari kristal
korodum antara lain : ukuran butir relatif kecil
sekitar 3 – 5 m dan tidak menimbulkan cacat
mikro sekitar butiran quartz yang kasar, sehingga
suhu sinter menjadi tinggi dibandingkan dengan
keramik
porselin
konvensional.
Dengan
demikian kekuatan mekanik dan kekerasan yang
tinggi sangat memungkinkan untuk diaplikasikan
sebagai isolator listrik yang membutuhkan
kekuatan tinggi (Relva C. Buchanan, 1991).
2.
Alumina
Alumina adalah senyawa yang terdiri
dari alumunium dan oksigen, sehingga
alumina disebut juga senyawa oksida logam.
Keramik yang sering digunakan umumnya
mempunyai fasa Corundum ( - Al2O3)
dengan struktur tumpukan heksagonal
(Hexagonal
Closed
Packed,
HCP).
Keunggulan alumina antara lain :
mempunyai titik lebur tinggi (2050 °C),
stabil digunakan hingga suhu 1700 °C,
kekuatan
mekaniknya
tinggi,
keras,
penghantar panas yang baik, sebagai isolator
listrik dan tahan terhadap korosi. Karena
titik leburnya tinggi maka proses densifikasi
dari material ini juga membutuhkan suhu
sintering yang relatif tinggi (0,85 X titik
lebur = 1750 °C). (Pardamean et all Jurnal
LIPI, 2002)
Material keramik umumnya berupa
senyawa polikristal, dimana pada proses
pembuatannya meliputi beberapa tahap
antara lain : pemilihan bahan baku,
pencampuran,
pembentukan
dan
pembakaran
(sintering).
Parameterparameter proses pembuatan keramik sangat
tergantung pada jenis keramik yang akan
dibuat, bidang aplikasinya dan sifat-sifat
fisis yang diinginkan (James Reed. 1994).
Keramik porselin alumina mempunyai
kontribusi yang signifikan antara sifat
mekanik dan bisa digunakan sebagai bahan
isolator listrik. Menurut Buchanan RC 1986
bahwa keramik dengan kuat tembus listrik /
kuat dielektrik sekitar 9 – 11 kV/mm
tergolong untuk pemakaian isolator listrik
tegangan rendah/menengah). Sedangkan
kuat dielektrik 9,9 – 15,8 kV/mm tergolong
untuk porselin tegangan tinggi dan dapat
digunakan sebagai bahan isolator listrik
tegangan listrik.
PENUTUP
Dari bahasan diatas dapat disimpulkan
1. Unsur aditif alumina pada keramik porselin
sangat mempengaruhi sifat fisis, mekanik,
termal, listrik dan mikrostrukturnya.
2. Besarnya nilai dielektrik strenght untuk hig
tension porcelin sangat tergantung pada
kemampuan pemakaian tegangan listrik.
3. Kuat dielektrik pada tegangan tertentu
keramik porselin alumina dapat digunakan
sebagai bahan isolator listrik.
REFERENSI
Broudic J.C, J. Guille, S.Vilminot, 1989.
Properties of Sol Gel Ceramics and
Vitroceramiks With The Cordierite
Composition, Euro Ceramiks, Vol 2,
edited by R.A. Terstra, Netherland
Haus
K.S, dkk. 1992, Synthesis and
Characterization of Low Thermall
Expansion Cordirerite, ASEAN. Japan
Seminar on Ceramics, Fine Ceranuks,
Kuala Lumpur- Malaysia
Junshiro Hayakawa, 1991, Testing Method of
Bending Strenght and Its Evoluation
JICA – SIRIM Publishing, Malaysia
Smallman, R.E dan Bishop, R.J. 1999.
Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa
Material. Erlangga : Jakarta
James Reed, 1994, Principle of Ceramics
Processing, Jhon Wiley and Son, Inc
Muljadi et all, 2002, Journal Fisika LIPI
Perdamean et all, 2002, Journal Telaah Fisika
LIPI Volume 23
Relva.C.Buchanan,1991,Electronics
Aplication for Advanced ceramics,
Engineering Material Hnadbook, New
York.
Relva. C. Buchanan, 1986, Ceramics Material
for Electronics, Marcel dekker Inc.
New York
Samual J. Scheneider Jr, 1991, Ceramics and
Glass, Vol 4, Engineering Material,
USA
Shackelford F. James. Introduction to
Materials Science for Engineers.
Prentoce Hall International. INC