bab 2 tinjauan pustaka - Universitas Sumatera Utara

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Pengertian Magnet
Magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Magnet juga
merupakan material maju yang sangat penting untuk beragam aplikasi teknologi
canggih, berfungsi sebagai komponen pengubah energi gerak menjadi listrik dan
sebaliknya, seperti: otomotif, elektronik dan energy (Collocott, S.J.,2007).
Peningkatan efisiensi energi seperti pada sistem generator listrik, sistem
penggerak listrik/motor listrik, otomatisasi industri dan lainnya sangat ditentukan
oleh sifat material magnet tersebut (Sardjono, 2012).
Kata magnet berasal dari bahasa Yunani, magnitis lithos yang berarti batu
Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah Yunani pada masa lalu,
dimana terdapat batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah
tersebut. Magnet selalu memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan selatan.
Walaupun magnet itu dipotong-potong sampai kecil, potongan tersebut akan tetap
memiliki dua kutub (Vlack, 2014).
Fenomena magnetisme (kemagnetan) sebenarnya telah diamati manusia
sejak beberapa abad sebelum masehi. Pada masa lampau magnet dikenal sebagai
sebuah material berwarna hitam yang disebut lodestone dan dapat menarik besi
serta benda – benda logam lainnya. Batu magnet ditemukan pertama kali di
Magnesia, Asia kecil dan penggunaannya dalam praktek yang pertama
dipertunjukkan oleh bangsa Cina pada tahun 2637 sebalum Masehi, berupa
kompas kutub (kompas penunjuk kutub bumi (Julia, 2011). Magnet dapat dibuat
dari bahan besi, baja, dan campuran logam. Sebuah magnet terdiri atas magnetmagnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnet-magnet
kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet
elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga efeknya
saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada
ujung logam.
Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet
dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya. Magnet
Universitas Sumatera Utara
dapat menarik benda lain, bahkan ada yang tertarik lebih kuat dari benda lainnya,
yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang sama
terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang mempunyai daya
tarik magnet yang tinggi. Sedangkan oksigen cair adalah contoh materi yang
mempunyai daya tarik magnet rendah (Julia, 2011).
2.2 Magnet Permanen
Produk magnet permanen ada dua macam, dibagi berdasarkan teknik
pembuatannya yaitu magnet permanen isotropi dan magnet permanen anisotropi.
(b)
(a)
Gambar 2.1. Arah Partikel Pada Magnet, (a) Arah partikel acak (Isotropi).
(b) Arah partikel searah (Anisotropi) (Masno G, 2006)
Magnet permanen isotropi merupakan magnet dimana arah domain magnet
partikel-partikelnya
masih
acak.
Sedangkan
magnet
anisotropi
pada
pembentukkan dilakukan didalam medan magnet, sehingga arah domain magnet
partikel-partikelnya mengarah pada satu arah tertentu seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.1. Magnet permanen isotropi memiliki sifat magnet atau remanensi
magnet yang lebih rendah dibandingkan dengan magnet permanen anisotropi.
Suatu magnet permanen harus mampu menghasilkan densitas fluks magnet, B
yang tinggi dari suatu volume magnet tertentu. Sifat stabilitas magnetik yang baik
terhadap efek temperatur dan waktu, serta memiliki ketahanan yang tinggi
terhadap pengaruh demagnetisasi. Pada prinsipnya, suatu kemagnetan permanen
haruslah memiliki karakteristik minimal dengan sifat kemagnetan remanen (Br)
dan koersivitas intrinsik (JHc) serta temperatur curie (Tc) yang tinggi (Manaf,
2013).
Universitas Sumatera Utara
2.3 Sifat-Sifat Magnet Permanen
Sifat-sifat magnet permanen (hard ferrite) dipengaruhi oleh kemurnian bahan,
ukuran bulir (grain size), dan orientsi kristal. Parameter kemagnetan juga
dipengaruhi oleh temperatur. Koersivitas dan remanensi akan berkurang apabila
temperaturnya mendekati temperatur curie (Tc) dan akan kehilangan sifat
kemagnetannya temperaturnya sama dengan Tc (Kerista Sebayang, dkk, 2013).
2.4 Sifat Intrinsik Kemagnetan Fasa Magnetik
Beberapa sifat kemagnetan dasar yang penting dari fasa magnetik dapat
disebutkan antara lain koersifitas intrinsik (JHC), remanen (Jr), polarisasi total
(Js), medan anisotopi (HA), produk energi maksimum (BH)max, dan temperatur
Curie (TC). Berikut ini merupakan latarbelakang teori dan sifat kemagnetan.
2.4.1 Loop Histeresis
Remanen dan koersivitas adalah besaran kemagnetan yang dapat didefinisikan
dari suatu loop histerisis magnet. Pada dasarnya loop tersebut merepresentasikan
suatu proses magnetisasi dan demagnetisasi oleh suatu medan magnet luar, (H).
Medan magnet luar yang digunakan untuk memagnetisasi ditingkatkan dari nol,
maka magnetisasi M atau polarisasi J dari magnet akan bertambah besar dan
mencapai tingkat saturasi pada suatu medan magnet luar tertentu. Dengan
melakukan sederetan proses magnetisasi yaitu penurunan medan magnet luar
menjadi nol dan meneruskannya pada arah yang bertentangan, serta meningkatkan
besar medan magnet luar pada arah tersebut dan menurunkannya kembali ke nol
kemudian membalikkan arah seperti semula, maka magnetisasi atau polarisasi dari
magnet permanen terlihat membentuk suatu loop (Manaf, 2013).
Material magnetik diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetik
lemah atau soft magnetic materials dan material magnetik kuat atau hard
magnetic
materials.
Penggolongan
ini
berdasarkan
kekuatan
medan
koersifitasnya. Soft magnetic memiliki medan koersifitas yang lemah, sedangkan
hard magnetic materials memiliki medan koersifitas yang kuat. Hal ini lebih jelas
digambarkan dengan kurva histerisis atau hysteresis loop pada Gambar 2.2.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2. Kurva Histerisis (Hilda Ayu, 2013)
Pada kurva histeresis (gambar 2.2) menunjukkan kurva histeresis untuk soft
magnetic materials pada gambar (a) dan hard magnetic materials pada gambar
(b).
H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan
berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen
tersisa magnetisme residual (Br), dan diperlukan medan magnet (Hc) yang disebut
gaya koersifitas, diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya.
Soft magnetic materials mudah dimagnetisasi dan mudah pula mengalami
demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.2 (a). Nilai H yang rendah sudah
memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan
medan Hc yang kecil untuk menghilangkannya. Soft magnetic materials dapat
mengalami magnetisasi dan tertarik ke magnet lain, namun sifat magnetiknya
hanya akan bertahan apabila magnet berada dalam suatu medan magnetik. Soft
magnetic materials tidak mengalami magnetisasi yang permanen.
Perbedaan antara magnet permanen atau magnet keras, dengan magnet
lunak jelas terlihat pada loop histeresis seperti pada Gambar 2.2. Magnet keras
menarik domain material lain yang mengalami magnetisasi menuju dirinya.
Magnet jenis ini dapat mempertahankan kemagnetannya dalam waktu yang sangat
lama. Ketika suatu material magnetik dimasukkan ke dalam suatu medan
magnetic (H), garis – garis gaya yang berdekatan dihimpun dalam meterial
tersebut sehingga meningkatkan densitas fluks. Secara teknis, terjadi peningkatan
induksi magnetik, B. Tentu saja, besarnya induksi bergantung pada medan
magnetik dan jenis material magnet tersebut. Peningkatan induksi tidak linear
Universitas Sumatera Utara
tetapi mengikuti hubungan B – H yang melonjak ke level yang lebih tinggi, dan
kemudian bertahan mendekati konstan di dalam medan magnetik yang tetap lebih
kuat. Kurva histerisis dari suatu magnet permanen memperlihatkan perbedaan
yang sangat mencolok. Ketika medan magnetik dihilangkan, sebagian besar
induksi dipertahankan agar menghasilkan induksi remanen (Br). Medan terbalik,
disebut medan koersifitas (-Hc), diperlukan sebelum induksi turun menjadi nol.
Sama dengan loop lengkap dari suatu magnet lunak, loop lengkap suatu magnet
permanen mempunyai simetri 180°.
Hasil-kali antara medan magnetik (A/m) dan induksi (V.s/m2) adalah
energi persatuan volume, daerah terintegrasi di dalam loop histerisis adalah energi
yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus magnetisasi dari 0 ke (+H), ke
(–H) dan kembali ke 0. Energi yang diperlukan magnet lunak sangat kecil,
sedangkan magnet keras memerlukan energi yang cukup besar dan pada kondisi
ruang demagnetisasi tidak akan terjadi. Magnetisasinya adalah magnetisasi yang
permanen. Untuk itu, magnet keras (hard magnetic) dapat juga disebut sebagai
magnet permanen. Beberapa sifat dari magnet permanen dapat dilihat pada Tabel
2.1.
Tabel 2.1. Sifat Beberapa Magnet Keras (Hilda Ayu, 2013)
Medan
Hasil Kali
Remanensi
Koersifitas
Demagnetisasi
Br
-Hc
Maksimum
(V.s/m2)
(kA/m)
BHmaks (kJ/m3)
Baja karbon-biasa
1,0
4
1
Alnico V
1,2
55
34
Feroxdur (BaFe12O19)
0,4
150
20
RE – Co *
1,0
700
200
Material Magnetik
Nd2Fe14B
1600
* Tanah jarang – kobalt, khususnya samarium
Magnet permanen dapat ditandai dari medan koersifitas (-Hc), diperlukan
untuk mengembalikan induksi ke nol. Suatu nilai sebesar -Hc = 1000 A/m sering
digunakan untuk memisahkan magnet lunak dan magnet keras (permanen).
Universitas Sumatera Utara
BHmaks merupakan satu ukuran yang lebih baik, karena hasil-kali ini
menunjukkan hambatan energi kritis yang harus dilampaui agar demagnetisasi
bisa terjadi (Manaf, 2013).
2.4.2Polarisasi Total Fasa Magnetik
Polarisasi total (Js) atau magnetisasi total (Ms) dari suatu fasa didefinisikan
sebagai jumlah total momen magnet atom-atom yang terdapat di dalam fasa
magnetik perunit volume sebagaimana dituliskan pada persamaan (2.1) berikut
ini.
𝑀𝑠= ∑
(2.1)
dengan:
Ms
= jumlah total momen magnet atom-atom yang terdapat di dalam fasa
magnetik perunit volume (A.m-1),
= momen magnet per atom i (Bohr magneton),
1 μB
= 9,273 x 10-24J.T-1
V
= volume sel satuan fasa, dan
N
= jumlah jenis atom pada sel satuan fasa.
Sedangkan Js mengambil bentuk seperti persamaan (2.2) dan memiliki satuan
Tesla (T).
Js = μoMs
(2.2)
dengan:
μo
= permeabilitas udara (1 μo = 4 𝜋 x 10-7 H.m-1), dan
Js
= polarisasi total (tesla).
2.4.3 Medan Anisotropi (Anisotropy Field) Fasa Magnetik
Anisotropi magnet dapat muncul dari berbagai sebab seperti bentuk magnet,
struktur kristal, efek stress, dan lain sebagainya. Kebanyakan material
feromagnetik memiliki anistropi kristal yang disebut magnetocrystalline
anisotropy. Kristal ini memiliki arah magnetisasi yang disukai dan disebut sebagai
arah mudah. Apabila magnetisasi dilakukan searah dengan sumbu mudah ini,
maka keadaan jenuh dapat tercapai pada medan magnet luar yang relatif kecil.
Sebaliknya, bila magnetisasi dilakukan searah sumbu keras, keadaan saturasi
Universitas Sumatera Utara
dapat dicapai pada aplikasi medan magnet yang relatip tinggi. Oleh karena itu,
untuk menimbulkan sifat anisotropi, magnet dibuat agar memiliki arah yang
disukai tersebut (preferred direction). Pada keadaan stabil, arah momen magnet
atau magnetisasi kristal adalah sama dengan arah sumbu mudah. Pada konfigurasi
keaadan stabil ini energi total dalam magnet adalah minimum. Sumbu kristal yang
lain disebut sumbu keras, dimana kemagnetan pada arah ini meningkatkan energi
kristal. Oleh karena itu diperlukan suatu energi untuk mengubah arah vektor
magnetisasi yang tadinya searah dengan sumbu mudah. Energi yang diperlukan
untuk mengarahkan arah momen magnet menjauhi sumbu mudahnya disebut
magnetocrystalline energy atau anisotropy energy (Manaf, 2013).
2.4.4 Produk Energi Maksimum (BH)max
(BH)max merupakan sifat yang paling utama dari suatu magnet permanen yang
menunjukkan energi persatuan volume magnet yang dipertahankan di dalam
magnet. Besaran ini diturunkan dari kurva kuadran (kurva demagnetisasi) dari
loop histerisis sehingga diperoleh kurva (BH) yaitu perkalian antara B dan H
sebagai fungsi H. Jadi, kurva (BH) sebagai fungsi H tersebut tidak lain adalah
tempat kedudukan titik – titik luasan di bawah kurva demagnetiasi. Secara
skematik, penentuan kurva (BH) dari kurva demagnetisasi ditunjukkan pada
Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Penentuan Nilai (BH)max dari Kuadran ke-II Loop Histerisis
(Manaf, 2013)
Universitas Sumatera Utara
Sejak ditemukan fasa magnetik ReFeB pada tahun 1983, telah banyak penelitian
yang dilakukan untuk mencapai nilai (BH)max tertinggi. Berbagai usahateknik
preparasi telah dikembangkan dan disain mikrostruktur dioptimalkan. Namun,
nilai (BH)max dari magnet permanen Nd-Fe-B tertinggi yang pernah dicapai pada
skala laboraturium baru mencapai ~ 400 kJ.m-3, yaitu kira-kira 78% dari nilai
intrinsiknya (Manaf, 2013). Jelaslah, penelitian tentang magnet Re-Fe-B masih
terus berlanjut meskipun pada saat ini magnet permanen kelas ini telah diproduksi
secara komersial (Manaf, 2013).
2.4.5 Temperatur Curie Fasa Magnetik
Temperatur Curie (TC) dapat didefinisikan sebagai temperatur kritis dimana
terjadi perubahan dari keteraturan feromagnetik menjadi paramagnetik. Dengan
kata lain, di atas TC, material magnet memiliki magnetisasi yang terlalu rendah.
Dengan demikian TC juga merepresentasikan kekuatan interaksi pertukaran antar
spin-spin elektron atom. Suatu magnet diharapakan memiliki ketahanan yang baik
terhadap temperatur, terutama pada aplikasi-aplikasi dinamik, seperti pada: motor
dan generator. Dalam kasus ini perubahan temperatur diharapkan tidak
mengurangi sedikitpun magnetisasi magnet agar unjuk kerja magnet tetap tinggi.
Hal ini mungkin dapat terjadi apabila magnet tersebut memiliki nilai TC yang
tinggi (Hilda, 2013).
2.5 Magnet Keramik
Magnet keramik memiliki peran yang sangat penting dalam berbagai aplikasi,
khususnya dalam rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi dimana rugi-rugi arus
eddy dalam logam sangat tinggi. Keramik sendiri adalah bahan-bahan yang
tersusun dari senyawa anorganik bukan logam yang pengolahannya melalui
perlakuan dengan temperatur tinggi. Kegunaannya adalah untuk dibuat berbagai
keperluan desain teknis khususnya dibidang kelistrikan, elektronika, dan mekanik,
serta memanfaatkan material keramik tersebut sebagai bahan magnet permanen.
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 jenis ini juga
Universitas Sumatera Utara
dapat memberikan medan yang konstan tanpa mengeluarkan daya yang terus
menerus.
Bahan keramik yang bersifat magnetik umumnya merupakan golongan
ferit, merupakan oksida yang disusun oleh hematit (α-Fe2O3) sebagai komponen
utama. Bahan ini menunjukkan induksi magnetik spontan meskipun medan
magnet luar yang diberikan dihilangkan. Material ferit dikenal sebagai magnet
keramik, bahan itu tidak lain adalah oksida besi yang disebut ferit besi (ferrous
ferrite) dengan rumus kimia MO.(Fe2O3)6, dimana M adalah Ba, Sr atau Pb.
6Fe2O3 + BaCO3 BaO.6Fe2O3+ CO2
Pada umumnya ferit dibagi menjadi tiga kelas:
1. Ferit lunak, ferit ini mempunyai formula MFe2O4, dimana M = Cu, Zn, Ni, Co,
Fe, Mn, dan Mg dengan struktur kristal seperti mineral spinel. Sifat bahan ini
mempunyai permeabilitas dan hambatan jenis yang tinggi, serta koersivitas
yang rendah.
2. Ferit keras, ferit jenis ini adalah turunan dari struktur magneto plumbit yang
dapat ditulis sebagai MFe12O19, dimana M = Ba, Sr, Pb. Bahan ini mempunyai
gaya koersivitas dan remanen yang tinggi dan mempunyai struktur kristal
heksagonal dengan momen-momen magnetik yang sejajar dengan sumbu c.
3. Ferit berstruktur Garnet, magnet ini mempunyai magnetisasi spontan yang
bergantung pada temperatur secara khas. Strukturnya sangat rumit, berbentuk
kubik dengan sel satuan disusun tidak kurang dari 160 atom.
Magnet keramik yang merupakan magnet permanen mempunyai struktur
hexagonal close-pakced (HCP). Dalam hal ini bahan yang sering digunakan
adalah Barrium Ferrite (BaO.6Fe2O3), dapat juga barium digantikan bahan yang
menyerupai
(segolongan)
dengannya,
yaitu
seperti
Strontium.
Material
magnetikferit yang memiliki sifat-sifat campuran beberapa oksida logam valensi
II, dimana oksida besi valensi III (Fe2O3) merupakan komponen yang utama. Ferit
lunak mempunyai struktur kristal kubik dengan rumus umum MO. Fe2O3dimana
M adalah Fe, Mn, Ni, dan Zn atau gabungannya seperti Mn-Zn dan Ni-Zn. Bahan
ini banyak digunakan untuk inti transformator, memori komputer, induktor,
recording heads, microwave dan lain-lain. Ferit keras banyak digunakan dalam
komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil, pengeras suara (loud
Universitas Sumatera Utara
speaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver, circulator dan rice
cooker(Angelo, P.C., 2008).
2.6 Barium Heksaferit (BaFe12O19)
Barium Heksaferit adalah salah satu bahan magnetik yang sudah dipakai dalam
waktu yang lama.Bahkan Barium Heksaferit sudah mulai difabrikasi pada tahun
1950. Jadi Barium Heksaferit adalah “barang lama” dalam dunia kemagnetan dan
sains.
Barium Heksaferit memiliki struktur heksagonal, dengan nilai a dan b
yang sama sedang c berbeda. Nilai sudut alfa dan beta 90, sedang nilai gamma
adalah 120.Setiap satu Kristal Barium Heksaferit terdapat dua molekul Barium
Heksaferit. Jadi setiap satu kristal barium heksaferit terdapat dua atom Ba, 24
atom Fe dan 38 atom O.
Barium Heksaferit terdiri dari beberapa lapisan dengan arah momen
magnet berbeda dan merupakan bahan ferimagnet. Setiap atom Fe pada Barium
Heksaferit memiliki momen dipole magnet 5.9 magneton bohr (Syukur Daulay,
2012).
Gambar 2.4 Struktur kristal Barium Heksaferit (Syukur Daulay, 2012)
2.7 Unsur Pemadu Pada FeB
Paduan merupakan gabungan dari beberapa unsur pada skala mikrosopik, seperti
Universitas Sumatera Utara
pada penyusunan FeB juga terdiri dari beberapa unsur pemadu yaitu Fe dan B.
Paduan Ferro terdiri dari Besi (Fe) dan Boron dengan kandungan Boron (B)
antara 17 % - 20 % , memiliki stuktur orthorhombic dengan titik lelehnya
berkisar antara 1450 o C – 1550 o C ,dan parameter kisi a = 4,0530 Angstrom ,b =
5,4950 dan c = 2,9460 Angstrom (Martin, 2006).
Penggunaan Ferro Boron meliputi:
1. Peningkatan kekerasan paduan baja rendah.
2. Perawatan permukaan baja borat.
3. Pengurangan nitrogen.
4. Pembuatan NdFeB magnet permanen.
5. Pembuatan logam kaca (Sariyer, 2015).
2.7.1 Besi (Fe)
Besi adalah logam transisi yang paling banyak dipakai karena relatif melimpah di
alam dan mudah diolah. Biji besi biasanya mengandung hematite (Fe2O3) yang
dikotori oleh pasir (SiO2) sekitar 10 %, serta sedikit senyawa sulfur, posfor,
aluminium dan mangan.
Besi juga diketahui sebagai unsur yang paling banyak di permukaan bumi,
yaitu kira-kira 4,7 - 5 % pada kerak bumi. Kebanyakan besi terdapat dalam batuan
dan tanah sebagai oksida besi, seperti oksida besi magnetit (Fe3O4) mengandung
besi 65%, hematite (Fe2O3) mengandung 60–75 % besi, limonet (Fe2O3.H2O)
mengandung besi 20 % dan siderit (Fe2CO3). Dari mineral – mineral bijih besi,
magnetit adalah mineral dengan kandungan Fe paling tinggi, tetapi terdapat dalam
jumlah kecil (Nurul Anwar, 2011 ). Sementara hematite merupakan mineral bijih
utama yang dibutuhkan dalam industri besi. Dalam kehidupan, besi merupakan
logam paling umum digunakan dari pada logam-logam yang lain. Hal ini
disebabkan karena harga yang murah dan kekuatannya yang baik serta
penggunaannya yang luas (Abhijit P. Jadhav, 2014). Beberapa jenis genesa dan
endapan yang memungkinkan besi bernilai ekonomis (Nurul Anwar, 2011):
1. Magnetik: magnetite dan titani ferrous magnetite
2. Metasomatik kontak: magnetite dan specularite
3. Pergantian/replacement: magnetite dan hematite
Universitas Sumatera Utara
4. Sendimentasi/placer: hematite, limonite, dan siderite
5. Kosentrasi mekanik dan residual: hematite, magnetite, dan limonite
6. Oksidasi: limonite dan hematite.
Pada Gambar 2.5 dan Tabel 2.2, diperlihatkan struktur atom dan informasi dasar
unsur Fe.
Gambar 2.5 Struktur Atom Unsur Besi
Tabel 2.2 Informasi Dasar Unsur Besi (Abhijit P. Jadhav, 2014)
Nama Unsur
Besi
Simbol
Fe
Nomor Atom
26
Massa Atom
55,845 g/mol
Titik Didih
3134 K
Titik Lebur
1811 K
Struktur Kristal
Body Centered Cubic (BCC)
Warna
Perak keabu-abuan
Konfigurasi elektron
[Ar]3d64s2
2.7.2 Boron (B)
Boron adalah unsur golongan tiga belas (13) dengan nomor atom lima (5). Boron
(B) memiliki sifat diantara logam dan nonlogam (semi metalik). Boron lebih
bersifat semikonduktor daripada sebuah konduktor logam lainnya. Boron juga
merupakan unsur metaloid dan banyak ditemukan dalam bijih borax. Unsur ini
tidak pernah ditemukan bebas dalam alam. Struktur atom dan informasi dasar dari
Boron (B) diperlihatkan pada Gambar 2.6 dan Tabel 2.3.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Struktur Atom Unsur Boron
Tabel 2.3 Informasi Dasar Unsur Boron (Abhijit P. Jadhav, 2014)
Nama Unsur
Boron
Simbol
B
Nomor Atom
5
Massa Atom
10,811 g/mol
Titik Didih
4200 K
Titik Lebur
2349 K
Struktur Kristal
Rhombohedral (Trigonal)
Warna
Hitam
Konfigurasi electron
[Ar]2s22p1
2.8 Metalurgi Serbuk
Secara prinsip ada dua metode utama yang digunakan untuk membuat
magnet.Pertama menggunakan teknologi pengecoran atau pelelehan, dan yang
kedua adalah dengan menggunakan teknologi metalurgi serbuk.
Produksi magnet dengan teknologi pengecoran biasanya menghasilkan
bahan magnet yang lebih baik, tetapi dalam beberapa prosesnya memerlukan
energi panas yang sangat besar sehingga dipandang tidak efisien. Sedangkan
produksi dengan teknologi metalurgi serbuk, meski sifat magnet yang diperoleh
bukan yang tertinggi, tetapi dalam pengerjaannya lebih mudah dan lebih efisien
(Ridwan,2003). Pada pembuatan magnet dengan cara kedua ini memerlukan
bahan dasar berupa serbuk yang berukuran sangat kecil, yaitu dalam orde
micrometer(10-6 m). Ukuran serbuk sekecil ini diperlukan agar komponenkomponen pembentuk bahan magnet dapat saling berdeposisi (bereaksi), ketika
bahan mengalami pemanasan (kalsinasi). Beberapa peneliti melakukan preparasi
serbuk bahan magnetik yang halus biasanya dengan menggunakan mesin ball
milling (Seri. D, 2013).
Universitas Sumatera Utara
2.8.1 Mixing dan Milling
Blending dan mixing merupakan istilah yang biasa digunakan dalam proses
pembuatan material dengan menggunakan metode serbuk akan tetapi kedua
proses tersebut
memiliki arti yang berbeda. Menurut standar ISO, blending
didefenisikan sebagai proses penggilingan suatu material tertentu hingga menjadi
serbuk yang merata pada beberapa komposisi nominal. Mixing atau pencampuran
bahan merupakan salah satu tahapan proses dari teknik metalurgi serbuk.
Pada tahap ini, kehomogenan persebaran partikel penguat dalam matriks
akansangat ditentukan dimana nantinya akan berpengaruh terhadap karakteristik
porositas dan mekanik dari MMCs yang dihasilkan. Banyaknya variabel pada
tahap mixing merupakan permasalahan yang lain dimana perlu upaya kontrol
ekstra terhadap variabel-variabel tersebut apabila diinginkan produk memiliki
kualitas yang sesuai dengan permintaan. Proses blending dilakukan untuk
menghasilkan serbuk yang sesuai dengan komposisi dan ukuran yang diinginkan.
Sedangkan mixing didefenisikan sebagai pencampuran dua atau lebih serbuk yang
berbeda.
Ada dua tipe milling serbuk, yaitu serbuk dimilling dengan media cairan
dan dikenal dengan proses pengilingan basah. Dan jika dilakukan bukan dengan
media cairan dikenal dengan penggilingan kering. Dan telah dilaporkan bahwa
kecepatan atmosfir lebih cepat selama
proses penggilingan basah daripada
penggilingan kering. Kerugian dari penggilingan basah adalah meningkatnya
kontaminasi serbuk. Maka dari itu proses mechanical alloying dilakukan dengan
penggilingan kering (Lilis,2015).
2.8.2 Annealing
Proses annealing didefenisikan sebagai pengerjaan bijih pada temperatur tinggi
tetapi masih di bawah titik leleh tanpa disertai penambahan reagen dengan
maksud untuk mengubah bentuk senyawa dalam konsentrat. Annealing juga
merupakan proses perlakuan panas yang dilakukan terhadap bijih agar terjadi
dekomposisi dari senyawa yang berikatan secara kimia dengan bijih, yaitu karbon
dioksida dan air, yang bertujuan mengubah suatu senyawa karbon menjadi
senyawa oksida yang sesuai dengan keperluan pada proses selanjutnya. Proses
Universitas Sumatera Utara
annealing dilakukan dengan pemanggangan pada temperatur yang bervariasi
bergantung dari jenis senyawa karbonat yang ada (Febriana, 2011).
Annealing ini bertujuan untuk melepaskan air yang terikat di dalam
konsentrat dengan cara penguapan. Pelaksanaannya dilakukan dengan cara
pemanasan sedikit di atas titik uap air, atau dengan mengatur tekanan uap air di
dalam konsentrat harus lebih besar daripada tekanan uap air di sekitarnya. Pada
prakteknya, tekanan uap air di dalam konsentrat harus lebih besar dari tekanan
atmosfir agar kecepatan penguapan dapat berlangsung lebih cepat (Lalu, 2010).
Annealing dilakukan pada suhu tinggi, tergantung pada jenis bahan dan
merupakan tahapan perlakuan panas terhadap campuran serbuk. Annealing
diperlukan sebagai penyiapan serbuk keramik untuk diproses lebih lanjut serta
menguraikan senyawa-senyawa dalam bentuk garam atau dihidrat menjadi oksida,
membentuk fase kristal.
Peristiwa yang terjadi selama proses Annealing antara lain:
a. Pelepasan air bebas (H2O) dan terikat (OH) berlangsung sekitar suhu 100oC
hingga 300oC.
b. Pelepasan gas-gas, seperti : CO2 berlangsung sekitar suhu 600oC dan pada
tahap ini disertai terjadinya pengurangan berat yang cukup berarti.
c. Pada suhu lebih tinggi, sekitar 800oC struktur kristalnya sudah terbentuk,
dimana pada kondisi ini ikatan diantara partikel serbuk belum kuat dan mudah
lepas.
Sebagai contoh, proses annealing pada pembentukan magnet permanen barium
heksaferit BaFe12O19 ditandai dengan terjadinya kristalisasi. Barium heksaferit
akan membentuk struktur kristal heksagonal pada suhu minimal 600oC. Dari hasil
penelitian
tersebut
dengan
suhu
annealing
1000oC
didapatkan
bahwa
pembentukan magnet permanen barium ferit semakin baik. Karakteristik magnet
terbaik dengan annealing pada suhu 1.000 ºC didapat: nilai Br = 1,19 kG, Hc =
5,54 kOe, dan BHmax = 0,33MGOe (Sudrajat,2007).
Universitas Sumatera Utara
2.9Karakterisasi Hasil
2.9.1 Pengujian Densitas
Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material atau sering
didefinisikan sebagai perbandingan antara massa (m) terhadap volume (v), dalam
hubungannya dapat dituliskan sebagai berikut (M. Ristic, 1997).
ρ=
(2.3)
dengan :
ρ
= Densitas (gram/cm3)
m
= Massa sampel (gram)
v
= Volume sampel (cm3)
Ada dua macam densitas yaitu: true density dan bulk density (metode
Archemedes). True density adalah kerapatan dari serbuk yang diukur dengan
menggunakan piknometer. Densitas serbuk dapat dihitung dengan rumus:
𝜌= (
(
)
)(
)
𝑥 𝜌air
(2.4)
dengan:
m1
= massa piknometer dalam keadaan kosong (gram)
m2
= massa piknometer diisi dengan air (gram)
m3
= massa piknometer kering diisi dengan serbuk (gram)
m4
= massa piknometer diisi dengan serbuk dan air (gram)
𝜌
= massa jenis air (1 gram/cm3)
2.9.2 Pengujian Optical Microscope (OM)
Optical Microscope (OM) mempunyai fungsi yang hampir sama dengan Scanning
Electron Microscope (SEM) yaitu untuk mengetahui bentuk dan ukuran dari
butir-butir serta mengetahui interaksi satu butir dengan butir lainnya. Melalui
observasi dengan OM dapat diamati seberapa jauh ikatan butiran yang satu
dengan yang lainnya dan apakah terbentuk lapisan diantara butiran atau disebut
grain boundary.
Analisis morfologi dengan menggunakan OM bertujuan untuk mengetahui
susunan partikel-partikel sebelum proses sintering,dan juga dapat diketahui
perubahannya akibat variasi suhu sintering. Dari foto OM yang dihasilkan dapat
Universitas Sumatera Utara
diketahui apakah terjadi perbesaran butiran atau grain growth, sejauh mana poripori sisa yang terbentuk didalam badan keramik.Adapun perbedaan antara SEM
dan OM adalah terletak pada perbesaran obyek (resolusi) yang lebih tinggi
daripada mikroskop optik.Sebenarnya, dalam fungsi perbesaran obyek, SEM juga
menggunakan lensa, namun bukan berasal dari jenis gelas sebagaimana pada
mikroskop optik, tetapi dari jenis magnet. Sifat medan magnet ini bisa mengontrol
dan mempengaruhi elektron yang melaluinya, sehingga bisa berfungsi
menggantikan sifat lensa pada mikroskop optik (Tabitaria, 2015).
2.9.3 PengujianX-Ray Diffraction(XRD)
X-Ray diffractometer adalah alat yang dapat memberikan data-data difraksi dan
kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut difraksi (2θ) dari suatu bahan.
Tujuan dilakukannya pengujian analisis struktur kristal adalah untuk mengetahui
fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pembuatan sampel uji. Tahap
pertama yang dilakukan dalam analisa sinar-X adalah melakukan pemeriksaan
terhadap sampel x yang belum diketahui strukturnya.Sampel ditempatkan pada
titik fokus hamburan sinar-X yaitu tepat ditengah-tengah berukuran sesuai dengan
sampel (serbuk) dengan perekat pada sisi baliknya. Skema pengujian XRD
diperlihatkan pada Gambar 3.2.
Gambar 2.7 Skema Alat uji XRD
Universitas Sumatera Utara
Secara umum prinsip kerja XRD ditunujkkan oleh gambar 2.7 berikut:
1.Generator tegangan tinggi (A) berfungsi sebagai catu daya, sumber sinar-X (B)
2. Sampel berbentuk pellet (C) diletakkan diatas tatakan (D) yang dapat diatur.
3. Berkas sinar-X didifraksikan oleh sampel dan difokuskan melewati celah (E),
kemudian masuk ke alat pencacah berputar sebesar θ
4. Intensitas difraksi sinar-X direkam dalam bentuk kurva terhadap jarak antara
bidang d.
Untuk mengetahui fasa dan struktur material yang diamati dapat dilakukan dengan
cara sederhana, yaitu dengan cara membandingkan nilai d yang terukur dengan
nilai d pada data standart. Data standart dapat diperoleh melalui Joint Comitte of
Powder Difraction Standard (JCPDS) atau dengan metode hanawalt (Ningsih,
2015)
Prinsip dasar penentuan struktur adalah dengan teknik difraksi sinar x
karakteristik, dimana berlaku hukum Bragg:
2 d sin
=n
(2.5)
dengan d adalah jarak antar bidang atom-atom dalam kristal (bidang dengan
indeks Miller tertentu), q adalah sudut difraksi dan l adalah panjang gelombang
sinar X yang dipergunakan. Bila diambil bidang-bidang dengan indeks Miller
berbeda maka dengan menggunakan metode analitik, dapat ditentukan sistem dan
parameter kisi kristal.Teknik perhitungan parameter kisi tergantung pada struktur
kristal bahan.
2.9.4 Pengujian Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
VSM terdiri dari komponen-komponen tersebut tersusun membentuk satu set
perangkat VSM yang menjalankan fungsinya masing-masing. Untuk lebih
jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8. Komponen Vibrating Sample Magnetometer (VSM)
Berdasarkan gambar 2.7, dapat diuraikan beberapa komponen dari Vibrating
Sample Magnetometer (VSM), yaitu:
1. Kepala generator, sebagai tempat melekatnya sampel yang dialirkan oleh
transduser piezoelectric.
2. Elektromagnet atau kumparan hemholtz, berfungsi untuk menghasilkan
medan magnet untuk memagnetisasi sampel dan mengubahnya menjadi
arus listrik. Resonansi sampel oleh transduser piezoelectric juga dialirkan
ke elektromagnet dengan capaian frekuensi sama dengan 75 Hz.
3.
Pick-up coil, berfungsi untuk mengirim sinyal listrik ke amplifier. Sinyal
yang telah diinduksi akan ditransfer oleh pickup coil ke input diferensial
dari lock-in amplifier. Sinyal dari pick-up coil terdeteksi oleh lock-in
amplifier diukur sebagai fungsi dari medan magnet dan untuk
mendapatkan loop histeresis dari sampel. Untuk osilasi harmonik dari
sampel, sinyal (e) induksi di pick-up coil sebanding dengan amplitudo
osilasi (K), frekuensi osilasisampel (ω) dan momen magnet (m) dari
sampel yang akan diukur pada Vibrating Sample Magnetometer (VSM).
4. Sensor hall, digunakan untuk mengubah dan mengubah energi dalam
medan magnet menjadi tegangan (voltage) yang akan menghasilkan arus
listrik. Sensor hall juga digunakan untuk mengukur arus tanpa
mengganggu alur arus yang ada pada konduktor. Pengukuran arus ini akan
menghubungkan sensor hall dengan teslameter.
Universitas Sumatera Utara
5. Sensor kapasitas, berfungsi memberikan sinyal sebanding dengan
amplitudo osilasi sampel dan persediaan tegangan untuk sistem elektronik
yang menghasilkan sinyal referensi dari lock-in amplifier. Output
konverter digital akan dikirim ke analog (DAC1out) dan output digital
(D1out) dari lock-in akan mengontrol penguat arus yang mengalir melalui
elektromagnet dan menunjukkan arahnya masing-masing. Selain itu, VSM
juga memiliki beberapa komponen pendukung misalnya teslameter yang
berfungsi untuk mengukur medan magnet berdasarkan sinyal yang di
transdusi oleh sensor hall. Alat pendukung lainnya yaitu voltmeter yang
berfungsi untuk mengukur tegangan listrik yang dikirim oleh pick up koil
ke amplifier VSM (Ruth Mentari Hutahaean, 2014).
Universitas Sumatera Utara