Bonded Magnet PrFeB

Bonded magnet merupakan magnet komposit yang dibuat dari serbuk magnet yang dicampur dengan bahan matriks (pengikat/binder) yang bersifat non magnet. Adapun fungsi dari matriks adalah untuk menyatukan butiran serbuk magnet menjadi satu kesatuan dalam bentuk komposit. Selain itu, bahan matriks sangat berpengaruh terhadap sifat mekanik, listrik, maupun stabilitas termal dari magnet komposit (Deswita, 2006).

Banyak material magnet kuat juga digunakan untuk membuat magnet komposit, seperti menggunakan logam atau matriks polimer. Tentunya pemakaian logam lebih mahal daripada matriks polimer. Magnet ini biasanya memainkan peran yang penting dan terus berkembang diantara magnet permanen komersial yang tersedia saat ini.

Pada bonded magnet ini, serbuk magnet diikat dengan polimer. Biasanya serbuk magnet yang sering digunakan adalah strontium atau barium ferrit dan neodymium-besi-boron atau samarium-kobalt. Sedangkan polimer yang digunakan adalah resin atau bahkan logam dengan suhu leleh rendah.

Bonded magnet ini memiliki kelemahan pada hasil material magnetnya. Hal itu dikarenakan oleh magnet isotropik memiliki sifat yang lebih rendah daripada magnet yang disintering. Akan tetapi, di samping kelemahan tersebut, hasil dari bonded magnet ini memiliki keuntungan-keuntungan sebagai berikut. 1. Sederhana dan biaya produksi rendah

2. Mudah dibentuk dan variasinya juga beragam 3. Ketahanan mekanik yang cukup baik

Bonded magnet dengan campuran logam transisi tanah jarang mempunyai sifat magnet unggul dibandingkan sifat magnetik bonded ferrit. Hal tersebut terlihat secara signifikan, karena magnet bonded ferrit mempunyai koefisien temperatur positif terhadap Hc yang berarti koersifitas meningkat dengan peningkatan temperatur.

2.5.

Binder Polyester dan Sillicone Rubber

Penggunaan resin sebagai binder dalam bonded magnet telah banyak dilakukan oleh para peneliti, termasuk paten yang dikeluarkan. Berberapa sifat dan kelebihan yang dimiliki oleh resin sebagai matriks dalam komposit antara lain ketahanannya terhadap pelarut organik, panas, oksidasi dan kelembaman; ringan; adhesive; sifat mekanik; serta mudah dimodifikasi dalam pembuatannya. Binder yang digunakan adalah berupa resin polyester dan silicone rubber.

2.5.1.

Polyester

Polyester resin merupakan polimer yang banyak digunakan sebagai salah satu bahan dalam pembuatan komposit. Polyester merupakan bahan termoseting yang banyak beredar dipasaran karena harganya yang relatif murah dan dapat diaplikasikan untuk berbagai macam penggunaan. Istilah polyester berawal dari reaksi asam organik dengan alkohol membentuk suatu ester.

Beberapa sifat dan kelebihan polyester antara lain tahan terhadap panas dan kelembaban, sifat mekanik yang baik, tahan terhadap bahan kimia, sifat insulator, sifat adhesifnya yang baik terhadap berbagai bahan, dan mudah diproses (Deswita, 2007). Sifat mekanik polyester dapat dilihat pada tabel 2.3.

Tabel

2.3.

Sifat Fisik dan Mekanik Polyester

Densitas (g/cm³)^*1 1,1 – 1,4

T (℃)^*2 225

Kuat tarik (MPa)^*2 58

Kuat tekan (MPa)^*2 90

Kekerasan Rockwell (RHN)^*2 97 Sumber: ^*1Stuart, 2003; ^*2Black, 1998

2.5.2.

Sillicone Rubber

Silicone rubber (SiR) adalah bahan yang tahan terhadap temperatur tinggi, yang biasanya digunakan untuk isolasi kabel dan bahan isolator tegangan tinggi. Sifat fisik bahan ini dapat diperbaiki dengan mencampurkan bahan pengisi seperti pasirsilika. Silicone rubber aman digunakan pada temperatur -55º sampai 200º C. Bahan ini memiliki hambatan yang baik terhadap ozone, korona, air, dan memiliki ketahanan yang baik terhadap alkohol, garam, dan minyak (Asy’ari, 2008).

Silicone rubber merupakan elastomer (sama halnya dengan material karet) polimer berupa silikon, dimana silikon tersebut mengandung karbon, hidrogen, dan oksigen. Karet silikon banyak digunakan dalam industri dan beberapa formulasi. Karet silikon biasanya terdiri dari satu atau dua bagian polimer dan berisi pengisi untuk meningkatkan sifat atau mengurangi biaya. Karena sifat-sifat kemudahan pembuatan dan pembentukan, karet silikon dapat ditemukan dalam berbagai macam produk, termasuk aplikasi otomotif, memasak, bahan pengembang, dan penyimpanan produk (seperti penyimpan makanan, pakaian olahraga, alas kaki, elektronik, peralatan medis dan implan), dan dalam perbaikan rumah serta perangkat keras dengan produk seperti silikon sealants.

Struktur kimia sillicone rubber yang terdiri dari suatu punggung silikon yang lebih fleksibel dibandingkan polimer lainnya. Jarak ikatan Si – O sekitar 1,64^oA yang lebih panjang dibandingkan jarak ikatan C – C sekitar 1,5 ^oA yang

banyak ditemukan pada polimer organik. Kemudian susunan ikatan Si – O – Si (180^o – �) – 143^o lebih terbuka dibandingkan dengan ikatan tetrahedral biasa (~110^o) yang berperan untuk meningkatkan keseimbangan, dengan demikian rantai mampu melakukan suatu bentuk yang rapat ketika dalam keadaan tergulung acak, dan rantai silikon yang terdapat gugus metil mampu meluruskan sendiri untuk bersekutu menghasilkan hidrofobik pada permukaannya. Silicone rubber memiliki sifat isolasi sangat baik seperti loss tangen (tan 3 – 3 x 10³), konstanta dielektrik = 2 – 4, tahanan jenis = 10¹⁵ Ωm dalam keadaan tanpa bahan pengisi, tahanan terhadap cahaya pada daerah > 300 nm gugus metilnya menyerap sinar dan stabil hingga suhu ≈ 250^oC dengan mempertahankan sifat kenyalnya pada suhu rendah karena memiliki temperatur transisi gelas sampai 120^oC (stabilitas termalnya panjang).

Namun, dalam kaitan ini kekuatan mekanik silicone rubber tanpa bahan pengisi memiliki kekuatan yang rendah karena gaya antar molekulnya yang rendah. Untuk meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan, dapat ditambah bahan silika. Sedangkan untuk meningkatkan ketahanan erosi dan keretakan (tracking) dapat dikombinasikan dengan bahan pengisi dan jenis aluminatrihydrate.

Dibandingkan dengan karet organik, karet silikon memiliki kekuatan tarik yang sangat rendah. Bahan silikon ini juga sangat sensitif terhadap kelelahan dari beban siklik. Karet silikon merupakan bahan yang sangat inert dan tidak bereaksi dengan sebagian besar bahan kimia (Keller et al., 2007). Sifat-sifat fisik dan mekanik silicone rubber dapat dilihat pada rabel 2.4.

Tabel

2.4.

Sifat Fisik dan Mekanik Silicone Rubber

Densitas (g/cm³)^*1 0,8

T (℃)^*2 -55 - 200

Kuat tarik (MPa)^*3 4,4 - 9 Kuat tekan (MPa)^*4 10 - 30 Hardness Vickers (VHN)^*5 15 Sumber: ^*1Stuart, 2003;

*2Asy’ari, 2008;

*3

Product Information Silastic 94-595 Liquid Silicone Rubber, 2002;

*4

Azom.com The A to Z of Materials, 2013;

*5

Selama proses pembuatan silicone rubber, panas sangat diperlukan untuk vulkanisir (mengatur dan memperbaiki) silikon ke dalam bentuk seperti karet. Hal ini biasanya dilakukan dalam dua proses pada titik pembuatan ke dalam bentuk yang diinginkan. Dalam hal ini dapat dilakukan proses injeksi (injection molded). Pada suhu ekstrim, kekuatan tarik, elongasi, kekuatan sobek, dan kompresi dapat jauh lebih unggul daripada karet konvensional, meskipun relatif lebih rendah untuk bahan lainnya, sedangkan karet silikon merupakan salah satu pilihan jenis elastomer untuk lingkungan yang ekstrim (Keller et al., 2007).

3.1.

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian dilakukan selama 3 bulan, mulai dari tanggal 4 Maret sampai dengan tanggal 21 Juni 2013. Penelitian dilakukan di beberapa tempat, yaitu sebagai berikut.

4. Pusat Penelitian Fisika (PPF) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) – Puspiptek Serpong.

5. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (P2ET) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Bandung.

6. Sentra Teknologi Polimer (STP) Badan Pengkajian Teknologi Polimer (BPPT) – Puspiptek Serpong.

3.2.

Peralatan dan Bahan

Peralatan dan bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut.

6.2.1 Peralatan

Peralatan yang digunakan dalam peneltian adalah sebagai berikut. 1. Spatula

Berfungsi sebagai alat untuk mengambil serbuk bahan baku pembuatan sampel.

2. Neraca digital 4 digit

Berfungsi sebagai alat untuk menimbang bahan-bahan yang akan digunakan dalam pembuatan sampel magnet PrFeB.

3. Mortar tangan

Berfungsi sebagai wadah untuk mencampurkan serbuk magnet PrFeB dengan polimer.

4. Cetakan (moulding)

5. Hydraulic press

Merupakan alat kompaksi pada proses cold compaction, memiliki kapasitas tekanan maksimum 100 ton.

6. Cawan

Berfungsi sebagai tempat meletakkan sampel saat proses pengeringan. 7. Oven

Berfungsi untuk mengeringkan sampel setelah dikompaksi. 8. Jangka sorong digital

Berfungsi sebagai alat ukur dimensi sampel magnet.

9. Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Impulse magnetizer K-Series Berfungsi sebagai alat magnetisasi sampel yang telah dicetak.

10. Gaussmeter

Berfungsi sebagai alat untuk mengukur besarnya medan magnet permukaan sampel magnet.

11. SEM (Scanning Electron Microscope) - EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)

Berfungsi sebagai alat karakterisasi struktur mikro dari sampel. 12. Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Permagraph C

Berfungsi sebagai alat karakterisasi sifat magnetik dari sampel dan menghasilkan kurva histerisis.

13. Universal Testing Machine

Berfungsi sebagai alat karakterisasi sifat mekanik (kekerasan dan kuat tekan) dari sampel magnet PrFeB.

6.2.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut.

1. Powder Praseodymium Iron Boron (PrFeB) komersil type MQEP 16-7, berfungsi sebagai bahan baku dalam pembuatan bonded magnet PrFeB. 2. Polyester resin (powder), merupakan bahan polimer termoseting, berfungsi

sebagai binder (perekat) dalam bonded magnet PrFeB.

3. Silicone rubber (liquid), merupakan bahan elastomer polimer yang berfungsi sebagai binder (perekat) dalam bonded magnet PrFeB.

3.3.

Diagram Alir Penelitian

Diagram alir dari pembuatan bonded magnet PrFeB dengan binder polyester dan silicone rubber dapat dilihat pada gambar 3.1.

Proses kompaksi menggunakan

Hydrolic Press dengan tekanan sampel 5 ton, selama ±2 menit

Karakterisasi Sifat Magnet:  Kuat magnet menggunakan gaussmeter  Koersivitas  Remanansi  Energi produk maksimum menggunakan Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Permagraph C Magnetisasi menggunakan Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Impulse magnetizer K-Series (dengan V =

1500 volt dan I yang dihasilkan sekitar 5,23 – 5,30 kA) Karakterisasi Sifat Mekanik :  Brinell Hardness  Compressive test menggunakan Universal Testing Machine Karakterisasi Sifat Fisis:  Bulk Density menggunakan jangka sorong  Struktur Mikro menggunakan SEM

Pengerasan/pengeringan cuplikan (untuk bonded magnet-binderpolyester menggunakan oven T = 150℃ selama ±2 jam dan bonded magnet-binder silicone rubber menggunakan suhu

ruang selama ±2 hari ) Serbuk magnet

PrFeB ( = 7,61 g/cm3)

Pencampuran PrFeB dan salah satu jenis polimer dengan masing-masing komposisi (98:2, 96:4, 94:6, 92:8 dari massa total setiap variasi komposisi cuplikan 8 gram)

menggunakan mortar tangan

Salah satu jenis serbuk polimer

( _� = 1,1 – 1,4 g/cm³,

3.4.

Prosedur Penelitian

Tahap penelitian yang dilakukan dalam pembuatan bonded magnet PrFeB terdiri dari dua bagian, yaitu tahap pembuatan bonded magnet PrFeB dengan binder polyester dan tahap pembuatan bonded magnet PrFeB dengan binder silicone rubber. Tahap tersebut terdiri atas pencampuran bahan baku, proses kompaksi, pengeringan sampel, dan magnetisasi. Tahap-tahap tersebut dijelaskan sebagai berikut.

3.4.1.

Pencampuran Bahan Baku

Bahan baku magnet PrFeB yang digunakan pada pembuatan bonded magnet ini adalah serbuk Praseodymium Iron Boron (PrFeB) komersil type MQEP 16-7, sedangkan binder yang digunakan adalah serbuk poliester dan silicone rubber liquid. Pada tahap preparasi, sampel bonded magnet ditimbang menggunakan neraca digital 4 digit dengan komposisi PrFeB:binder masing – masing, yaitu 98:2; 96:4; 94:6; dan 92:8 dengan massa total 8 gram. Lalu, dilakukan pencampuran bahan baku PrFeB dengan bahan baku binder (baik poliester maupun silicone rubber) dengan masing-masing komposisi yang telah dijelaskan, menggunakan mortar tangan. Setelah serbuk PrFeB dengan binder homogen, sampel dengan masing-masing komposisi dimasukkan ke dalam cetakan (moulding). Sebelum sampel dimasukkan ke dalam moulding, terlebih dahulu moulding dioleskan pelumas untuk mempermudah proses kompaksi.

3.4.2.

Proses Kompaksi

Setelah pencampuran bahan baku sampel, selanjutnya dilakukan proses kompaksi menggunakan hydraulic press. Pada proses ini, sampel dikompaksi dengan tekanan 5 ton selama ± 1 menit agar diperoleh sampel dengan hasil yang maksimal.

3.4.3.

Pengeringan Sampel

Sampel yang telah dikompaksi selanjutnya dikeringkan. Untuk sampel bonded magnet PrFeB dengan binder polyester, pengeringan sampel dilakukan

menggunakan oven pada suhu 150 ℃ selama ± 2 jam. Untuk sampel bonded magnet PrFeB dengan binder silicone rubber, pengeringan dilakukan pada suhu kamar (tidak menggunakan oven) selama ± 2 hari.

3.4.4.

Magnetisasi

Setelah sampel bonded magnet PrFeB dikeringkan, maka pada tahap terakhirnya, sampel tersebut dimagnetisasi menggunakan Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Impulse magnetizer K-Series dengan V = 1500 volt dan I yang dihasilkan sekitar 5,23 – 5,30 kA. Sampel magnet yang telah selesai dibuat tersebut selanjutnya dikarakterisasi sifat fisis, sifat mekanik, dan sifat magnetiknya.

3.5.

Karakterisasi

Karakterisasi sampel yang dilakukan pada penelitian ini yaitu karakterisasi sifat sifat mekanik dan karakterisasi sifat magnetik. Karakterisasi tersebut dijelaskan sebagai berikut.

3.5.1.

Karakterisasi Sifat Fisik

Karakterisasi sifat fisik yang dilakukan dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut.

3.5.1.1.

Densitas

Nilai densitas suatu sampel adalah ukuran kepadatan dari suatu sampel yang dapat dihasilkan dari beberapa cara. Salah satu metode yang paling sederhana adalah bulk density, yaitu dengan mengukur dimensi dan massa sampel. Densitas sampel dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:

=

(3.1.)

dengan:

= densitas sampel (g/cm³), m = massa sampel (g), dan

3.5.1.2.

Struktur Mikro

Mikro struktur dapat dianalisis salah satunya dengan menggunakan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM). Scanning Electron Microscope adalah alat yang dapat memberikan hasil detail permukaan sampel dan objek yang diamati secara tiga dimensi. Tujuan dilakukannya pengujian analisis mikro struktur sampel adalah untuk mengetahui mikro struktur bahan dalam gambar tiga dimensi.

3.5.2.

Karakterisasi Sifat Mekanik

Karakterisasi sifat mekanik yang dilakukan dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut.

3.5.2.1.

Brinell Hardness

Pada penelitian ini digunakan pengukuran kekerasan dengan metode Brinell. Pengujian kekerasan dengan metode Brinell dilakukan dengan cara mengidentifikasi permukaan logam dengan sebuah bola baja berdiameter 10 mm pada beban 3000 kg. Untuk metal ringan beban dikurangi hingga 500 kg untuk menghindari terjadinya tekanan yang terlalu dalam, dan untuk logam yang sangat keras digunakan bola karbid tungsten untuk meminimalisir distorsi dari indenter. Beban diberikan dengan standar waktu, biasanya 30 sekon, dan diameter lekukan hasil penekanan diukur dengan mikroskop daya rendah setelah beban dihilangkan. Permukaan yang akan diuji harus relatif halus (Dieter, 1986). Pengujian kekerasan Brinell dapat dilihat pada gambar 3.1.

Gambar

3.1.

Pengujian kekerasan Brinell (Sumber: www.alatuji.com) Untuk mencari d atau diameter lekukan, dapat dilihat pada gambar 3.2.

P_max

Gambar

3.2.

Diameter Lekukan pada Sampel dengan Pengujian Kekerasan Brinell

Brinell Hardness Number (BHN) dinyatakan dengan persamaan di bawah ini:

� = ^�

�/2 (�− �2− 2)

(3.2.)

dengan:

Pmax = beban yang diberikan (kg), D = diameter bola (mm), dan

d = diameter lekukan hasil penekanan (mm) dengan rumus d = 2 2− 2− � 2 , dan

BHN = Brinell Hardness Number atau Nilai Kekerasan Brinell (kgf/mm²).

3.5.2.2.

Compressive Test

Untuk pengujian kuat tekan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM), yang memiliki maksimal beban 100 kN. Pengujian kekuatan tekan dapat dilihat pada gambar 3.3.

Gambar

3.3.

Pengujian Kekuatan Tekan Menggunakan UTM displ.

d r

Sampel

Dudukan sampel pada UTM Beban UTM

Pmax

Ao

Maka, nilai kuat tekan dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

= ^{� �}

0

(3.3)

dengan:

s = kuat tekan (Pa),

Pmax = beban yang diberikan (kN), dan

Ao = luas permukaan sampel yang dikenai beban (mm²).

3.5.3.

Karakterisasi Sifat Magnetik

Karakterisasi sifat magnet dilakukan menggunakan gaussmeter untuk mengetahui kuat medan magnet cuplikan dan menggunakan Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Permagraph C, alat yang dapat menganalisis sampel dengan keluaran berupa kurva histerisis (kurva yang dilengkapi dengan nilai induksi remanen atau Br dan gaya koersif atau Hc), seperti pada gambar

3.4.

Gambar

3.4.

Contoh Kurva Histerisis Hasil Pengujian Menggunakan Magnet-Physic Dr. Steingroever GmbH Permagraph C (Sumber: insentif.ristek.go.id)

BAB 4