Futichah, Deni Mustika, Heri Hardiyanti, Pranjono, Isfandi, Jan Setiawan Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, Kawasan Puspiptek Gd. 20, Tangerang Selatan
Email: [email protected]
ABSTRAK
PEMBUATAN SILIKON KARBIDA MONOLITIK DAN KARAKTERISTIKNYA. Pembuatan
SiC monolitik sebagai bahan pelapis pertama pada kelongsong bahan bakar nuklir berbasis komposit SiC telah dilakukan. Pada temperatur tinggi, SiC monolitik merupakan keramik yang mempunyai unjuk kerja yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan logam. Dalam penelitian ini dilakukan karakterisasi mekanik dan morfologi pada SiC monolitik yang dibuat melalui proses metalurgi serbuk dengan tekanan dan waktu kompaksi yang berbeda dan dengan proses sinter pada temperatur tertentu. Dari hasil karakterisasi diharapkan diperoleh data parameter pembuatan SiC monolitik yang terbaik. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk SiC dan larutan pengikat yang terdiri dari larutan toluen dan polycarbosilane dengan komposisi yang bervariasi. Serbuk SiC ditimbang kemudian dicampur dengan larutan binder, selanjutnya dikompakan menjadi pelet. Pelet hasil kompaksi disinter dalam tungku sinter mini pada temperatur 1300 oC selama 3 jam. Pelet SiC monolitik hasil sinter dikarakterisasi untuk mengetahui densitasnya menggunakan alat
autopicnometer, struktur mikro SiC monolitik menggunakan mikroskop optik dan uji
kekerasan mikro untuk mengetahui kekerasannya dengan microhardness tester. Semua uji yang dilakukan bertujuan untuk memperoleh kondisi parameter proses penahanan tekanan kompaksi yang optimum. Hasil sinter SiC monolitik yang telah dibuat mempunyai struktur mikro dimana SiC telah berdifusi. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa proses kompaksi serbuk SiC relatif baik pada tekanan 10 kN dengan densitas SiC monolitik sebesar (3,4± 0,1) g/cm3 dan nilai kekerasan rata-rata tertinggi sebesar 17,4 HVN. Karakteristik SiC monolitik yang diperoleh lebih rendah dibandingkan nilai secara teoritiknya dan sebagai lapisan pertama pada kelongsong komposit SiC belum dapat disimpulkan kinerjanya sebagai kelongsong bahan bakar nuklir.
Kata kunci: SiC monolitik, keramik, komposit, polycarbosilane, zirkaloi. ABSTRACT
MANUFACTURING AND CHARACTERIZATION OF MONOLITHIC SILICON CARBIDE.
The manufacture of monolithic SiC to be used as a nuclear fuel cladding has been performed. A ceramic, monolithic SiC has advantages compared to metallic cladding at high temperatures. Mechanical and morphological characterizations were conducted on the monolithic SiC manufactured from powder metallurgy process with various compaction pressures and times. Data obtained were used as the basis to determine best manufacture parameters. Materials used in the manufacture were SiC powder and a binder solution that consists of toluene and polycarbosilane with varied compositions. The SiC powders were weighed in certain mass and mixed with the binder solution in certain volume then were compacted to become pellets. The pellets were sintered at 1300 oC for 3 hours in inert gas. Sintered pellets were characterized for their density, microstructure morphology, and microhardness value. The objective of the tests was to acquire the optimum condition of compaction process parameters. Monolithic SiC showed microstructure with diffused powder. The pellets that were compacted at 10 kN showed good results with a density of 3.4 ± 0.1 g/cm3. The highest average micro hardness value was 17.4 HVN. The monolithic SiC characteristics compared to its theorethical value were lower, hence as first layer on silicon carbide composite cladding, in this case its performace as nuclear fuel cladding can’t be determined.
Pembuatan Silikon Karbida Monolitik...
Futichah, dkk. ISSN: 2355-7524
PENDAHULUAN
Keinginan untuk meningkatkan unjuk kerja paduan zirkonium yang lebih baik sebagai bahan struktur bahan bakar nuklir perlu dilakukan. Hal ini dipicu oleh trend pengembangan peningkatan burn-up bahan bakar yang lebih tinggi dari 60 MWd/kgU. Konsekuensinya adalah upaya-upaya peningkatan unjuk kerja bahan kelongsong zirkaloi sebagai bahan struktur, yaitu meningkatkan kekuatan mekanik dan ketahanan korosi bahan pada temperatur tinggi. Hal ini dilakukan untuk mengatasi terbentuknya ZrH2 (pada paduan Zr)
yang menyebabkan perapuhan ataupun terbentuknya ZrO yang menghambat transfer panas dari bahan bakar ke pendingin, maka diusulkan desain kelongsong bahan bakar baik dengan pelapisan serat silikon karbida (SiC) pada zirkaloi atau SiC monolitik yang diperkuat dengan serat SiC. Kelemahanan lain dari bahan kelongsong yang ada selain secara ekonomi mahal, juga terjadinya penurunan kekuatan mekanik ketika temperatur operasi reaktor meningkat [1, 2].
Dari uraian di atas maka perlu dilakukan upaya penguasaan teknologi proses pembuatan bahan struktur bahan bakar dari paduan berbasis Zr, komposit logam dengan penguat serat keramik SiC, serta komposit SiC/SiC dan SiC monolitik yang mempunyai unjuk kerja yang lebih tinggi [3,4]. Diperolehnya zirkaloi dan komposit keramik dapat meningkatkan efektivitas bahan bakar di teras reaktor, maka akan mendukung kemandirian bangsa Indonesia di masa depan apabila rencana pembangunan PLTN dilaksanakan dan pabrik bahan bakar nuklir dibangun. Dari aspek pemanfaatan untuk industri pada umumnya, komposit dan SiC monolitik diaplikasikan pada industri yang menuntut pengoperasian dan produk yang tahan pada temperatur tinggi dan tahan korosi hingga mencapai 1500 oC [5-7]. Sementara itu, zirkaloi yang memiliki temperatur leleh tinggi berkisar pada 1800 oC, namun dapat mengalami oksidasi pada temperatur 800 – 1200 oC [8]. Karakterisktik oksidasi SiC- 6H pada temperatur 1000 oC, 1200 oC dan 1400 oC dalam suasana udara terjadi perubahan berat tertinggi pada temperatur 1200 oC [9].
Desain kelongsong berbasis SiC yang dibuat dalam bentuk komposit SiC, perlu dilakukan pembuatan SiC monolitik. Penelitian ini adalah tahapan pertama pembuatan lapisan pertama dari komposit SiC yaitu SiC monolitik. Dalam Kegiatan penelitian ini diawali dengan melakukan proses pembuatan keramik SiC monolitik berbentuk pelet. Bahan utama yang digunakan adalah serbuk SiC dan larutan pengikat berupa polycarbosilane (PCS) yang dicampurkan kemudian dikompaksi dan disinter, selanjutnya dilakukan karakterisasi produk yaitu uji densitas, pengamatan mikrostruktur dan uji kekerasan mikro. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan parameter proses pembuatan SiC monolitik yang optimum.
METODOLOGI
Serbuk SiC yang digunakan adalah serbuk SiC 6H yang diproduksi dan disuplai dari Tiongkok [9]. Pembuatan SiC monolitik dilakukan dengan proses metalurgi serbuk. Dimensi SiC monolitik dibuat dengan diameter sekitar 12,7 mm dan ketebalan sekitar 1 mm [9]. Serbuk SiC ditekan, baik tanpa diberi dan diberi larutan pengikat (binder). Larutan pengikat yang diberikan merupakan campuran toluena dengan PCS dimana konsentrasi larutan campuran antara toluena dan PCS yang dipersiapkan dengan perbandingan 1:1 dan 1:1,5. Kompaksi pada serbuk SiC sehingga berbentuk pelet dilakukan variasi tanpa dan dengan pemberian sedikit larutan pengikat. Kompaksi dilakukan dengan variasi tekanan 10, 20 dan 30 kN selama 1 menit. Serbuk SiC yang tidak diberi larutan pengikat dilakukan kompaksi pada tekanan 10 dan 20 kN untuk waktu yang lebih panjang yaitu selama 5 menit, 10 menit dan 15 menit. SiC monolitik yang dihasilkan berbentuk pelet silinder, kemudian dilanjutkan proses sinter pada temperatur 1300 oC [3] dengan laju pemanasan lambat (5 oC/menit) dan ditahan selama 3 jam dalam suasana inert, sehingga diharapkan probabilitas pembentukan keramik semakin tinggi. Hasil proses sinter dilakukan karakterisasi meliputi pengujian densitas menggunakan autopicnometer dimana dalam pengukuran densitas tidak dibedakan SiC monolitik sinter dengan waktu kompaksi 5, 10 atau 15 menit. Pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik ephipot yang dilengkapi dengan penangkap citra digital dengan perbesaran 500x, dan pengujian kekerasan mikro menggunakan metode Vickers dengan beban sebesar 500 gf dan waktu penahanan selama 10 detik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil proses kompaksi SiC dengan variasi tekanan dan binder diperoleh pelet SiC monolith yang mudah pecah atau getas seperti tampak pada Tabel 1.
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2017
Makassar, 12 Oktober 2017 ISSN: 2355-7524
Tabel 1. Pengamatan visual pelet SiC monolitik
Perbandingan toluena:PCS volume larutan pengikat (mL) Tekanan (kN) 10 20 30 Waktu tahan kompaksi (menit)
1 5 10 15 1 5 10 15 1 5 10 15 1:1 0,0 × 9 9 9 × × × × × o o o 0,5 × o o o × o o o × o o o 1,0 × o o o × o o o × o o o 1,5 × o o o × o o o × o o o 1:1,5 0,0 × o o o × o o o × o o o 0,5 × o o o × o o o × o o o 1,0 × o o o × o o o × o o o 1,5 × o o o × o o o × o o o Ket: ×=pecah, 9=tidak pecah, o=tidak dilakukan
Dari Tabel 1 terlihat bahwa sebagian besar serbuk SiC hasil kompaksi mengalami pecah atau getas. Pada serbuk SiC tanpa diberikan binder (larutan pengikat) diperoleh SiC monolitik yang tidak pecah dengan memberikan tambahan waktu kompaksi dari 5 hingga 15 menit dengan tekanan yang diberikan pada 10 dan 20 kN. Namun pada tekanan 20 kN, bentuk SiC yang diperoleh tidak utuh berbentuk silinder, sehingga dalam Tabel 1 tetap diberikan tanda silang (×) sebagai penanda hasil kompaksi tidak sempurna. Setelah dilakukan proses sinter, pelet hasil sinter dengan waktu kompaksi 10 dan 15 menit yang tetap utuh. Sementara itu, pada pelet yang hanya ditekan selama 5 menit mengalami patah setelah dilakukan proses sinter. Saat kompaksi terjadi transfer energi pada serbuk SiC yang salah satunya akan digunakan untuk berinteraksi antar serbuk sehingga terjadi ikatan secara mekanik (mechanical interlocking). Waktu kompaksi yang lebih singkat menunjukkan ikatan secara mekanik yang terjadi relatif lebih rendah sehingga lebih getas.
Hasil pengujian densitas untuk semua SiC monolitik menggunakan autopicnometer
ditabulasikan pada Tabel 2. Densitas rata-rata yang diperoleh sebesar 3,4332 g/cm3, dengan standar deviasi sebesar 0,1372 sehingga hasil pengukuran ini dapat dituliskan menjadi (3,4 ± 0,1) g/cm3. Dari pengukuran ini diperoleh koefisien variasi sebesar 4% dimana nilai tersebut menunjukkan pengulangan pengukuran yang dilakukan relatif presisi, sedangkan akurasi pengujian diperoleh dari perbandingan nilai densitas teoritis sebesar 3,21 g/cm3 dengan densitas pengukuran sebesar 3,43 g/cm3, sehingga diperoleh akurasi pengujian sebesar 6,41% [10,11].
Tabel 2. Nilai densitas SiC monolitik menggunakan autopicnometer.
Run Volume (cm3) Densitas (g/cm3) 1 0,2165 3,6910 2 0,2224 3,5931 3 0,2265 3,5239 4 0,2295 3,4823 5 0,2350 3,4011 6 0,2374 3,3655 7 0,2394 3,3374 8 0,2241 3,3194 9 0,2414 3,3109 10 0,2438 3,2777 Densitas rerata: 3,4332
Tabel 2 menunjukkan bahwa densitas rata-rata yang diperoleh relatif lebih besar dibandingkan dengan densitas teoritis SiC, namun dari 10 kali pengulangan diperoleh nilai terkecil adalah 3,2777 g/cm3. Hal ini menunjukkan SiC monolitik yang diperoleh hampir mendekati nilai densitas teoritis. Sebagian besar nilai yang tinggi, dimungkinkan karakteristik serbuk SiC pada permukaan SiC monolitik yang mudah mengalami erosi oleh gas He sebagai media dalam pengukuran densitas ini. Dimana serbuk SiC yang terlepas
Pembuatan Silikon Karbida Monolitik...
Futichah, dkk. ISSN: 2355-7524
akan terjebak di dalam chamber pengujian. Hal ini menyebabkan pengukuran volume yang sangat sensitif pada sampel uji oleh autopicnometer menjadi kelemahan dalam pengukuran SiC monolitik.
Hasil analisis struktur mikro dari SiC monolitik yang ditekan 10 kN selama 5, 10 dan 15 menit disajikan pada Gambar 1. Struktur mikro dari SiC menunjukkan sebagian serbuk SiC telah berdifusi, namun terlihat titik-titik hitam yang diduga sebagai pori atau sangat dimungkinkan juga sebagai karbon bebas yang terbentuk saat proses sintering. Ukuran pori atau karbon bebas yang terlihat pada Gambar 1, memiliki diameter berkisar antara 0,4-0,7
μm. Hal serupa terjadi pada pembuatan komposit SiC yang diperkuat dengan graphene
dimana proses pengompakan yang dilanjutkan dengan proses sinter masih menghasilkan ketidak homogenan densitas dari produk salah satunya diakibatkan oleh adanya porositas [12].
(a) (b)
(c)
Gambar 1. Struktur mikro SiC monolitik hasil sinter ditekan 10 kN selama (a) 5 menit, (b)
10 menit dan (c) 15 menit.
Morforlogi struktur mikro SiC masih belum menunjukkan butir yang ekuiaksial, sebab untuk memperoleh mikrostruktur ekuiaksial diperlukan waktu pemanasan yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi mendekati 2/3 dari titik leleh komposit SiC. Pada SiC monolitik, terlihat SiC yang berdifusi terlihat menyebar merata diseluruh bagian. Hal ini sangat mempengaruhi terhadap hasil pengujian kekerasan mikro. Ikatan SiC yang berdifusi akan lebih kuat dibandingkan dengan ikatan antar kelompok difusi SiC. Sehingga secara keseluruhan kekerasan SiC akan ditentukan oleh ikatan antar kelompok difusi SiC. Hasil pengujian kekerasan mikro ditabulasikan pada Tabel 3 dan citra SEM dari hasil jejakan dari kekerasan mikro oleh [12] disajikan pada Gambar 2.
Tabel 3. Hasil uji kekerasan mikro SiC monolitik. Beban indentor Vickers
(gf)
Waktu kompaksi (menit)
5 10 15
500 17,4 7,9 11,1
pori / karbon bebas pori / karbon bebas
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir 2017
Makassar, 12 Oktober 2017 ISSN: 2355-7524
Gambar 2. Citra SEM jejakan indentor Vickers pada SiC mengandung 2% karbon [12].
Jejakan indentor hardness Vicker pada SiC monolit relatif samar seperti pada Gambar 2, sehingga menyulitkan penentuan d1 dan d2 dari jejakan tersebut. Pada Gambar 2 tersebut
dilakukan dengan beban 49 N dengan waktu penahanan saat menjejak indentor sekitar 30 detik. Hasil uji kekerasan yang diperoleh [12] berkisar pada 22,64 dan 25,08 GPa. Nilai tersebut sangat jauh dibanding dari yang dihasilkan penelitian ini. Perbedaan dan besaran nilai yang diperoleh pada penelitian ini dimungkinkan karena proses pembacaan pada jejak yang samar, sehingga keyakinan untuk menyatakan batas diagonal hasil jejakan sangat mempengaruhi nilai yang diperoleh. Bagaimanapun turunnya kekerasan pada SiC monolitik yang dibuat, sangat dipengaruhi oleh struktur mikro SiC yang belum sempurna proses difusinya. Gambar 1 menunjukkan bahwa difusi SiC yang membangun struktur mikro, sangat berpengaruh terhadap kekerasan mikro yang diperoleh, pada Gambar 1.a terlihat area difusi SiC yang ada relatif lebih besar dibandingkan kedua gambar lainnya sehingga menunjukkan kekerasan mikro yang lebih besar. Hal ini disebabkan oleh terjadinya proses pautan mekanik (mechanical interlocking) yang sempurna selama pengompakan, sehingga proses difusi mudah terjadi akibatnya densitas menjadi tinggi yang diikuti kekerasannya juga tinggi.
Begitu juga dengan Gambar 1.c terlihat juga area difusi SiC yang relatif besar namun lebih sedikit jumlahnya dibandingkan pada Gambar 1.a, sedangkan Gambar 1.b area difusi SiC relatif kecil dan bintik hitam relatif menyebar merata. Hal ini disebabkan oleh proses kompaksi yang mengalami kejenuhan deformasi elastis dan mengakibatkan internal energi pada bahan yang dikompaksi memberikan penolakan terhadap tekanan yang diberikan, sehingga densitas yang diberikan menurun yang diikuti kekerasan juga menurun [13]. Pada Gambar 1.c, kondisi sampel dengan durasi tekanan yang lebih lama mengakibatkan serbuk SiC yang dikompaksi mengalami kondisi deformasi plastis sehingga dapat meningkatkan kembali pautan mekanik yang berakibat proses difusi mudah terjadi sehingga densitas dan kekerasannya kembali meningkat [13].
KESIMPULAN
Telah dibuat SiC monolitik dengan teknik metalurgi serbuk dengan dilakukan kompaksi dan proses sinter. Dari hasil eksperimen pembuatan SiC monolitik, diperoleh kesimpulan bahwa proses kompaksi serbuk SiC yang tidak dicampur binder memberikan hasil yang relatif baik pada tekanan 10 kN baik waktu kompaksi selama 5, 10 maupun 15 menit. Densitas yang diperoleh sebesar (3,4± 0,1) g/cm3 dengan presisi sekitar 4% dan akurasi sebesar 6,41%, nilai densitas rerata ini lebih tinggi dari nilai densitas monolitik (blocks) 3,21 g/cm3 namun dari 10 kali pengulangan diperoleh nilai terkecil adalah 3,2777 g/cm3. Hal ini menunjukkan SiC monolitik yang diperoleh hampir mendekati nilai densitas teoritis. Struktur mikro dari SiC monolitik sudah menunjukkan karakteristik SiC yang sudah berdifusi yang tesebar merata. Meski terlihat sedikit bintik hitam yang dimungkinkan sebagai pori atau karbon bebas. Kekerasan mikro yang diperoleh tertinggi rata-rata sebesar 17,4 VHN pada SiC monolitik yang ditekan dengan waktu penahanan selama 5 menit. Meskipun hasil uji densitas yang diperoleh nilainya lebih rendah mendekati dari nilai teoritiknya namun belum dapat disimpulkan performanya sebagai kelongsong bahan bakar nuklir. Sebab desain kelongsong berbasis SiC adalah kelongsong komposit SiC dari SiC monolitik dengan penguat serat SiC.