II.3. Teknik Mengubah Sifat Keramik
II.3.3. Teknik redoks
Beberapa bahan keramik mempunyai sifat listrik yang sangat
dipengaruhi oleh lingkungannya. Bahan seperti Fe2O3 tahanan
listriknya dapat diperkecil dengan mereduksinya di dalam gas reduktif. Akibat reduksi, bahan Fe2O3 yang stoikiometris akan menjadi Fe2O3 yang non-stoikiometris yaitu Fe2O3-x. Reaksi kimianya
diperlihatkan pada persamaan (2-4). Di dalam Fe2O3 sebagain
Fe3+ direduksi menjadi Fe2+. Dengan kondisi yang barunya, di dalam bahan terbentuk elektron tambahan yang menyebabkan konduksitivitas listrik membesar. Sebaliknya jika ingin memperkecil
BAB II | KERAMIK
konduktivitas ionik, bahan yang non-stoikiometris (kekurangan oksigen) dioksidasi di dalam oksigen menjadi stoikiometris seperti persamaan (2-5).
………..……….(2-4) ……….……….……….(2-5) II.4. Nanopartikel Keramik dan Aplikasinya
Keramik yang telah dijelaskan umumnya dalam bentuk bulk,
thick film, dan thin film. Penjelasan mengenai keramik tersebut
dapat dijadikan sebagai pengetahuan dalam memahami keramik. Di bagian ini dijelaskan keramik dalam bentuk serbuk ukuran nanometer (nanopartikel) dan aplikasinya. Sejalan dengan perkembangan nanoteknologi berkembang pula penelitian dan aplikasi keramik khususnya nanoceramic. Keramik nanopartikel banyak sekali aplikasinya. Beberapa di antaranya adalah nanopartikel untuk bidang kesehatan seperti Fe3O4 untuk Magnetic Resonance Imaging (MRI) dan terapi kanker [36], nanopartikel untuk bidang lingkungan seperti Fe2O3 dan Fe3O4 untuk adsorben [37], nanopartikel TiO2, ZnO, Fe2O3 untuk fotokatalis [38-40], dan nanopartikel seperti TiO2, Al2O3, ZnO, Fe2O3, CuO, Fe3O4, dan ZrO2 [7,41-42] untuk nanofluida perpindahan panas yang menjadi topik buku ini. Keramik nanopartikel mempunyai karakteristik yang sangat istimewa dan lebih baik dari bentuk bulk nya karena mempunyai perbandingan luas permukaan terhadap volume yang sangat besar.
Jika difokuskan pada aplikasi nuklir khususnya reaktor nuklir bertipe LWR (Light Water Reactor) yang terdiri dari PWR (Pressurized
Water Reactor) dan BWR (Boiling Water Reactor) terdapat beberapa
daerah aplikasi utama yaitu reaktor bagian dalam (bagian yang mengandung bahan bakar) dan luar tangki (vessel) untuk PWR
BAB II | KERAMIK
dan BWR, dan sistem pendingin sekunder untuk PWR. Daerah aplikasi ini mempengaruhi pemilihan keramik yang dipakai. Untuk aplikasi di dalam vessel sebagai pendingin primer keramik harus mempunyai keoefisien absorbsi neutron termal yang kecil dan tidak mudah teraktivasi oleh neutron. Berdasarkan harga koefisien absorpsi neutron termal Pada Tabel 2.2 [43] yang lebih kecil dari tampang lintang neutron termal hidrogen sebagai komponen utama air (H2O), untuk daerah ini terdapat 8 jenis bahan yaitu 7 bahan keramik yaitu PbO/PbO2, BeO, Bi2O3, MgO, Al2O3, SiO2, dan ZrO2 serta 1 bahan non keramik yaitu C (Karbon). Untuk sistem pendingin sekunder di reaktor jenis PWR, banyak keramik yang dapat diaplikasikan selain 7 keramik yang telah disebutkan, di antaranya Fe3O4 [10], NiO[44], ZnO [45,46], CuO[45,47-49], TiO2 [45,49-51], Fe2O3 [52], WO3[53], dan SnO2[54], baik dalam bentuk keramik larutan padat maupun keramik komposit, dalam bentuk baik keramik biner maupun keramik terner.
Untuk aplikasi di daerah luar vessel untuk Reactor Vessel Cooling
System (RVCS), keramik yang digunakan pada sistem pendingin
sekunder juga dapat dipakai. Sementara untuk Emergency Core
Cooling System (ECCS) keramik harus sama dengan keramik untuk
sistem pendingin primer yaitu PbO/PbO2, BeO, Bi2O3, MgO, Al2O3, SiO2, dan ZrO2 serta C. Pertimbangannya, pada saat kecelakaan terjadi, inti reaktor (reactor core ) yang disiram cairan pendingin (nanofluida) tidak boleh terkontaminasi oleh unsur yang mudah teraktivasi karena unsur yang teraktivasi dapat menimbulkan radiasi pengion. Radiasi tersebut akan menambah jumlah radiasi yang ditimbulkan oleh bahan bakar reaktor.
Dari beberapa keramik yang telah disebutkan, dua di antaranya yaitu Al2O3 dan ZrO2 ditambah Fe3O4 dan Fe2O3 menjadi perhatian PSTNT BATAN yang sejak tahun 2011 melakukan penelitian nanofluida. Salah satu pertimbangannya karena bahan dasar dari
BAB II | KERAMIK
keramik-keramik tersebut banyak tersedia di Indonesia berupa mineral atau limbah. Al2O3 dapat diekstraksi dari mineral bauksit yang terdapat di Sulawesi dann Kalimantan, dan ZrO2 dari pasir zirkon yang tersedia di Pulau Bangka-Belitung, serta Fe3O4 dan Fe2O3 dapat diperoleh dari pasir besi, hematit, dll. yang tersedia di antaranya di Pulau Jawa bagian selatan. Keramik Fe3O4 dan Fe2O3 sesuai untuk aplikasi pendingin sekunder reaktor PWR dan ERVCS, dan aplikasi non-nuklir bidang otomotif, lingkungan dan kesehatan, pendinginan gedung, dll.
Tabel 2.2. Daftar harga koefisien absorpsi neutron termal
beberapa unsur atau senyawa [43].
No. Unsur/
Senyawa Koefisien absorbsi neutron termal (barns)
No. Unsur/
Senyawa Koefisien absorbsi neutron termal (barns) 1 Al 0,23 18 D2O 0,0013 2 Sb 5,4 19 H 0,332 3 Ba 1,2 20 Fe 2,55 4 Be 0,0092 21 La 9,0 5 Bi 0,033 22 Pb 0,17 6 B 759 23 Mg 0,063 7 Cd 2450 24 Mo 2,65 8 C 0,0034 25 Ni 4,43 9 Ce 0,63 26 Nb 1,15 10 Cr 3,1 27 Si 0,16 11 Co 37,2 28 Ta 21 12 Cu 3,79 29 Sn 0,63 13 Dy 930 30 Ti 6,1 14 Eu 4600 31 W 18,5 15 Gd 49000 32 Y 1,28 16 Ga 2,9 33 Zn 1,10 17 O 0,00027 34 Zr 0,185
BAB II | KERAMIK
Berikut ini adalah gambaran dari Al2O3 dan ZrO2 yang menjadi keramik utama yang diteliti di PSTNT BATAN sejak 2011.
II.4.1. Keramik Al2O3
Al2O3 (alumina) mempunyai berbagai struktur (polimorp)
yaitu (α, χ, η, δ, θ, γ, dan ρ) Al2O3. Alfa Alumina (α-Al2O3) disebut juga sebagai korundum adalah alumina yang paling stabil. Alumina alfa mempunyai titik leleh 2054ºC[13]. Keramik alumina mempunyai konduktivitas listrik yang rendah oleh karena itu sering dimanfaatkan untuk isolator listrik. Karena sifat mekaniknya sangat baik keramik Al2O3 sering digunakan untuk bahan struktur. Di antara berbagai keramik, Al2O3 mempunyai konduktivitas termal yang relatif besar yaitu sebesar 35 W/K [55]. Konduktivitas panas yang relatif baik menyebabkan Al2O3 digunakan sebagai keramik substrat elektronik. Konduktivitas termal yang baik juga dibutuhkan untuk aplikasi nanofluida. Secara kimia Al2O3 juga sangat stabil artinya tahan terhadap lingkungannya karena itu sering dipakai untuk bahan tungku bagian dalam dan luar. Al2O3 umumnya diproduksi dari mineral bauksit dengan proses bayer. Bauksit di Indonesia di antaranya terdapat di Pulau Sulawesi. Koefisien absorbsi neutron termalnya yang kecil, bahkan lebih kecil dari air (0,33 barns)[43] yang digunakan sebagai pendingin reaktor PWR dan BWR, menyebabkan Al2O3 dalam ukuran nanometer sangat sesuai untuk nanofluida reaktor nuklir. Alumina untuk nanofluid aplikasi reactor nuklir harus memiliki kemurnian yang tinggi, terutama tidak boleh mengandung impuritas yang mengganggu ekonomi neutron di dalam reaktor nuklir, menimbulkan masalah radiasi (akibat aktivasi impuritas oleh neutron), dan masalah korosi baik pada bahan bakar maupun pada tangki (vessel). Nanopartikel alumina dapat diproduksi dengan cara kimia seperti solgel, presipitasi dan spray pirolysis. Pada Gambar
BAB II | KERAMIK
2.6 diperlihatkan struktur alumina alfa. Sementara pada Tabel 2.2 diperlihatkan sifat-sifat keramik Alumina [55].
Gambar 2.6. Struktur Al2O3 alfa [56].
II.4.2. Keramik ZrO2
ZrO2 merupakan keramik polimorp, artinya berstruktur lebih dari satu yaitu monoklinik, tetragonal, dan kubus. Keramik ini mempunyai titik leleh 2677ºC[13]. Keramik ini mempunyai konduktivitas listrik yang lebih rendah dari pada Al2O3. Sama dengan Al2O3 sering pula dimanfaatkan untuk isolator listrik. Karena sifat mekanik keramik ini sangat baik, keramik ZrO2 digunakan pula untuk bahan struktur terutama setelah ditambah keramik lain seperti Y2O3, MgO, dan CaO. Dibanding dengan Al2O3, ZrO2 mempunyai konduktivitas termal yang relatif lebih kecil yaitu 2,7 W/m.K [55]. Secara kimia ZrO2 juga sangat stabil artinya tahan terhadap lingkungannya. Sama seperti
BAB II | KERAMIK
Al2O3, keramik ZrO2 juga sering dipakai untuk bahan tungku. Seperti juga Al2O3, karena koefisien absorbsi neutron termalnya kecil, lebih kecil dari air (0,33 barns) yang digunakan sebagai pendingin reaktor
PWR dan BWR, ZrO2 dalam ukuran nanometer sangat sesuai untuk
nanofluida reaktor nuklir. Struktur kristal ZrO2 diperlihatkan pada Gambar 2.7. Dibanding dengan Al2O3, keramik ZrO2 lebih berat pada volume yang sama. Keramik ZrO2 biasanya diperoleh dari pasir zirkon (ZrSiO4) yang banyak terdapat di Pulau Bangka dan Belitung, serta Pulau Kalimantan. Nanopartikel ZrO2 dapat diproduksi dengan cara kimia seperti solgel, presipitasi dan spray pirolysis. Tabel 2.3 memperlihatkan sifat-sifat keramik ZrO2 [55].
BAB II | KERAMIK
Tabel 2.3. Sifat-sifat keramik Al2O3 [55].
No. Sifat Satuan Keterangan Harga
Sifat Fisika
1 Rumus kimia Al2O3
2 Rapat massa g/cm3 3,7-3,97
3 Struktur Kristal hexagonal
4 Warna Putih/gading
5 Kekerasan Mohs 69
Kekersan Knoop(kg/mm) 2000
Sifat Mekanik
6 Kekuatan tekan MPa (Suhu ruang) 2070-2620
7 Kekuatan tarik MPa (Suhu ruang) 260-300
8 Young Modulus GPa 393
9 Flexural strength MPa(Suhu ruang) 310-379
10 Bilangan Poisson 0,27
11 Ketangguhan retak MPa x m1/2 4,5
Sifat Panas 12 Thermal shock
resistance ∆T (ºC) 200
13 Konduktivitas panas W/m.K(Suhu ruang) 35 14 Koefisien ekspansi
panas linear µm/m.K 8,4
15 Panas jenis Cal/g.ºC 0,21
Sifat Listrik
16 Konstanta dielektrik 1MHz (Suhu ruang) 9,6
17 Kekuatan dielektrik kV/mm 15
BAB II | KERAMIK
Tabel 2.4. Sifat-sifat Keramik ZrO2 [55].
No. Sifat Satuan Keterangan Harga
Sifat Fisika
1 Rumus kimia ZrO2
2 Rapat massa g/cm3 6,04
3 Struktur Kristal Tetragonal
4 Warna Putih
5 Kekerasan Mohs 6,5
Kekersan Knoop(kg/mm) 1600
Sifat Mekanik MPa (Suhu ruang) 2500
6 Kekuatan tekan MPa (Suhu ruang) 2500
7 Kekuatan tarik MPa (Suhu ruang) 248
8 Young Modulus Gpa 207
9 Flexural strength MPa(Suhu ruang) 900
10 Bilangan Poisson 0,32
11 Ketangguhan retak MPa x m1/2 13,0
Sifat Panas 12 Thermal shock
resistance ∆T (ºC) 280-360
13 Konduktivitas panas W/m.K(Suhu ruang) 2,7 14 Koefisien ekspansi
panas linear µm/m.K 11
15 Panas jenis Cal/g.ºC 0,1
Sifat Listrik
16 Konstanta dielektrik 1MHz (Suhu ruang) 26
17 Kekuatan dielektrik kV/mm 9,0