KONDUKTIVIT AS LISTRIK BAHAN ZIRKONIA YANG TELAH DISTABILISASI YTTRIA PADA SUHU K1

(1)

Prosidin.!? Pertemuan /lmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897

KONDUKTIVIT AS LISTRIK BAHAN ZIRKONIA YANG TELAH

DISTABILISASI

YTTRIA PADA SUHU 1073-1273 K1

Djusman Sajutr daD Sudarjaf

ABSTRAK

KONDUKTIVITAS LISTRIK BAHAN ZIRKONIA YANG TELAH DlSTABILISASI YTTRIA PADA SUHU 1273 K. Telah dilakukan pengukuran konduktivitas listrik dari bahan zirkonia yang telah distabilisasi yttria pada suhu 1073-1273 K, sebagai fungsi dari komposisi yttria dan suhu sintering. Sintesis bahan zirkonia tersebut dilakukan dengan metode sintering langsung terhadap campuran oksida-oksida zirkonia dan yttria pada komposisi tertentu. Seluruh contoh setelah dibuat bentuk pelet, disinter dalam suasana atmosfer oksigen. Analisis dari pola difraksi sinar-X memperlihatkan bahwa dengan penambahan yttria akan terjadi perubahan struktur kristal terhadap seluruh produk sintering, dari struktur zirkonia monoklinik ke dominasi fase tetragonal. Hasil percobaan menunjukkan bahwa konduktivitas listrik maksimum diperoleh pada jumlah kandungan yttria sekitar 8-9% mol Y 203. Untuk komposisi yttria tertentu, konduktivitas listrik akan meningkat dengan naiknya suhu sintering dari 1723-1823 K. Konduktivitas listrik tertinggi untuk suhu pengukuran 1273 K adalah sebesar 2,83 (S/m), yaitu pada komposisi 8% mol Y2O3 dan suhu sintering 1823 K. Energi aktivasi pada komposisi tersebut adalah sekitar 26,2 kJ/mol.

ABSTRACT

ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA AT TEMPERATURES OF 1073-1273 K. The electrical conductivity of yttria stabilized zirconia (YSZ) at temperatures of 1073-1073-1273 K was measured as the function ofyttria contents and sintering temperatures. The YSZ was synthesized by using direct sintering method for oxides mixture of zirconia and yttria at certain composition. All of the samples are in pellet form, and then sintered in oxygen atmospheric condition. The x-ray diffraction (XRD) patterns analysis showed that after doping of yttria, the crystals structure for all of the sintered products changed from monoclinic structure to the domination of tetragonal phase. The experiment results indicated that the maximum value of electrical conductivity obtained at yttria contents about 8-9% mole Y 203. For certain yttria content, the electrical conductivity increased with the rising of sintering temperatures from 1723-1823 K. The highest electrical conductivity for measurement temperature of 1273 K is 2.83 (S/m), it obtained at 8% mole y 203 and sintering temperature of 1823 K. The activation energy at its composition is about 26.2 kJ/rnole.

KEY WORD

Sintering, Yttria Stabilzed Zirconia (YSZ), Electrical Conductivity, Activation Energy.

PENDAHULUAN

Tulisan ini menyajikan basil pengukuran

besaran konduktivitas listrik daTi bahan zirkonia yang telah distabilisasi yttria pada selang suhu

1073-1273 K. Jumlah kandungan yttria clan suhu sintering akan dibahas pengaruhnya terhadap sifat konduktivitas listrik clan struktur kristal daTi produk sintesisnya. Selanjutnya, daTi data konduktivitas listrik tersebut, dilakukan perhitungan clan analisis terhadap nilai energi aktivasinya.

PROSEDURPERCOBAAN

Belakangan ini konduktor ionik berbasis

zirkonia seperti partially stabilized zirconia (PSZ) telah dipilih sebagai elektrolit padatan untuk sel konsentrasi gas oksigen. Hal ini karena beberapa faktor, seperti sederhana, ekonomis, quick response, dan cukup stabil pada suhu operasi yang relatif tinggi (sekitar 1273 K). Bahan keramik zirkonia tersebut akhir-akhir ini juga telah dikembangkan untuk komponenfuel cell, produksi gas hidrogen dengan elektrolisis uap air, kontrol gas buang dari mesin otomotif, di samping untuk keperluan sensor gas oksigen dalam industri pembuatan baja [1-7].

Umumnya konduktor ionik padatan ini mempunyai nilai konduktivitas listrik yang sangat tinggi, sebanding dengan konduktivitas dari garam

!ebur (molten salt), yaitu dengan harga cr > 1 (S/m).

Sintesis dilakukan dengan menggunakan metode sintering langsung terhadap campuran oksida-oksida zirkonia {zrOJ clan yttria (Y 203) pada beberapa komposisi tertentu.

Bahan baku yang dipakai adalah zrO2 p.a. kemumian ;?: 99% Kanlo Chemical clan Y2O3 p.a. kemumian ;?: 99,99% Aldrich Chemical.

Pencampuran bahan baku dilakukan

dalam suatu tabung gelas dengan menggunakan media aseton clan dikocok selama tiga jam, kemudian disaring clan dikeringkan pada suhu 323

K.

Akan tetapi bahan konduktor ion oksigen tersebut mempunyai nilai konduktivitas listrik yang tinggi pada suhu yang relatif tinggi, daD harganya sangat bergantung pada jenis clan jumlah

bahan penstabil yang ditambahkan. Bahan penstabil yang umum digunakan pada pembuatan keramik PSZ adalah seperti kalsia, magnesia, atau yttria [8].

Seluruh contoh dibuat bentuk pelet dalam suatu die dengan ukuran diameter 10 mm dan

I Dipresentasikan pada Pertemuan IImiah Sains Materi 1997 2 Puslitbang Metalurgi -LIPI

(2)

Pros;d;nf! Pertemuan I/m;ah Sains Mater; J 997 ISSN J 4 J 0 -2897

ketebalan 3 mm, menggunakan penekan hidraulik untuk komposisi 8% mol Y1O3 ditunjukkan pada dengan tekanan sekitar 3'-4 ton. Pelet-pelet tersebut Tabel3.

kemudian disinter dalam suasana atmosfer

oksigen. Sintering dilakukan dua kali Tabel I : Data resistivitas pada suhu pengukuran 1073, ulang, yang pertama pada suhu 1323 K selama 2 1173, clan 1273 K sebagai fungsi dari jam dan yang kedua dilakukan pada suhu yang komposisi yttria.

divariasikan 1723, 1773, atau 1823 K selama 3 jam. Sintering secara berulang tersebut

dimaksudkan untuk memperoleh homogenitas dari produk pencampurannya.

Diagram alir dari preparasi contoh relet melalui jalur sintering langsung ini, ditunjukkan pada gambar 1.

Suhu

pengukuran(K)

Res~

s (ohm.m)

I 243!!,~ Komposisi yttria (% mol Y 203)

1073

rP;3

~

1273

6 950,739 I 474,239 1073

1173

1273

382,690

152:987

81,1984

8 x~~

zrO2

Pencampuran

1073

m3

~

526,642

'219:648

Tr8Jf2

10

~~~

Pengeringan

Tabel 2 Data resistivitas pada suhu pengukuran 107.1; 1173, clan 1273 K untuk komposisi 6% mol y 203 sebagai fungsi dari suhu sintering.

Pembuatan

relet I

Suhu

sintering (K)

Subu pengukuran

(K)

Kalsinasi

1073

Resistivitas

(ohm.m)

2430,69

950,739

474,239

i-Penggerusan

1723

1173

1273

Pelet II

.1073

iT73

1273

Si~t~!~

_Tf13

520,615

199,021

105,708

Contoh relet

1073

iT73

Ii73

1823

Diagram alir preparasi contoh pelet melalui

jalur sintering langsung. Garnbar

159,182

6i,8967

30,5117

Struktur kristal dari produk sintering

ditetapkan berdasarkan analisis dari pol a difraksi sinar-X, clan konduktivitas listrik dihitung dari harga resistivitas. Pengukuran besaran resistivitas ini dilakukan dengan AC impedance spectroscopy pada selang suhu pengukuran dari 1073-1273 K.

Tabel3 : Data resistivitas pada suhu pengukuran 1073, 1173, dan 1273 K untuk komposisi 8% mol y 203 sebagai fungsi daTi suhu sintering.

sintering

(K)

Suhu pengukuran

(K)

Resistivitas

(ohm.m)

nAS.IL P~RCOBAAN

1073

1173

1273

382,690

T52:ffi

81,i984

1723

1073

Tffi

I2n

389,242

150,427 I i__- 76,41041

Data basil pengukuran resistivitas dari produk sintering pada suhu pengukuran 1073, 1173, dan 1273 K sebagai fungsi dari komposisi yttria, ditunjukkan pada Tabel 1. Sintering dilakukan pada suhu 1723 K dalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam. Selang jumlah kandungan yttria dari 6-10% mol Y 203.

Data hasil pengukuran resistivitas pada suhu pengukuran 1073, 1113, dan 1273 k sebagai fungsi dari suhu sintering, untuk komposisi 6% mol Y 2G3 ditunjukkan pada Tabel 2 clan yang

1073

1173

~

1823

0,86374

0,52536

0,35337 313

(3)

0.035 E O.a28

-~

o. CT21

0.014

0.007

In IV

...

'>

; ~ ~ 'g c 0

~

Garnbar 3 Hubungan antara suhu sintering dengan konduktivitas pada suhu pengukuran 1273, 1173, dan 1073 K untuk bahan YSZ dengan komposisi 6% mol Y 2°3'

Gambar 2 Hubungan antara komposisi yttria dengan konduktivitas pada suhu pengukuran 1273,

1173, dan 1073 K.

_3.5

-2.9

E

'@. 2.3 II) co

~ 1.7

~ ~

~ 1.1

'g c

~ 0.5

-Q.1 I , ,I I

1673

1723

1m

1t:r23 1873

SIJ1U sirtm~ (K)

Gambar 2 memperlihatkan bahwa pada semua suhu pengukuran clan selang jumlah kandungan yttria dari 6-10% mol Y 203, maka konduktivitas listrik akan naik sampai mencapai nilai maksimum clan selanjutnya turun kembali.

Konduktivitas listrik maksimum diperoleh pada komposisi sekitar 8-9% mol Y 203. Tetapi pada jumlah kandungan yttria lebih dari 8% mol Y 203 maka produk sintering kurang stabil clan mudah retak. Akibatnya akan sulit untuk menetapkan harga shape factor (rasio dari luas penampang terhadap ketebalan). Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang telah dilaporkan oleh peneliti terdahulu [8].

Untuk itu, pada percobaan selanjutnya variasi dari jumlah kandungan yttria dilakukan pada komposisi 6 clan 8% mol Y 2°3.

Garnbar 4 Hubungan antara suhu sintering dengan konduktivitas pada subu pengukuran 1273, 1173, daD 1073 K untuk bahan YSZ dengan komposisi 8% mol Y 2030

Struktur Kristal Zirkonia Setelah Stabilisasi

Yttria

Gambar 5 memperlihatkan pola difraksi sinar-X untuk produk sintering daTi zirkonia yang telah distabilisasi yttria pada komposisi 8% mol Y203' Sintering dilakukan pada suhu 1823 K dalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam.

Hasil analisis daTi pola difraksi sinar-X tersebut menunjukkan bahwa pada bahan YSZ dengan komposisi 8% mol Y 20], telah terjadi perubahan struktur kristal terhadap produk sinteringnya daTi struktur zirkonia yang monoklinik ke dominasi rase tetragonal. Puncak-puncak daTi rase tetragonal yang muncul, itu dalam

Pengaruh Suhu Sintering

8elang suhu sintering daTi 1723-1823 K. Percobaan dilakukan dalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam.

Dari gambar 3 clan 4 dapat dilihat bahwa untuk komposisi 6~/o mol y 203 maupun pada komposisi 8% mol Y 203, konduktivitas listrik akan meningkat dengan naiknya suhu sintering daTi 1723 -1823 K. Pada suhu sintering 1823 K diperoleh kenaikan yang cukup drastis.

Konduktivitas listrik tertinggi yang dicapai daTi percobaan ini adalah sebesar 2,83 (81m), yaitu diperoleh pada komposisi 8% mol Y 203 clan suhu pengukuran 1273 K. Harga ini sekitar dua orde lebih besar dibanding dengan pengukuran pada komposisi 6% mol Y 2°3. Hal ini menunjukkan bahwa pada komposisi 8% mol

314

Pros;d;nJ! Perlemuan //m;ah Sa;ns Maler; /997 /SSN /4/0 -2897

PEMBAHASAN Y 203 tersebut, produk sintesis te\ah

0 ,f':::

=:::==+

I

1673

1723

1m

1fr23

1873

Slj1J sirmi~ (K)

(4)

ProsidinQ Pertemuan Ilmiah Sains Materi /997 persesuaian yang baik dengan JCPDS file nomor 42-1164 [9J.

Masih munculnya puncak-puncak dari struktur zirkonia yang monoklinik tersebut, walaupun dengan intensitas yang sudah rendah (tidak lebih dari 10%), ini dikarenakan waktu sintering tiga jam mungkin masih belum cukup memadai. Puncak-puncak tersebut diperkirakan

rIJ

~

:=

rIl

=

Qi

~

60 20 40

28 ( Deg. )

Gambar 5 : Pola difraksi sinar-X daTi bahan YSZ dengan komposisi 92% mol zrO2 -8% mol Y 20] setelah disinter pada suhu t 823 K dalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam. (Zt : zirkonia tetragonal, Zm : zirkonia

monoklin).

Hubungan Konduktivitas dengan Suhu

Seperti telah disebutkan di muka bahwa

konduktivitas listrik bergantung pada suhu,

dimana nilainya akan naik pada suhu yang lebih

tinggi.

Di samping itu, apabila dari hubungan konduktivitas listrik tersebut dengan suhu telah diketahui, maka harga Ea dapat dihitung. Ea adalah energi aktivasi yang diperlukan ion di dalam padatan untuk berpindah, clan ini merupakan salah satl1 parameter yang menunjukkan kemudahan ion untuk bergerak di dalam padatan. Semakin kecil harga Ea, maka ion semakin mudah untuk berpindah atau proses akan lebih cenderung untuk dikendalikan secara difusi.

Pada umumnya, hubungan konduktivitas listrik 0' (81m) dengan suhu T (K) yang

berdasarkan ion di dalam padatan, dapat dituliskan seperti persamaan (1) berikut [II].

cr =.Q:~ exp.(-.£!) (I)

T RT

Jika dituliskan dalam bentuk logaritma, menjadi persamaan (2).

log [cr.T] = -.£! + C (2)

RT

Disini, Ea (J/mol) adalah energi aktivasi, R (J/mol.K) adalah konstanta gas, T (K) adalah suhu Kelvin, 0"0 clan C adalah konstanta.

Dengan memakai persamaan (2), daTi konduktivitas listrik 0" (81m) yang diukur pada

suatu suhu tetap T (K), jika nilai log [(f. T] di plot terhadap kebalikan daTi suhu (lIT), maka akan diperoleh suatu garis lurns. Dari kemiringan garis /SSN /4/0-2897 akan hilang dengan penggunaan waktu kalsinasi atau sintering selama 24 jam [10].

Tetapi karena kemampuan peralatan yang belum mendukung, maka untuk saat ini tidak dapat dilakukan kalsinasi maupun sintering pada suhu 1823 K dengan waktu yang lebih lama daTi tiga jam tersebut.

(5)

Pros;d;nJ! Pertemuan llm;ah Sa;ns Mater; 1997 turns tersebut, dapat dihitung nilai energi aktivasi.

Kurva garis turns seperti ini, lazim dikenal dengan nama Arrhenius plot, seperti

ditunjukkan pada gambar

6. 5 .~t.t ,~

~ 4

~

E

~ 3

~ 2

CI 9. 1 0

0.7

0.8 0.9 10CX)1T (1/K)

1.0

1.1

Gambar 6 : Arrhenius plot untuk hubungan antara log [<J.T] terhadap looorr.

Dari gambar 6 terse but, misalnya pada kode (8Y, 1.823 K) untuk komposisi yttria sebesar 8% mol Y 203 yang telah disinter pada suhu 1823 K, akan diperoleh suatu kurva garis lures seperti ditunjukkanpadapersamaan (3) berikut.

log [cr.T] = -~ + 6,04

KESIMPULAN

Telah dipelajari pengaruh komposisi yttria clan suhu sintering terhadap sifat konduktivitas listrik clan struktur kristal dari produk sintesis Y8Z. Oari serangkaian percobaan yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa kesimpulan berikut.

.Bahan zirkonia yang telah distabilisasi yttria, akan terjadi perubahan struktur kristal terhadap produk sinteringnya dari struktur zirkonia yang monoklinik ke dominasi rase

tetragonal.

.Konduktivitas listrik maksimum diperoleh pada jumlah kandungan yttria sekitar 8-9% mol Y 203.

.Untuk komposisi yttria tertentu, konduktivitas listrik akan meningkat dengan naiknya suhu sintering dari 1723-1823 K.

.Konduktivitas listrik tertinggi untuk suhu

pengukuran 1273 K adalah sebesar 2,83

(81m), yaitu pada komposisi 8% mol Y 203 clan suhu sintering 1823 K.

.Energi aktivasi pada komposisi tersebut, setelah dihitung dari harga kemiringan

Arrhenius plot untuk hubungan antara log

[{J.T] terhadap 1000/T, adalah sekitar 26,2

kJ/mol.

T

(T: lO73-l273K) (3)

Dengan mempersamakan hubungan antara fog [<J.T] terhadap (lIT) dari persamaan (2) daD (3), maka nilai energi aktivasi dapat dihitung daD diperoleh harga sekitar 26,2 kJ/mol.

Nifai energi aktivasi dari bahan zirkonia yang telah dismbifisasi yttria untuk beberapa variasi komposisi yttria clan suhu sintering diperlihatkan pada Tabel 4.

UCAPAN T}:RIMA KASIH

Sebagian dari percobaan ini (dalam

penggunaan

peralatan

A C

impedance

spectroscopy)

telah dilakukan oleh kedua penulis

di Jepang, dalam rangka program kerja sarna

dengan

Japan Society

for the Promotion of Science

(JSPS).

Tabel 4 : Nilai energi aktivasi bahan zirkonia yang telah distabillsasi yttria untuk beberapa variasi dari komposisi yttria clan sub" sintering.

No.

contoh

Komposisi

yttria (% mol

~20~)

Energi

aktivasi

(kJ/mo!)

26,2

8

6

8

"6 Suhu

sintering

(K)

1823

45,0

4"44

,

43;6

2

3

4

1773

DAFfARPUSTAKA

[1] OLIVIER TILLEMENT : Review,

Solid Statl!

/onics Electrochemical Devices, Solid State

Ionics, 68 (1994), 9-33.

[2] MARSONGKOHADI

:

Konduktor

Superionik

,

Sifat-sifat

jisis

dan

Penggunaannya

dalam Teknologi, Prosiding,

Pertemuan Ilmiah Sains Materi, Serpong,

Oktober(1996),6-14.

[3] LIU, M.

AND

KHANDKAR, A.

:

Considerations

in

Design

and

Characterization

of

Solid

Statl!

Electrochemical

Systems: Solid State Ionics,

52 (1992),3-13.

Energi aktivasi terkecil diperoleh pada komposisi 8% mol Y 203 clan suhu sintering 1823 K. Hal ini sesuai dengan pembahasan yang telah diberikan sebelumnya.

316

/SSN 1410 -2897

Kalau nilai Ea lebih kecil dari 30 kJ/mol dapat diambil sebagai patokan untuk proses-proses yang dikendalikan secara difusi, maka reaksi akan lebih cenderong dikendalikan secara kimia untuk komposisi yttria yang kurang dari 8% mol Y 203 atau suhu sintering yang lebih rendah dari 1823 K.

(6)

Pros;d;nf! PertemuanIlm;ah Sa;ns Mater; 1997 /SSN /4/0 -2897