EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,
SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT
TESIS
Oleh
DELOVITA GINTING
127026007/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2014
EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,
SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera
Utara
Oleh
DELOVITA GINTING
127026007/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis : EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP
MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT
Nama Mahasiswa : DELOVITA GINTING
Nomor Induk Mahasiswa : 127026007
Program Studi : MAGISTER FISIKA
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui Komisi Pembimbing
Dr. Nasruddin M.N.,M.Eng.Sc Prof. Perdamean Sebayang, M.Sc
Ketua Anggota
Ketua Program Studi, Dekan,
Dr. Nasruddin M.N.,M.Eng.Sc Dr. Sutarman, M.sc
NIP. 19950701981021002 NIP. 196310261991031001
PERNYATAAN ORISINALITAS
EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR,
SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK
BARIUM HEKSAFERIT
TESIS
Dengan ini saya nyatakan bahwa mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satuannya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.
Medan, 24 Juli 2014
Delovita Ginting NIM. 127026007
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA
ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Delovita Ginting
Nim : 127026007
Program Studi : Magister Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Ekslusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK
BARIUM HEKSAFERIT
Dengan hak Bebas Royalti Non-Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak, menyimpan, mengalih media, mengelola dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 24 Juli 2014
Delovita Ginting
i
KATA PENGANTAR
Bismillahirahmanirrahim,
Syukur Alhamdulillah penulis Panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan karunia dan rahmat kepada hamba-Nya. Sholawat serta salam semoga tercurah bagi Nabi besar Muhammad SAW satu-satunya manusia yang patut menjadi teladan. Karena berkat dan bimbingan serta kasih–Nya penulis dapat menyelesaikan Tesis ini. Manisnya rintangan telah mewarnai penyusunan Tesis ini dan Alhamdulillah telah dapat dilalui.
Penulisan Tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Master Fisika pada Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara - Medan. Saya menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan, penelitian sampai penyusunan Tesis ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ayahanda tercinta Robinson Ginting, S.E Ibunda tercinta Jusmiati, S.Pd yang selalu mendukung dan memotivasi serta mendoakan dengan penuh keikhlasan sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini.
2. Adik-adik saya Delvina Ginting dan Royi Aildiltra Ginting yang dengan penuh cinta kasih membantu dan menyemangati saya dalam mengerjakan tesis ini.
3. Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM), Sp. A(K)., selaku Rektor Universitas Sumatera Utara – Medan.
4. Bapak Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc., selaku Ketua Program Studi Magister Fisika Universitas Sumatera Utara – Medan sekaligus sebagai pembimbing satu yang dengan senang hati membimbing dan mengarahkan penulis dalam penulisan tesis ini.
5. Bapak Prof. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing dua, serta pembimbing lapangan saya selama di Pusat Penelitian Fisika LIPI yang rela meluangkan waktunya kepada penulis ditengah kesibukannya dalam pekerjaannya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini.
6. Kepada pendamping pembimbing lapangan saya Bapak Agus Sukarto, Bapak Toto Sudiro, dan Bapak Muljono yang dengan sabar membimbing penulis dalam proses penelitian hingga akhir.
7. Mbak Ayu Yuswitasari, Mas Candra, dan Mas Lukman, Bapak Boy dan Bapak Amat yang selalu sabar membantu penulis dalam penggunaan alat LAB.
8. Teman-teman satu perjuangan angkatan 2012 Pascasarjana USU yang tidak dapat disebutkan satu persatu telah saling support satu sama lain, terutama Yola Allan Sembiring sebagai teman satu penelitian dan seperjuangan selama di P2F LIPI.
ii
9. Kakak kelas angkatan 2011 Pascasarjana USU Achmad Maulana Soehada Sebayang yang dengan sabar memberikan saran dan dukungan kepada penulis.
10. Adik-adik S1 Fisika Universitas Sumatera Utara - Medan: Dahniar, Ussi, Citra, Eka, Tere, Tari, Lya, Lasmi, dan Ataran yang saling support selama melakukan penelitian di P2F LIPI.
Penulis telah berupaya semaksimal mungkin dengan baik, namun demikian penulis menyadari masih ada beberapa kekurangan dari Tesis ini. Untuk itu pada kesempatan ini penulis menyambut baik kritik dan saran dari pembaca demi kesempurnaan Tesis ini.
Akhir kata, saya berharap ALLAH S.W.T. berkenan untuk membalas kebaikan dari semua pihak yang telah membantu. Semoga Tesis ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan di Indonesia, Amin.
Medan, 24 Juli 2014
Delovita Ginting
iii
EFEK PENAMBAHAN BORON TERHADAP
MIKROSTRUKTUR, SIFAT FISIS, DAN MAGNETIK
BARIUM HEKSAFERIT
ABSTRAK
Pada penelitan ini telah dilakukan studi efek penambahan B2O3 pada material
Barium heksaferit (BaFe12O19) serbuk komersial pencampuran dilakukan dengan
metode dry milling menggunakan High Energy Milling melalui proses mechanical alloying selama 48 jam. Variabel penelitian yang dilakukan adalah kosentrasi B2O3 sebagai subsitusi aditif Boron pada bahan Barium hexaferrite (BaFe12O19)
sebanyak 0, 0.5, 1.0,dan 2,0 % berat serta suhu sintering 1100, 1150, dan1200oC yang masing-masing ditahan selama 1 jam. Besaran-besaran yang diamati meliputi ukuran partikel, true density, porositas, bulk density, flux density, kurva histerisis, analisa mikrostruktur dengan XRD, SEM, dan µXRF serta uji termal material tersebut dengan menggunakan Dilatometer. Dari hasil pengamatan ukuran partikel menggunakan Particle Size Analyzer (PSA) dengan penambahan B2O3 dapat memperkecil ukuran partikel Barium heksaferit yaitu 72.29% dari
ukuran awalnya. Suhu sintering terbaik diperoleh adalah 1100oC. Hasil identifikasi pola sinar-X (XRD) Barium heksaferit dalam penelitian ini memiliki struktur tunggal BaFe12O19. Morfologinya relatif homogen dengan bentuk partikel
menyerupai batang dengan ukuran partikel 0.375 - 2.75 µm. Magnet Barium heksaferit relatif padat dengan porositas < 8%, bulk density berkisar 3.66 – 4.18 g/cm3, flux density magnetik berkisar 463.9 – 832.5 Gauss, remanensi Br 1.64 -
2.28 kGauss, koersivitas HCB 2.11 – 2.85 kOe dan BHmax 0.30 - 2.18 MGOe.
Kondisi terbaik pada penelitian ini adalah penambahan B2O3 sebesar 0.5 % berat.
Kata kunci: Magnet Permanen, Barium heksaferit, Aditif Boron, Sifat Magnetik
iv
EFFECT OF BORON ADDITION ON MICROSTRUCTURE,
PHYSICAL PROPERTIES, AND MAGNETIC OF BARIUM
HEXAFERRITE
ABSTRACT
Study effect of B2O3 addition of Barium hexaferrite material (BaFe12O19) commercial powder mixing with dry milling method using the High Energy Milling through the process of mechanical alloying for 48 hours. Variables research is concentration B2O3 as additive, Boron substitution in Barium hexaferrite (BaFe12O19) is 0, 0.5, 1.0, and 2.0 %wt and the sintering temperature 1100, 1150, and 1200oC held for 1 hour. Observed magnitudes include particle size, true density, porosity, bulk density, flux density, hysteresis curves, microstructure analysis by XRD, SEM, and XRF and thermal analysist with Dilatometer. Distribution of particle size using Particle Size Analyzer (PSA, and the addition of B2O3 can reduce the particle size of barium hexaferrite ie 72.29% of its initial size. The best sintering temperature is 1100oC. In this study identification of the X-ray Difraction (XRD) Barium hexaferrite have a single structure BaFe12O19, morphology of Barium hexaferrite relatively homogeneous with a particle size is 0.375 - 2.75 µm. Porosity of Barium hexaferrite magnets <8%, bulk density ranges from 3.66 – 4.18 g/cm3, the magnetic flux density ranges from 463.9 - 832.5 Gauss, remanensi Br 1.64 – 2.28 kGauss, coercivity HCB 2.11 - 2.85 kOe and BHmax 0.30 to 2.18 MGOe. The best conditions in this study is 0.5 %wt B2O3 aid.
Keywords :Permanent magnets, Barium ferrite, Aditive Boron, Magnetic Properties
v DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ... ii
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR LAMPIRAN ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 5
1.3 Batasan Masalah ... 5
1.4 Tujuan Penelitian ... 6
1.5 Manfaat Penelitian ... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1 Pengertian Magnet ... 7
2.2 Sifat Kemagnetan Bahan ... 8
2.2.1 Bahan Diagmanetik ... 8
2.2.2 Bahan Paragmanetik ... 9
2.2.3 Bahan Ferromagnetik ... 10
2.2.4 Bahan AntiFerromagnetik ... 11
2.2.5 Bahan Ferrimagnetik ... 12
2.3 Material Magnetik ... 13
2.3.1 Magnet Tetap ... 14
vi
2.10 Karakterisasi dan Evaluasi Magnet Permanen ... 31
2.10.1 Particle Size Analyzer (PSA) ... 31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 39
vii
3.5.7 Scanning Electron Microscope (SEM-EDX) ... 51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 53
4.1 Particle Size analyzer (PSA) ... 53
4.2 True Density ... 59
4.3 Karakteristik Sintering Menggunakan Dilatometer (DIL) ... 61
4.4 Scanning Electron Microscope (SEM-EDX) ... 62
4.4.1 Scanning Electron Microscope (SEM) ... 62
4.4.2 Energy Dispersive X-ray (EDX) ... 66
viii
DAFTAR TABEL
No. Tabel Judul Halaman
2.1 Nilai Kerapatan dari beberapa jenis Ferrite 23 3.1 Bahan baku BaFe12O19 : B2O3 dalam % berat 43
4.1 Persen atomik unsur-unsur yang diperoleh dari hasil Scanning Electron Microscope (SEM) dengan Energy Dispersive X-ray (EDX)
67
4.2 Hasil pengujian XRF serbuk Barium heksaferit komersil
70 4.3 Sifat magnet BaFe12O19 penambahan aditif B2O3
sebanyak 0.0, 0.5, 1.0, dan 2.0 % berat dengan suhu sintering 1100oC (1 jam)
76
ix
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar Judul Halaman
2.1 Arah domain dan kurva bahan Diamagnetik 8 2.2 Arah domain dan kurva bahan paramagnetik (a).
Sebelum diberi medan magnet luar, (b). Setelah diberi medan magnet luar.
9
2.3 Arah domain dan kurva bahanferromagnetik 10 2.4 Arah domain dan kurva bahan anti ferromagnetik,
(a) Sebelum diberi medan luar, (b) Setelah diberi medan luar
12
2.5 Arah domain dan kurva bahan ferrimagnetik 12 2.6 Keberadaan permeabilitas magnet yang
dikaitkan dengan sifat magnetik bahan
13
2.7 Neodymium Magnet 14
2.8 Samarium-Cobalt Magnet 15
2.9 Keramik magnet 15
2.10 Plastik magnet 16
2.11 Magnet Alnico 17
2.12 Struktur kristal BaFe12O19 19
2.13 Skema struktur kristal BaFe12O19 20
2.14 Struktur Boron Trioksida 21
2.15 Pertumbuhan boron pada magnet ferit 22
2.16 (a) material magnetik lunak (b) material magnetik keras
25 2.17 (a) Sebelum sinter, partikel mempunyai permukaan
masing-masing. (b) Setelah sinter hanya mempunyai satu permukaan
30
2.18 Contoh grafik perhitungan ukuran distribusi partikel 31 2.19 Tiga nilai pada sumbu x D10, D50 dan D90 32
2.20 Diagram skematik alat Dilatometer 34
2.21 Geometri sebuah Difraktometer sinar – X 34
2.22 Garis gaya magnet 38
3.1 Diagram Alir Penelitian 41
3.2 Prinsip PSA dengan metode cair 48
3.3 Dilatometer hasil pengembangan.. 49
3.4 Kurva histeris 50
3.5 Hasil spektra (peaks) XRD 51
4.1 Grafik distribusi ukuran partikel Barium heksaferit digiling selama 0, 12, 24, dan 48 jam.
54 4.2 Histogram distribusi ukuran partikel Barium
heksaferit digiling selama (a) 0 jam, (b) 12 jam, (c) 24 jam, dan (d) 48 jam.
55
4.3 Distribusi partikel diukur dengan Particle Size 56
x Analyszer
4.4 Grafik perbandingan cumulative values distribusi ukuran serbuk Barium heksaferit di bawah 10 µm pada waktu milling 12, 24, dan 48 jam.
56
4.5 Distribusi ukuran partikel Barium heksaferit dengan penambahan B2O3 sebanyak 0, 0.2, 0.5, 1.0, dan
2.0% berat digiling selama 48 jam
57
4.6 Histogram distribusi ukuran partikel Barium heksaferit dengan penambahan B2O3sebanyak (a)
0% berat, (b) 0.2% berat, (c) 0.5% berat, (d) 1.0% berat, dan (e) 2.0% berat
57
4.7 Distribusi partikel Barium heksaferit dengan penambahan B2O3 diukur dengan Particle Size
Analyszer
58
4.8 Grafik perbandingan cumulative values distribusi ukuran serbuk Barium heksaferit di bawah 10 m pada dengan penambahan B2O3
59
4.9 Grafik true density serbuk Barium heksaferit digiling selama 0, 12, 24, dan 48 jam
60 4.10 Grafik true density Barium heksaferit dengan
penambahan B2O3
60 4.11 Hubungan waktu, temperatur dan susut bahan pada
pengujian Dilatometer magnet Barium heksaferit komersil.
61
4.12 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit komersial
63 4.13 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit
setelah penggilingan selama 48 jam
63 4.14 Foto morfologi dari serbuk Barium heksaferit
setelah pemberian imbuhan B2O3 sebesar 0.5%
berat
64
4.15 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit komsersial disinter pada suhu 1100oC
65 4.16 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit setelah
penggilingan selama 48 jam disinter pada suhu 1100oC
65
4.17 Foto morfologi dari pelet Barium heksaferit dengan penambahan aditif B2O3 sebesar 0.5% berat
disinter pada suhu 1100oC
66
xi
4.20 Pola XRD dari serbuk Barium heksaferit dan B2O3 71
4.21 Pola XRD (a) serbuk Barium heksaferit komsersial, (b) Barium heksaferit setelah penggilingan selama 48 jam, dan (c) setelah pemberian imbuhan B2O3
sebesar 0.5 % berat.
72
4.22 Pola XRD (a) pelet Barium heksaferit komsersial, (b) Barium heksaferit setelah penggilingan selama 48 jam, dan (c) setelah pemberian imbuhan B2O3
sebesar 0.5 % berat.
72
4.23 Grafik porositas dari bahan magnet Barium heksaferit dengan penambahan B2O3
74 4.24 Grafik bulk density dari bahan magnet Barium
heksaferit dengan penambahan B2O3 sebanyak 0,
0.2, 0.5, 1.0, dan 2.0 % berat digiling selama 48 jam yang disinter pada suhu: 1100, 1150, dan 1200oC.
75
4.25 Kurva histerisis (B-H curve) dari magnet Barium heksaferit dengan penambahan aditif B2O3 0, 0.5,
1.0, dan 2.0 % berat yang disinter pada suhu 1100
o
C dengan penahanan selama 1 jam.
77
4.26 Grafik flux density dari bahan magnet Barium heksaferit dengan penambahan B2O3.
79
xii
DAFTAR LAMPIRAN
No. Lampiran Judul Halaman
A Tabel Data Hasil pengujian True Density, Porositas, Bulk Density, Flux Density, dan permeabilitas
L-1
B Hasil pengujian magnetik dengan menggunakan permagraph
L-2 C Hasil pengujian mikrostruktur menggunakan
Scanning Electron Microscope (SEM)-EDX
L-3 D Hasil pengujian Particle Size Analysis (PSA) L-4 E Hasil pengujian X-Ray Difraction (XRD) dan
Match Report
L-5
