Studi Eksperimental Pembentukan Struktur Mikro Sistem Diner ZnO-Nb}Oj Yang Disinter Pada Suhu I /OIJOC -/401JOC (DaniG.S.)
/SSN /4// -348/
STUDI EKSPERIMENT AL PEMDENTUKAN STRUKTUR MIKRO SISTEM DINER ZnO-Nb20S YANG DISINTER
PADA SUHU 1100oC-1400oC
Dani Gustaman Syarir*), Engkir Sukirman**) , Ari Handayani**) daD Saeful Hidayat *)
*)Puslitbang Teknik Nuklir -BATAN, Bandung **) Puslitbang Iptek Bahan -BATAN, Puspiptek, Serpong.
ABSTRAK
STUDI EKSPERIMENT AL PEMDENTUKAN STRUKTUR MIKRO
SISTEM DINER ZnO-Nb20S YANG DISINTER PADA SUHU 11OooC-1400oC. Dalam rangka mendapatkan varistor yang efektif (sederhana), pada makalah ini pengaruh penambahan Nb20S terhadap pembentukan struktur mikro ZnO clan mekanismenya dipelajari secara eksperimental. Studi dilakukan dengan penyinteran pelet ZnO yang ditambahi Nb20s sebanyak 0 hingga 1 % mol pada suhu 1100oC-14000C di dalam atmosfer udara selama 1 jam clan menganalisis pelet sinter dengan bantuan mikroskop optik clan elektron (SEM) clan difraksi sinar-x. Hasil analisis difraksi sinar-x memperlihatkan bahwa di dalam pelet ZnO-Nb20S yang di sinter pada suhu 1100oC-1400oC terdapat rase kedua Zn3Nb20s. Sementara itu, hasH analisis metalografi memperlihatkan bahwa di bawah suhu 1100oC-1400oC ukuran butir pelet ZnO-Nb20S bertambah dengan penambahan Nb20S tetapi mengecil kembali setelah melewati harga konsentrasi tertentu. Dari data ini juga ketahui bahwa pada diagram rase ZnO-Nb20s terdapat daerah larutan parlato Pada suhu ~ 1300oC terdapat penyinteran rase cair yang telah mengakibatkan butir cenderung bulat.
Kata kunci: varistor, struktur mikro, iarutan padat,ZnO, Nb20S
ABSTRACT
EXPERIMENTAL STUDY ON MICROSTRUCTURE DEVELOP-MENt OF BINARY SISTEM ZnO-Nb20s SINTERED AT llOOOC-14000C. In
order to find effective (simple) varistor, in this work effect of Nb20S addition on microstructure development and it's mechanism was studied experimentally. The study was conducted by sintering ZnO added with 0-1 % mole Nb20s at 11000C-14000C in air for 1 hour and analyzing the sintered pellets using optical and electron
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology
Vol. I. No. I, Februari2000: 65-81 ISSN 1411- 348/
microscope (SEM) and x-ray diffractometer. The x-ray diffraction analysis showed that in Nb20S added-ZnO (ZnO-Nb20S) pellets sintered at 11000C-14000C, second phase of Zn3Nb20g existed. On the other hand, the metallographic analysis showed that at sintering temperature of 1100oC-1400oC, grain size of ZnO-Nb20S pellets increased with increasing of Nb20S, however, the grain size decreased again after the concentration of Nb20S exceeding certain value. From this data it was known also, that there was solid solution area in ZnO-Nb20S phase diagram. At sintering temperature ~ 1300oC, there was liquid phase sintering that make grains become
rounded.
Key words: varistor, microstructure, solid solution, ZnO, Nb20S
PENDAHULUAN
Asokan dkk.[l] mendapatkan data bahwa ukuran butir petet sinter ZnO bertarnbah besar dengan penarnbahan Nb20S hingga 0,2% berat clan rnengecil
kernbali setelah rnelewati konsentrasi tersebut. Keadaan yang sarna rnereka dapatkan
pada setiap suhu sinter antara 900oc clan 1300oc Data yang sarna didapatkan pula
oleh Oani dkk.[2] ketika melakukan penyinteran pelet ZnO yang didop Nb20S sebesar 0,0314 hingga 0,157% berat pad a suhu 1100oC. Pada data Dani dkk.[2], butir pelet ZnO yang didoping dengan Nb205 cenderung Jebih besar dari pada butir ZnO murni. Dengan memperhatikan teori kimia cacat (defect chemistry), seharusnya mekanisme percepatan pertumbuhan butir pada ZnO-Nb205 adaJah karena iun Nb5+ masuk ke subkisi Zn pada kristal ZoO clan menghasilkan cacat kekosongan Zn yang kemudian memacu pertumbuhan butir. Hal ini berarti ZoO dan Nb20S harus membentuk larutan padat substitusi. Tetapi jika dikaitkan dengan diagram rase ZnO-Nb20S yang diusulkan oleh Pollard A.J.[3], pada pelet ZnO yang ditambahi Nb20s yang disinter pada suhu di bawah 1300OC tidak terdapat pembentukan larutan pad at karena sesuai diagram rase itu, rase yang terbentuk adalah ZnO clan 3ZnO. Nb20S jika konsentrasi Nb20S lebih kecil dari pada 24 % mol, clan 3ZnO.Nb20s clan ZnO.Nb20s jika
Studi Eksperimental Pembentukan Struktur Mikro Sistem Hiner ZnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada Suhu IIOOOC -14000C (Dani GS)
/SSN /4/ J "348/
konsentrasi Nb205 antara 24 daD 50 % mol. Oari sisi pembentukan larutan padat, dua data di atas yaitu data yang berasal dari Asokan dkk.[ 1] daD Oani dkk.[2] di satu sisi, daD data yang berasal dari Pollard A.J.[3] di sisi lain saling bertentangan.
Berkaitan dengan data-data di alas, terdapat dua kemungkinan yang sangat menarik untuk diteliti yaitu pertama, terdapat suatu mekanisme baru yang berbeda dengan mekanisme kimia cacat artinya meskipun Nb20S tidak tarot tetapi pada konsentrasi tertentu dapat memacu pertumbuhan butir. Kedua, diagram rase ZnO-Nb20S yang diusulkan oleh Pollard A.J.[3] mungkin mempunyai kekurangan terutama pada konsentrasi Nb20S rendah. Mungkin saja pada konsentrasi tertentu clan pada selang suhu tertentu secara terbatas Nb20S tarot padat di dalam ZnO clan menghasilkan cacat kekosongan Zn yang dapat memacu pertumbuhan butir. Kedua kemungkinan ini sangat penting untuk diketahui dalam rangka mencari data untuk pembuatan varistor ZnO yang efektit14-8]. Varistor yang efektif di sini diartikan sebagai varistor dengan oksida tambahan yang minimal[9]. Dengan latar belakang tersebut maka pada makalah ini dibahas pengaruh penambahan Nb20S terhadap struktur mikro pelet ZnO yang disinter pada suhu 1I00oC hingga 14000C.
TEORI DAN HIPOTESIS
Teori
Secara teoritis jika Nb20S larut padat di dalam ZoO, maka tarutao padat yang terbentuk akan berbentuk NbyZn I-yO clan akomodasi ion NbS+ di da!am subkisi Zn krista! ZoO akan menghasilkan reaksi sebagai berikut:
Nb205 = 2Nb(Znf+ + 50(0) + 3Znv2+
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. I. No. I. Februari 2000: 65 -81
/SSN /4//- 348/
dengan, Nb(Zn)3+ = Ion Zny2+ yang masuk ke subkisi Zn di dalam kristal ZnO 0(0) = Ion 02- yang masuk ke subkisi oksigen di dalam kristal ZnO Znv2+ = Cacat kekosongan Zn di dalam krista1 ZnO
Cacat kekosongan Zn (Zny) akan mempercepat difusi kation di dalam pel~t ZnO yang akhirnya mempercepat pertumbuhan butir. Jika hal ini terjadi, maka ukuran butir relet
sinter ZnO yang ditambah Nb20s (sering ditulis ZnO-Nb20S) akan lebih besar dari pada ukuran butir relet sinter ZnO murni.
Hipotesis
Sebagian dari diagram rase ZnO-Nb20s dari Pollard A.J.[3] pada Gambar 1 memperlihatkan adanya eutektik pada suhu 1300oC. Konsekuensi dari kondisi ini adalah bahwa penyinteran ZnO-Nb20S baik di bawah I 300°C maupun di alas 1300oc
tidak akan menghasilkan larutan parlato Pada suhu sinter di bawah suhu 1300oC
hingga konsentrasi Nb20S sekitar 24 % mol, pada relet sinter ZnO-Nb20s terdapat dua rase padat yaitu ZnO dan 3ZnO. Nb20S (Zn3Nb206). Hal yang sarna terjadi juga pada relet yang disinter pada suhu di atas 1300oC setelah mengalami pendinginan kembali. Jika keadaan-keadan ini benar, maka seharusnya tidak akan ada pemacuan
pertumbuhan butir pada pelet ZnO yang ditambahi Nb20S yang disinter pad a suhu di bawah I 300°C. Hal ini berarti pemacuan pertumbuhan butir sebagaimana yang ditemukan oleh Asokan dkk.[l] clan Oani dkk.[2] tidak terjadi.
Berdasarkan data yang ditemukan oleh Asokan dkk.[ 1] clan Oani dkk.[2], diduga terdapat suatu kondisi di mana Nb20s larut padat yaitu pad a konsentrasi Nb20S yang relatif sangat kecil. Berdasarkan dugaan ini di sini diusulkan suatu diagram rase hipotetis yaitu seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Berdasarkan diagram rase ZnO-Nb20S hipotetis Gambar 2 pada penelitian ini dilakukan penyinteran ZIiO clan
Studi Eksperimenta/ Pembentukan Stn,ktur Mikra Sistem Riner lnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada Suhu / /()(1>C -/4()(1>C (Dani G.S)
/SSN /4//- 348/
ZnO-Nb20S pada empat suhu sinter yaitu I 100°C, 1 200°C, 13000C clan 14000C
dengan dugaan bahwa pad a suhu I 100°C hingga 14000C terdapat daerah tarutao
padat.
1 zoo + rase cair \ rase cair
SUHU 13000C ZoO + 3Zo0.Nb,O~ ll00{'C Gambar I 1-0 10 20 KONSENTRASI Nb20S (% mol)
Diagram rase ZnO-Nb20S yang diusulkan A.J. Pollard[3).
lSOO"C Larutan pad at + Fase cair SUHU t4000C 13000C
!\
tarutan padat + f 3ZnO.Nb1Os: IOaerah larutan padat hipotetis I
i I I
0 10 20
KONSENTRASI Nb1O, (% mol)
12000(
Gambar 2. Diagram rase ZnO-Nb20s hipotetis
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. /. No. /, Februari 2000: 65 -8/
ISSN /4// .3481
PERCOBAAN
Serbuk ZoO dicampur dengan serbuk Nb20S sesuai komposisi pada Tabel I. Hasil campuran diaduk hingga homogen dengan stirer magnetik di dalam medi~ aceton selama 1 jam. Setelah homogen, serbuk campuran dikeringkan dengan pernanasan pada suhu 60oC selama 24 jam. Serbuk dari masing-masing campuran dipres dengan tekanan 3,9 ton/cm2 untuk menghasi1kan pelet mentah. Pelet mentah yang dihasilkan kemudian disinter pada suhu 1100oC, 1200oC, 1300oC dan 1400 °C selama I jam di dalam atmosfer udara. Kurang lebih setengah dari masing-masing petet sinter dipotong daD dimetalografi. Metalografi dilakukan melalui pengampelasan secara berjenjang menggunakan kertas ampelas nomor 240, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2400 daD 4000 clan pemolesan menggunakan diamond paste sebagai zat pembantu. Pemotretan untuk mendapatkan foto struktur mikro setelah permukaan setiap cuplikan dietsa menggunakan larutan campurarl CH3COOH clan H2O dengan perbandingan 1: 500 dilakukan menggunakan mikroskop optik. Untuk mengkonfirmasi kehadiran rase kedua, beberapa sampel dievaluasi menggunakan difraksi x. Sudut difraksi sinar-x (29) diambil dengan metode continuous counting.
Komposisi campuran ZnO clan Nb20s dalam % mol.
Tabel
No.
ZnO (% mol) Nb20S (% mol)100 0 99,9835 0,0165 2 3 99,9170 0,0830 99,8410 0,1540 4 5 99,6900 0,3100 99 6
Studi Eksperimental Pembenhlkan Stnlkhlr .\fikra Sistem Siner lnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada Suhu IIOOOC -14000C (Dani G.S.)
ISSN 1411- 3481
I PENGE;RESAN I-3,9 ton/cm:
PENYINTE ll000c-1400°C/IJam
Atmosfer udara
-Metalografi: Mikroskop oplik
SEM
-XRD
Gambar 3. Diagram alir langkah percobaan
BASIL PERCOBAAN Struktur Mikro
Struktur mikro pelet paduan ZnO-Nb20S yang disinter pad a suhu 1100-1 jam diperlihatkan pada Gambar 4-7. Oari gambar-gambar ini dapat
14000C selama
dilihat bahwa ukuran butir berubah mengikuti kecenderungan tertentu. Pada suhu sinter di bawah 1300oC, ukuran butir pelet sinter yang ditambahi Nb20s (pelet ZnO-Nb20S) cenderung lebih besar dari pada ukuran butir pelet ZnO murni. Ukuran butir membesar seiring dengan pertambahan konsentrasi Nb20S, tetapi mengecil kembali setelah melewati harga konsentrasi Nb20S tertentu. Diduga pembesaran butir seiring dengan proses pembentukan larutan padat antara ZnO clan Nb20s clan di sekitar harga konsentrasi Nb20S di mana butir mengecil kembali terdapat batas kelarutan Nb20S di dalam ZnO pada suhu sinter tertentu. Pertumbuhan butir yang teraktivasi oleh masuknya ion NbS+ kedalam kisi ZnO sangat dimungkinkan melalui reaksi persamaan
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. I, No, /. Februari 2000: 65 -8/
ISSN /4//- 348/
Berdasarkan persamaan (1) masuknya ion Nb5+ ke da..lam kisi ZoO telah menghasilkan cacat kekosongan Zn (Znv) yang secara teoritis dapat mempercepat difusi kation yang kemudian mengaktivasi pertumbuhan butir. Data yang sangat penting lainnya yang dapat diambil dari Gambar 4-7 adalah bahwa pada sampe! yang ditambahi Nb20S dan disinter pada suhu di bawah 1300oC tidak terdapat rase cair selama penyinteran. Pada suhu sinter di bawah 13000C, penyinteran yang terjadi
merupakan penyinteran rase padat.
Pada suhu 1300OC daD 14000C, kecenderungan perubahan ukuran butir terhadap perubahan konsentrasi Nb20S identik dengan kecenderungan yang sarna yang terdapat pada relet yang disinter pada suhu di bawah 1300oC. Namun untuk suhu 1300oC dan 1400oC ini, di atas konsentrasi tertentu (setelah perbesaran ukuran butir berhenti) pada sampel terdapat rase cair yang berada di barns butir (wama putih) seperti diperlihatkan pada Gan1bar 6E clan 6F, 7D sampai dengan 7F serta Gambar 8. Pada sam pel yang mengandung rase cair, butir-butir pelet sinter cenderung bulat (rounded) seperti terlihat pada Gambar 6E clan 6F serta 70 sampai dengan 7F. Konsentrasi Nb20S di mana rase cair mulai muncul (Kb) untuk suhu 1300oC dan 1400oC berbeda. Meski tidak ditampilkan secara kuantitatif, berdasarkan data struktur mikro Kb untuk suhu 1300oC lebih besar daTi pada Kb untuk suhu 1400oC.
Dari data yang telah dibahas di atas, diduga pada sistem biner ZnO-Nb20S terdapat daerah larutan padat yang mirip dengan daerah tertentu yang dibatasi garis putus-putus pada Gambar 2. Namun daTi data struktur mikro batas antara larutan padat dan rase cair untuk suhu lebih besar sarna dengan 1300oc, dan an tara larutan padat dan rase padat 3ZnO.Nb20s (Nb2Zn30g) untuk suhu di bawah 1300oC tidak dapat ditentukan secara eksak (teliti).
Studi Eksperimental Pembentllkan Struktur Mikro Sistem Hiner lnO.Nb20j Yang Disinter Pada
Suhu IIOOOC -14000C (Dani G.S.) ISSN /411 -3481
A (ZoO morBi) B
O,O165m/o
C (0,083 m/o Nb2Os) D (0,15 m/o
E (0,31 m/o Nb2Os)
F
1
m/o Nb2O5)
Gambar 4. Struktur mikro pelet ZnO-Nb20S disinter lOOOC/ljam (425x).
Jurna/ Sains dun Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. /, No. I, Februari 2000 : 65 -8/
ISSN 1411.3481
A (ZoO muroi)
B
O,O165m/o Nb2Os)C (0,083 m/o Nb2Os) D (0,15 m/o Nb2Os)
E (0,31 m/o Nb2Os) F ( 1 m/o Nb2Os)
5. Struktur mikro petet ZnO-Nb205 disinter
12000C/ljam (425x),
Studi Eksperimental Pembentukan Struktur Mikro Sistem Diner ZnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada
Suhu J JOOOC -J4000C (Dani G.S) ISSN 1411 -3481
A (ZoO morBi)
C (0,083 m/o Nb2Os) D (0,15 m/o Nb2Os)
E (O,31m/o NbzOs) F ( 1 m/o Nb2Os)
Gambar 6. Struktur mikro pelet ZnO-Nb20S disinter 13000C/ljam (42Sx).
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. /, No. I, Februari 2000.. 65 -81
ISSN 1411 -3481
A (ZnO morBi) 8 (O,O165m/o r~b2O5)
Studi Eksperimenta/ Pembentukan Struktur Mikro Sistem Hiner ZnO-Nb]o5 Yang Disinter Pada
Suhu //OOOC -/4000C (Doni G.S.) /SSN /4//- 348/
Gambar 8. Struktur mikro sampel ZnO+I%mol Nb20S disinter 14000C/lJam (Difoto menggunakan SEM mode BSE), memperlihatkan kehadiran
rase cair berwama putih (Iihat tanda panah).
Gambar 9. Pola difraksi sinar-x ZnO murni.
Jurnal Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol. I, No. I, Februari 2000.. 65 -81
ISSN /4//- 3481
Analisis Difraksi Sinar-x
Hasil analisis difraksi sinar-x untuk sam pel dengan kandungan Nb20S cukup signifikan yang disinter di bawah 1300oC yang diwakili oleh suhu 1200oC clan sampel yang disinter di atas suhu 1300oC yang diwakili oleh suhu 1400oC (dengan anggapan bahwa 1300oC adalah suhu eutektik) serta sampel ZnO mumi sebagai pembanding diperlihatkan masing-masing pada Gambar to, 11 clan 9. Jika dibandingkan dengan sampel ZoO murni (Gambar 9), maka diketahui bahwa pada sampel yang disinter pada suhu t200oC (Lihat Gambar 10) clan 1400OC (Lihat Gambar 11) terdapat rase ~edua yaitu Nb2Zn30s. Data ini bersesuaian dengan data diagram rase yang diusulkan oleh Pollard A.J. yang memperlihatkan adanya rase pad at Nb2Zn30s. Jika dibandingkan dengan Gambar 10, Gambar 11 juga memperlihatkan bahwa hanya sebagian rase cair yang terbentuk selama penyinteran yang berkristalisasi menjadi Nb2Zn30g. Dengan melihat data struktur mikro Gambar 4-7, clan menghubungkannya dengan kehadiran rase Nb2Zn30g maka dapat diketahui bahwa rase kedua Nb2Zn30g inilah yang, menyebabkan ukuran butir mengecil kembali setelah batas kelarutan Nb20S dilewati. Hal ini terjadi karena rase padat Nb2Zn30s yang tersegregasi di batas butir menghalangi pergerakan batas butir[ 1 0,
Studi Eksperimental Pembentukan Stroktur Mikro Sistem Diner ZnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada
Suhu IIOOOC- 14000C (DaniG.S.) ISSN /41/ -348/
Gambar 10. ZnO + 0.31 % mol Nb20S suhu sinter 1200oC.
Gambar ZnO + 0.75 % mol Nb205 suhu sinter 14000C,
Jurnal Sains don Teknalogi Nuklir Indonesia
Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology Vol I, No. I, Februari 2000,' 65 -81
ISSN1411.3481
KESIMPULAN
Ditemukan suatu daerah larutan padat pada diagram rase ZnO-Nb20S yang menyebabkan diagram rase ZnO- Nb20S yang diusulkan oleh Pollard A.J. [3J
harus dikoreksi,
Di daerah larutan padat pada suhu I IOO-I400oC, ukuran butir bertambah besar dengan pertambahan konsentrasi Nb20S, tetapi mengecil kembali setelah
melewati batas kejenuhan.
Pada suhu lebih besar atau sarna dengan 1300oc terdapat rase cair yang menyebabkan butir cenderung bulat.
Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dibiayai o\eh Dewan Riset Nasiona\ mela\ui LIPI di bawah kontrak perjanjian no. 13/SP/RUT 11999.
DAFTAR PUSTAKA
1. ASOKAN T. et.al., J. Mater. Sci.,.f1 (1987)1019.
2. DANI GUST AMAN, So, ENGKIR, S., BAMBANG, A., SAEFUL, H.,
MUHAMAD YAMIN, ARt, H., SUPOMO, Laporan RUT VI tahun 1998/1999,
tidak diterbitkan.
POLLARD, A.J., ZnO-Nb20S phase diagram, J. Am. Ceram. Soc. .4..1.[12] (1961)
630.
DAN! GUST AMAN, S., SAEFUL, H., ENGKIR, S., ARI, H., Pengaruh
parameter penyinteran terhadap karakteristik E-J ZnO dan varistor ZnO-Bi203, Prosiding PISM III, Serpong 1998.
Studi Eksperimental Pembenllikan Struktur Mikro Sislem Biner lnO-Nb]Oj Yang Disinter Pada .5uhll /1000(' -/4000(' (Dani GS.)
/SSN /4//- 348/
5
6
Karakteristik E-J dan struktur mikro relet sinter ZnO-SiO2, Prosiding Seminar
7,
Nasional Material dan Lingkungan, Bandung J 998.
DANI GUST AMAN, So, ENGKIR, S., BAMBANG, A SAEFUL, H.. Pengaruh doping AI203 terhadap struktur mikro dan karakteristik E-J ZnO. Seminar HFI. Yogyakarta 1998.
DANI GUST AMAN, S., ENGKIR, S., SUPOMO, Pembelltukan larutall pad at , Prosiding Seminar Nasiollal Hamburall Nctroll
8
ZnO-CoO pad a suhu 1\ OooC.
dan Sinar-X, Serpong \999.
9 DANI
GUSTAMAN
s
ENGKIR, S., BAMBAN(A..
SAEFUL HMUHAMAD Y., ARI, H., SUPOMO, Sintesa bahan komponen varistor dengan
oksida tambahan yang minimal, Proposal RUT VI, PPTN-BATAN. Bandllng
1997
10. DANI GUST AMAN,
s.
ENGKIR,s.
SAEFUL, HMUHAMAD
Y.,Pembentukan struktur mikro ZnO- TiO2 }ang
disinter pad a suhu 1400OC dan 15400C, Prosiding Pertemuan Ilmiah IPTEK Bahan 1999, Serpong 1999.
KINGERY W.D. , BOWEN, H.K., UHLMANN, D.R., Introduction to Ceramics,
dan kenon-linearan varistor
2nd Edition, John Wiley and Sons, New Vdrk 1976.
81
