Studi Pengaruh Ukuran Butir dan Tekanan Kompaksi Terhadap Kuat Tekan Bahan Target
Karbon untuk Deposisi Lapisan Tipis
Diamond Like Carbon(DLC) Setelah Disintering
Ahmad Zainollah1, Masruroh1, D.J Djoko H.S1
1)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Brawijaya Email: ahmad.zainollah@gmail.com
Abstract
Telah dilakukan penelitian pembuatan bahan target karbon (pelet) sebagai bahan pelapisan (coating) lapisan tipis (thin film) pada diamond like carbon (DLC). Karbon yang digunakan adalah tempurung kelapa dengan suhu karbonisasi 6000C. Variasi yang digunakan dalam penelitian adalah variasi ukuran butir 74 µ m, 54 µ m dan 37 µ m, variasi tekanan kompaksi 264 kN, 330 kN dan 396 kN, yang dilakukan sintering dengan suhu 1000C. Dari penelitian ini dihasilkan sampel bahan target karbon (pelet) yang dihitung kerapatannya dan kuat tekannya menggunakan uji tekan. Hasil penelitian menunjukkan bahan target karbon yang telah dilakukan sintering pada suhu 1000C memiliki kekuatan mekanik. Ukuran butir berpengaruh terhadap nilai kuat tekan dengan peningkatan tekanan kompaksi mengalami tren turun-naik. Nilai kerapatan dan kekuatan mekanik tertinggi dihasilkan pada ukuran butir 74 µm dengan tekanan kompaksi 264 kN sebesar 0,84 gram/cm3 dan 1,08 N/m2. Ada ketidaksesuaian antara sifat bahan pada umumnya dengan hasil penelitian. Dimana menurut sifat bahan pada umumnya semakin kecil ukuran butir serta semakin besar tekanan kompaksi yang dihasilkan maka semakin tinggi nilai kerapatannya dan kuat tekannya. Namun berdasarkan sifat property bahan tersebut, sampel bahan target karbon dapat digunakan sebagai bahan untuk deposisi lapisan tipis (thin film) diamond like carbon (DLC) pada plasma RF Sputerring.
Kata kunci : bahan target karbon, tekanan kompaksi, kerapatan, ukuran butir, kuat tekan, DLC
Pendahuluan
Dewasa ini pemanfaatan karbon semakin meningkat seiring dengan meningkatnya permintaan material yang memiliki performa tinggi. Salah satu contohnya adalah dalam penerapan bidang lapisan tipis (thin film) yang berupa diamond like carbon (DLC) dengan proses physical vapour deposition (PVD).
DLC mempunyai karakteristik sifat keras, modulus elastis, afinitas electron yang negative dan sifat inert baik secara fisika maupun secara kimia seperti halnya pada diamond [3]. DLC mempunyai sifat koefisein gesek yang rendah dan mempunyai sifat lutsinar optik (transparansi). DLC sendiri banyak diaplikasikan sebagai pelindung logam dari aus dan gesekan tinggi, dengan korfisien gesek yang kecil dan tidak mudah bereaksi terhadap bahan kimia [1].
Dalam proses pembuatan lapisan DLC dengan teknik PVD, diperlukan target karbon dengan kemurnian yang tinggi. Sehingga diperlukan bahan baku untuk pembuatan target karbon dengan kemurnian yang tinggi. Tempurung kelapa merupakan bahan organic yang berpotensi menjadi bahan baku target karbon untuk pembutan DLC film karena tempurung kelapa mengandung senyawa-senyawa kimia dari unsur-unsur karbon seperti selulosa, lignin dan pentose sebagai senyawa pembentuk karbon, dengan kandungan karbon diatas 90% [6].
Metode
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan adalah tungku furnace, timbangan, stopwatch, alumunium foil, ayakan (74 µm, 54 µm dan 37 µm), dan blender. Bahan yang digunakan adalah tempurung kelapa
Diagram Alir Penelitian
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Hasil dan Pembahasan
Pengaruh Tekanan Kompaksi Terhadap
Kerapatan Bahan Target Karbon Setelah Disintering pada Suhu 1000C
Tekanan kompaksi merupakan proses pemampatan serbuk menjadi green compact sehingga densitas setelah proses kompaksi dinamakan green density. Pada proses kompaksi, terjadi deformasi elastis pada serbuk yang saling bersentuhan dan menyebabkan partikel dapat bergeser melewati partikel yang lainnya dan terjadi penyusunan partikel. Jika tekanan yang diberikan lebih tinggi lagi maka tidak terjadi lagi penyusunan partikel sehingga diperoleh bentuk yang lebih padat [5].
Kerapaatn merupakan massa persatuan volum, yang menunjukkan karakteristik mendasar dari suatu yang dimiliki zat. Kerapatan merupakan salah satu parameter untuk pembentukan bahan target karbon. Dimana dapat dinyatakan dengan persamaan:
Perbedaan tekanan dan ukuran butir dapat menyebabkan jarak antar partikel semakin dekat, porositas menurun, densitas (kerapatan) komposit meningkat dan susunan partikel menjadi lebih solid. Sehingga interaksi antar permukaan suatu partikel akan meningkat [2]. Berikut adalah grafik keraptan yang diperoleh:
Gambar 2. Grafik hubungan antara tekanan kompaksi dengan kerapatan
kompaksi 396 kN terjadi tren penurunan kerapatan, yakni sebesar 0,78 gram/cm3.
Sedangkan pada ukuran butir 74 µm dan 54 µm terjadi tren penurunan kerapatan pada tekanan kompaksi 330 kN, yakni dengan menghasilkan kerapatan sebesar 0,75 gram/cm3 untuk ukuran kerapatan yang dihasilkan adalah sebesar 0,82 gram/cm3 dan pada ukuran butir 54 µm dihasilkan kerapatan sebesar 0,77 gram/cm3 (kerapatan yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan pada tekanan 264 kN).
Dari hasil penelitian tersebut, dimana densitas (kerapatan) bahan target karbon (pelet) didapatkan nilai tertinggi pada perlakuan tekanan kompaksi 396 kN dengan ukuran butir 74 µm. Pada keadaan tersebut, dimana grain density (kerapatan) sebanding dengan peningkatan tekanan kompaksi. Hal ini terjadi karena dimungkinkan tingkat kehomogenan ukuran butir pada keadaan tersebut lebih tinggi dibandingkan dengan keadaan yang lain. Sehingga ketika dilakukan pembentukan (penekanan kompaksi) terjadi deformasi elastis pada serbuk yang saling bersentuhan dan menyebabkan partikel dapat bergeser melewati partikel yang lainnya serta terjadi penyusunan partikel dan meneyebabkan bahan target tersebut menjadi lebih padat. Selain itu penambahan PVAc (polyvinyl acetat) juga mempengaruhi tingkat kepadatan dari bahan target karbon yang dihasilkan, PVAc sendiri bertujuan sebagai filler (pengikat butir), dimana ketika dilakukan pembentukan (penekanan kompaksi) terjadi penyusupan polimer PVAc pada pori-pori karbon, sehingga meneyebabkan ikatan antar butir semakin kuat (densitasnya semakin tinggi).
Pengaruh Ukuran Butir Terhadap Kuat Tekan Mekanik Karbon Target Setelah Disintering Pada Suhu 1000C
Pada penelitian ini, variasi ukuran butir dilakukan untuk mengetahui kekutan mekanik dari bahan target karbon setelah dilakukan sintering pada suhu 1000C. Kekuatan mekanik dari bahan target karbon merupakan salah satu parameter yang digunakan sebagai syarat bahan target tersebut dapat digunakan pada RF sputtering. Berdasarkan [4] karbon target yang digunakan dalam RF sputtering haruslah memiliki kekuatan mekanik dan densitas yang tinggi. Variasi ukuran butir yang dilakukan sebesar 74
µm, 54 µm dan 37 µm. Berikut adalah grafik hasil penelitian:
Gambar 3. Grafik hubungan antara ukuran butir (37, 54 dan 74 µm) terhadap kuat tekan bahan
Dari gambar grafik tersebut terlihat bahwasanya pada setiap ukuran butir mengalami tren kenaikan kekuatan mekanik, hal ini ditunjukkan bahwasanya semakin besar tekanan kompaksi yang diberikan saat pembentukan karbon target (pelet) nilai kekuatan mekanik (uji tekan) yang dihasilkan semakin tinggi.
Pada ukuran butir 37 µm kekuatan mekanik yang dihasilkan pada tekanan kompaksi 264 kN adalah sebesar 0,33 N/m2, pada tekanan kompaksi 330 kN kekuatan mekaniknya (uji tekan) sebesar 0,78 N/m2, dan pada tekanan kompaksi 396 kN kekautan mekaniknya (uji tekan) sebesar 0,63 N/m2. 0,27 N/m2. Serta pada tekanan kompaksi 396 kN kekuatan mekanik (uji tekan) yang dihasilkan sebesar 0,98 N/m2.
Sedangkan pada ukuran butir 74 µm dihasilkan nilai kekuatan mekanik (uji tekan) pada tekanan kompaksi 264 kN sebesar 0,84 N/m2. Pada tekanan kompaksi 330 kN kekuatan mekanik (uji tekan) yang dihasilkan sebesar 0,71 N/m2. Serta pada tekanan kompaksi 396 kN kekuatan mekanik yang dihasilkan seberar 1,08 N/m2.
tekanan tertentu, maka nilai kekuatan mekanik (uji tekan) semakin tinggi. Menurut Flack (1992) semakin kecil ukuran butir suatu bahan, maka kekuatan bahan komposit akan semakin kuat dan porositasnya akan semakin rendah. Dimana dari penelitian ini didapatkan nilai kekuatan mekanik (uji tekan) tertinggi pada variasi ukuran butir sebesar 74 µm dengan perlakuan tekanan kompaksi sebesar 396 kN dengan nilai kekuatan mekaniknya (uji tekan) sebesar 1,08 N/m2. Tren tersebut berbanding lurus terhadap kerapatan yang didapatkan, dimana pada keadaan tersebut (ukuran butir 74 µm dan tekanan kompaksi 396 kN) nilai kerapatan yang dihasilkan juga tinggi dibandingkan dengan nilai kerapatan pada
perlakuan yang lain, yakni dihasilkan nilai kerapatan sebesar 0,82 gram/cm2.
Simpulan
Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwasanya, nilai kekuatan mekanik karbon target berbanding lurus dengan nilai kerapatan yang dihasilkan, dimana semakim tinggi kerapatan karbon target yang dihasilkan, maka semakin tinggi kekuatan mekanik (uji tekan) karbon target yang dihasilkan. Berdasarkan property mekaniknya karbon target yang dihasilkan dapat diaplikasikan sebagai bahan target untuk deposisi lapisan tipis (thin film) diamond like carbon (DLC) pada RF sputtering .
Daftar Pustaka
[1] Chan, C. Y., K. H. Lai, M. K. Fung, W.K. Wong, I. Belo, R. F. Huang, C.S. Lee, S.T., Lee, S.P. Wong, (2001), Deposition and properties of tetrahedral amorphous carbon films prepared on magnetic hard disks, J. Vac. Sci. Technol. A 19(4), American Vacuum Society
[2] Flack. 1992. “Ilmu dan Teknologi bahan (Ilmu logam dan Bukan Logam) Edisi kelima. Jakarta. Erlangga [3] Lee, C.H. (1993). Theoretical study of Diamond-like carbon and nucleation of diamond. Case Western Reserve
University: Ph.D thesis
[4] Pierson. H. O. 1993. “Handbook Of Carbon, Graphite, Diamond And Fullerenes Propertise, Processing And
Application”. Consultant and Sandia National Laboratories (retired) Abuquerque. New Mexico
[5] Setyowati. Vuri. A, . 2012. Pengaruh Komposisi Sn dan Variasi Tekanan Kompaksi Terhadap Densitas dan Modulus Elastisitas Pada MMC PbSn untuk Core Proyektil Peluru dengan Proses Metalurgi Serbuk. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
