BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Terminologi Kemagnetan Material

Material yang diletakkan dalam medan magnet eksternal H akan terpolarisasi

magnetik atau termagnetisasi M, yakni proses pensejajaran dipol magnet yang

dikarenakan medan magnet dari luar. Magnetisasi juga didefinisikan sebagai

momen magnet per unit volume. Hubungan antara magnetisasi M dengan medan

magnet luar H dituliskan sebagai,

𝑀 = 𝜒𝐻 (2.1)

dimana χ adalah suseptibilitas magnetik yang didefinisikan sebagi magnetisasi

yang terjadi per satuan medan magnet luar. Suseptibilitas dijadikan sebagai

parameter kualitas material magnetik dan dasar penggolongan sifat magnetik

dalam suatu material.

Pada media isotrop, M dan H mempunyai arah yang sama dengan satuan

yang sama yaitu ampere per meter (Am-1) sementara χ adalah besaran skalar yang

tidak berdimensi. Apabila M dalam gram molekul, maka suseptibilitas magnetnya

juga dalam suseptibilitas molar yang dilambangkan χm. Besar dan lambang

suseptibilitas akan bergantung tipe material magnetiknya (Puri dan Babbar, 1997).

Parameter lain yang dapat digunakan untuk mengukur kualitas material

magnetik, yaitu permeabilitas magnetik absolut μ, yang dinyatakan sebagai,

𝐵 = 𝜇𝐻 (2.2)

dimana B adalah induksi medan magnet yang ditimbulkan akibat adanya medan

magnet Hdalam medium. Kuantitas terukur dalam Tesla (T).

Jika𝜇0adalah permeabilitas ruang hampa dan besarnya 4𝜋 × 10−7 H/m dan

𝜇r adalah permeabilitas relatif medium yang diberikan oleh persamaan,

𝜇 = 𝜇0𝜇r (2.3)

Maka persamaan 2.2 akan menjadi,

𝐵 = 𝜇0𝜇r𝐻 (2.4)

Besarnya 𝜇𝑟 dapat dinyatakan sebagai 𝜇r = 1 + 𝜒 sehingga persamaan 2.4 dapat

pula dinyatakan,

𝐵 = 𝜇0(1 + 𝜒)𝐻 (2.5)

Jika persamaan 2.1 disubtitusi ke persamaan 2.5 maka akan diperoleh,

𝐵 = 𝜇0(𝐻 + 𝑀) (2.6)

Pada ruang hampa, 𝑀 = 0, 𝜒 = 0, 𝜇 = 𝜇0, dan 𝜇r = 1 maka akan diperoleh

sebagai,

𝐵 = 𝜇0𝐻 (2.7)

(Barsoum, M.W., 2003).

2.2. Klasifikasi Sifat Kemagnetan Material

Dipol magnetik material akan memberikan respon yang beragam terhadap

pengaruh medan magnet eksternal. Berdasarkan respon momen magnetik terhadap

pengaruh medan magnet eksternal, material magnetik digolongkan atas beberapa

jenis, yaitu : diamagnetik, paramagnetik, ferrimagnetik, ferromagnetik dan

antiferromagnetik.

2.2.1. Diamagnetik

Material diamagnetik merupakan material dengan resultan medan magnet

atomik masing-masing atom atau molekulnya adalah nol, tetapi medan magnet

akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol. Material ini tidak mempunyai momen

dipol magnet permanen. Momen magnet dari material diamagnetik selalu

berlawanan arah dengan medan magnet eksternal yang diberikan.

Gambar 2.1. Arah domain magnetik pada material diamagnetik sebelum dan sesudah diberi medan magnet eksternal

Suatu material dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan

tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam material

diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, sehingga resultan medan

magnet atomik dari masing-masing atom atau molekul adalah nol. Permeabilitas

bahan ini adalah 0µµ < dengan suseptibilitas magnetik bahan 0<mχ (orde 10-5)

(Halliday et al. 1989).

2.2.2. Paramagnetik

Material paramagnetik merupakan material yang memiliki susebtibilitas

magnetik 0>mχ dengan nilai yang sangat kecil. Dipol magnetik pada material

paramagnetik terorientasi sembarang. Jika material tersebut diberikan medan

magnet eksternal maka dipol magnetik dalam bahan tersebut sulit disejajarkan

sehingga dibutuhkan medan magnet yang sangat besar untuk menyelaraskan dipol

magnetik pada orientasi tertentu. Sementara efek paramagnetik dalam material

juga akan hilang ketika medan magnet yang diterapkan pada material tersebut

dihilangkan. Nilai suspetibilitas bahan paramagnetik bernilai positif, berada pada

rentang 10-5 sampai 10-3 m3/kg dan bergantung pada suhu (Halliday et al. 1989).

Gambar 2.2. Arah domain magnetik pada material paramagnetik sebelum dan sesudah diberi medan magnet eksternal

H = 0 H

H = 0 H

2.2.3. Ferromagnetik

Material ferromagnetik merupakan material dengan dipol magnetik

cenderung paralel satu sama lain dari setiap atom penyusun material tersebut,

meski tidak sedang berada di bawah pengaruh medan magnet ekternal.

Permeabilitas bahannya 0µµ >> dengan suseptibilitas bahan 0>>mχ .

Keteraturan dipol magnetik yang terdapat pada ferromagnetik disebut dengan

magnetisasi spontan. Magnetisasi spontan terjadi di bawah suhu kritis tertentu

yang disebut dengan suhu Curie. Di atas suhu Currie, fluktuasi termal dapat

merusak keteraturan orientasi momen magnetik sehingga material ferromagnetik

akan berubah sifat kemagnetannya. Pada keadaan di atas suhu Curie bahan

ferromagnetik akan bersifat seperti bahan paramagnetik (Halliday et al. 1989).

Gambar 2.3. Arah domain magnetik pada ferromagnetik

2.2.4. Antiferromagnetik

Material antiferromagnetik memiliki dipol magnetik yang cenderung

antiparalel (kebalikan dari ferromagnetik). Suatu material akan menunjukkan sifat

ini bila memiliki minimal dua subkekisi dengan arah magnetisasi antiparalel. Jika

material ini diberikan medan magnet eksternal maka akan timbul magnetisasi

yang sangat kecil dengan koersivitas material akan naik seiring dengan

bartambahnya suhu. Magnetisasi dapat mancapai maksimum pada suhu kritis

(suhu Nell). Di atas suhu Nell, magnetisasi mengalami penurunan.

Gambar 2.4. Arah domain magnetik pada antiferromagnetik

H = 0

H = 0

2.2.5. Ferrimagnetik

Material ferrimagnetik memiliki susunan dipol magnetik mirip dengan

antiferromagnetik di mana momen magnetik yang berdekatan arahnya antiparalel,

tetapi magnetisasinya tidak nol. Hal ini disebabkan karena dua subkekisi dalam

bahan ferrimagnetik memiliki perbedaan magnitudo. Sifat ferrimagnetik terdapat

dalam material seperti ferrit yang komponen utamanya ialah oksida logam.

Gambar 2.5. Arah domain magnetik pada ferrimagnetik

Materialmagnet yang paling banyak dikenal mengandung besi metalik.

Beberapa unsur lain juga memperlihatkan sifat magnetik dan tidak semua magnet

berwujud logam. Teknologi modern juga memanfaatkan metalik, magnet

keramikdan magnet komposit. Teknologi muthakir ini juga memanfaatkan

elemen-elemen lain untuk meningkatkan kemampuan atau sifat-sifat magnetiknya

(Vlack, 2004).

Magnet merupakan material yang sangat penting untuk beragam aplikasi

teknologi canggih, berfungsi sebagai komponen pengubah energi gerak menjadi

listrik dan sebaliknya. Peningkatan efisiensi energi seperti pada sistem generator

listrik, sistem penggerak listrik/motor listrik, otomatisasi industri dan lainnya

sangat ditentukan oleh sifat material magnet tersebut (Sardjonoet al. 2012).

2.3. Sifat Intrinsik Kemagnetan Fasa Magnetik

2.3.1. Domain Magnetik Dan Kurva Histerisis

Domain magnet adalah wilayah di dalam material magnetik di mana dipol

magnetik dalam wilayah tersebut memiliki orientasi yang seragam. Domain-

domain magnetik dipisahkan oleh dinding domain. Domain-domain magnetik,

H = 0

ketika tidak terpengaruh oleh medan magnet eksternal akan memiliki arah

orientasi random dengan magnetisasi yang bernilai nol.

Material magnetik ketika dipengaruhi medan magnet eksternal, domain-

domain magnetik akan membesar dan dinding-dinding domain makin menyempit,

sehingga magnetisasinya tak lagi bernilai nol. Dengan melakukan sederetan

proses magnetisasi, yaitu penurunan medan magnet luar menjadi nol dan

meneruskannya pada arah yang bertentangan, serta meningkatkan besar medan

magnet luar pada arah tersebut dan menurunkannya kembali ke nol kemudian

membalikkan arah seperti semula, maka magnetisasi atau polarisasi dari magnet

permanen terlihat membentuk suatu loop (Manaf, 2013). Loop ini disebut sebagai

kurva histerisis (hysteresis loop)seperti terlihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kurva histerisis pada ferromagnetik (Coey, 2010)

Beberapa istilah pada kurva histerisis yang banyak dipakai sebagai acuan

pengukuran magnetik antara lain koersivitas (𝐻c), magnetisasi saturasi (𝑀s), dan

magnetisasi remanen (𝑀r). Koersivitas merupakan besarnya medan magnet yang

dibutuhkan untuk menurunkan magnetisasi pada material yang termagnetisasi

hingga magnetisasi kembali nol. Magnetisasi saturasi merupakan besarnya

magnetisasi maksimum yang dicapai pada saat seluruh momen magnetiknya

selaras. Sementara magnetisasi remanen adalah magnetisasi residu dalam material

setelah medan magnet diturunkan hingga sama dengan nol.

Kurva histerisis merupakan acuan dalam mengidentifikasi sifat magnet

suatu material magnetik. Dari kurva histerisis kita dapat membedakan antara

material soft magnetic dan hard magneticberdasarkan kekuatan medan koersifnya,

dimana soft magnetic memiliki medan koersif yang lemah, sedangkan hard

magnetic memiliki medan koersif yang kuat. Hal ini ditunjukkan pada gambar 2.7.

Gambar 2.7. Kurva histerisis (Smallman and Bishop, 2000)

Gambar 2.7 menunjukkan kurva histerisis untuk soft magnetic materials

pada gambar (a) dan hard magnetic materials pada gambar (b). H adalah medan

magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam

material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme

residual Br, yang disebut residual remanen dan diperlukan medan magnet Hc yang

disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk

meniadakannya.

Soft magnetic materials mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami

demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.7 (a) nilai H yang rendah sudah

memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam dan diperlukan

medan Hcyang kecil untuk menghilangkannya. Soft magnetic materials dapat

mengalami magnetisasi dan tertarik ke magnet lain, namun sifat magnetiknya

(a) (b)

B B

H H

Br

Hc

Br

Hc

hanya akan bertahan apabila magnet berada dalam suatu medan magnetik. Soft

magnetic materials tidak mengalami magnetisasi yang permanen.

Perbedaan antara magnet permanen atau magnet keras dengan magnet

lunak jelas terlihat pada loop histerisis seperti pada Gambar 2.7. Magnet keras

menarik material lain yang mengalami magnetisasi menuju dirinya. Magnet jenis

ini dapat mempertahankan kemagnetannya dalam waktu yang sangat lama. Ketika

suatu material magnetik dimasukkan ke dalam suatu medan magnetik, H, garis –

garis gaya yang berdekatan dihimpun dalam meterial tersebut sehingga

meningkatkan densitas fluks. Atau dengan istilah yang lebih teknis, terjadi

peningkatan induksi magnetik, B. Tentu saja, besarnya induksi bergantung pada

medan magnetik dan pada jenis material. Namun, peningkatan induksi yang

terjadi tidak linear tetapi mengikuti hubungan B–H yang melonjak ke level yang

lebih tinggi dan kemudian bertahan mendekati konstan di dalam medan magnetik

yang tetap lebih kuat.

Kurva histerisis dari suatu magnet permanen memperlihatkan perbedaan

yang sangat mencolok. Ketika medan magnetik dihilangkan, sebagian besar

induksi dipertahankan agar menghasilkan induksi remanen, Br. Medan terbalik,

disebut medan koersif, -Hc, diperlukan sebelum induksi turun menjadi nol. Sama

dengan loop lengkap dari suatu magnet lunak, loop lengkap suatu magnet

permanen mempunyai simetri 180°.

Karena hasilkali antara medan magnetik (A/m) dan induksi (V.s/m2) adalah

energi persatuan volume, daerah terintegrasi di dalam loop histerisis adalah energi

yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus magnetisasi dari 0 ke +H ke –H

ke 0. Energi yang diperlukan magnet lunak sangat kecil, sedangkan magnet keras

memerlukan energi yang cukup besar dan pada kondisi ruang demagnetisasi tidak

akan terjadi. Magnetisasinya adalah magnetisasi yang permanen. Untuk itu,

magnet keras (hard magnetic) dapat juga disebut sebagai magnet permanen.

Beberapa sifat dari magnet permanen dapat dilihat pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Sifat beberapa magnet keras

Material Magnetik Remanensi

Br (V.s/m2)

Medan Koersif -Hc

(kA/m)

Hasil Kali Demagnetisasi

Maksimum (BH)maks (kJ/m3)

Baja karbon-biasa 1,0 4 1 Alnico V 1,2 55 34

Feroxdur (BaFe12O19) 0,4 150 20 RE – Co * 1,0 700 200 Nd2Fe14B 1600

* Tanah jarang – kobalt, khususnya samarium Sumber: Vlack, 2004

Kepermanenan magnet dapat ditandai dari medan koersif, -Hc, yang

diperlukan untuk mengembalikan induksi ke nol. Suatu nilai sebesar -Hc = 1000

A/m sering digunakan untuk memisahkan magnet lunak dan magnet keras

(permanen). (BH)maks merupakan satu ukuran yang lebih baik, karena hasil-kali ini

menunjukkan hambatan energi kritis yang harus dilampaui agar demagnetisasi

bisa terjadi (Vlack, 2004).

Berdasarkan teknik pembuatannya,magnet permanen dibedakan atas dua

macam, yaitu magnet permanen isotropi dan magnet permanen anisotropi.Proses

pembentukkan magnet permanen isotropi menghasilkan arahdomain

magnetpartikel-partikelyangmasih acak, sedangkan pada anisotropi

pembentukannya dilakukan dalam medan magnet sehingga arah domain

magnetpartikel-partikelnya mengarah pada satu arah tertentu seperti ditunjukkan

pada gambar 2.8. Magnet permanen isotropi memilikisifat magnet (remanensi

magnet) yang lebih kecil dibandingkan denganmagnet permanen anisotropi.

Gambar 2.8. Arah partikel pada magnet (a) isotropi dan (b) anisotropi

(Masno et al. 2006)

2.3.2. Polarisasi Total Fasa Magnetik

Polarisasi total Js atau magnetisasi total Ms dari suatu fasa didefinisikan

sebagai jumlah total momen magnet atom-atom yang terdapat di dalam fasa

magnetik perunit volume sebagaimana didefinisikan melalui persamaan berikut.

𝑀s = ∑ 𝜇𝑖𝑖=𝑛𝑖=1 .𝑉−1 (2.8)

dengan :

Ms = jumlah total momen magnet atom-atom yang terdapat di dalam fasa magnetik perunit volume (A.m-1),

μi = momen magnet per atom i (Bohr magneton),

1 μB = 9,273 x 10-24 J.T-1

V = volume sel satuan fasa dan

n = jumlah jenis atom pada sel satuan fasa.

Sedangkan Js mengambil bentuk seperti persamaan (2.2) dan memiliki satuan

Tesla (T).

𝐽s = 𝜇𝑜𝑀s (2.9)

dengan :

μo = permeabilitas udara (1 μo = 4 𝜋 x 10-7 H.m-1) dan

Js = polarisasi total (Tesla).

2.3.3. Medan Anisotropi (Anisotropy Field) Fasa Magnetik

Anisotropi magnet dapat muncul dari berbagai sebab seperti bentuk

magnet, struktur kristal, efek stress dan lain sebaginya. Kebanyakan material

feromagnetik memiliki anistropi kristal yang disebut magnetocrystalline

anisotropy, dimana kristal memiliki arah magnetisasi yang disukai dan disebut

sebagai arah mudah. Bila magnetisasi dilakukan searah dengan sumbu mudah ini,

maka keadaan jenuh dapat tercapai pada medan magnet luar yang relatif kecil.

Sebaliknya, bila magnetisasi dilakukan searah sumbu keras, keadaan saturasi

dapat dicapai pada aplikasi medan magnet yang relatif tinggi. Oleh karena itu,

untuk menimbulkan sifat anisotropi, magnet dibuat agar memiliki arah yang

disukai tersebut (preferred direction). Pada keadaan stabil, arah momen magnet

atau magnetisasi kristal adalah sama dengan arah sumbu mudah. Pada konfigurasi

keadaan stabil ini energi total dalam magnet adalah minimum. Sumbu kristal yang

lain disebut sumbu keras, dimana pemagnetan pada arah ini meningkatkan energi

kristal karena diperlukan suatu energi untuk mengubah arah vektor magnetisasi

yang tadinya searah dengan sumbu mudah. Energi yang diperlukan untuk

mengarahkan arah momen magnet menjauhi sumbu mudahnya disebut

magnetocrystalline energy atau anisotropy energy(EA).

2.3.4. Produk Energi Maksimum (BH)max

(BH)max merupakan sifat yang paling utama dari suatu magnet permanen

yang menunjukkan energi persatuan volume magnet yang dipertahankan di dalam

magnet. Besaran ini diturunkan dari kurva kuadran ke-II (kurva demagnetisasi)

dari loophisterisis sehingga diperoleh kurva (BH), yaitu perkalian antara B dan H

sebagai fungsi H. Jadi, kurva (BH) sebagai fungsi Htersebut tidak lain adalah

tempat kedudukan titik-titik luasan di bawah kurva demagnetiasi. Secara

skematik, penentuan kurva (BH) dari kurva demagnetisasi ditunjukkan pada

gambar 2.9.

Gambar 2.9. Penentuan nilai (BH)max dari kuadran ke-II loop histerisis (Manaf, 2013)

Nilai intrisnik (BH)max dapat dihitung secara mudah dengan menggunakan

persamaan produk energi (BH) yang dinyatakan seperti persamaan berikut ini.

𝐵𝐻 = 𝜇𝑜𝐻2 + 𝐽𝐻 (2.10)

Persamaan (2.10) adalah persamaan kuadrat, sehingga plot antara kurva

(BH) dan H mengambil bentuk parabola seperti ditunjukkan pada gambar 2.9.

Nilai maksimum dari kurva (BH) tersebut ditentukan oleh syarat 𝜕(𝐵𝐻)/𝜕𝐻 = 0

atau

𝜕(𝐵𝐻)𝜕𝐻

= 2𝜇𝑜𝐻 + 𝐽 = 0 (2.11)

dengan :

μo = permeabilitas udara (1 μo = 4 𝜋 x 10-7 H.m-1),

H = medan magnet luar (Oe), dan

J = polarisasi (Tesla).

Sehingga diperoleh persamaan

𝐻c = −𝐽s/2𝜇𝑜 (2.12)

dengan :

Hc = medan magnet demagnetisasi kritis (Oe), dan

Js = polarisasi total (Tesla).

Jadi, dengan mensubstitusikan H pada persamaan (2.11) dengan H = Hc dari

persamaan (2.12), maka diperoleh persaman sebagai berikut.

(𝐵𝐻)max = 𝐽𝑠2

4𝜇𝑜 (2.13)

dengan :

(BH)max = nilai energi produk maksimum dari suatu magnet (J.m-3).

2.3.5. Temperatur Curie Fasa Magnetik

Temperatur Curie Tc dapat didefinisikan sebagai temperatur kritis dimana

terjadi perubahan dari keteraturan feromagnetik menjadi paramagnetik. Dengan

kata lain, di atas Tc, material memiliki magnetisasi yang terlalu rendah bagi

magnet. Dengan demikian Tc juga merepresentasikan kekuatan interaksi

pertukaran antar spin-spin elektron atom. Suatu magnet diharapkan memiliki

ketahanan yang baik terhadap temperatur, terutama pada aplikasi-aplikasi

dinamik, seperti motor dan generator. Dalam kasus ini perubahan temperatur

diharapkan tidak mengurangi sedikitpun magnetisasi magnet agar unjuk kerja

magnet tetap tinggi. Hal ini mungkin dapat terjadi apabila magnet tersebut

memiliki Tc yang tinggi (Manaf, 2013).

2.4. Magnet Komposit

Magnet komposit terdiri dari dua atau lebih bahan berbeda yang digabung

atau dicampur secara makroskopis. Pada umumnya magnet komposit ini dibuat

dengan pencampuran serbuk bahan magnet dengan pengikat bahan bukan magnet,

seperti semen portland, polimer, dengan komposisi yang diinginkan didalam alat

pencampur (Karokaroet al. 2002).

Karakteristik dari masing-masing bahan pembuat magnet inilah yang akan

menentukan karakteristik dari magnet komposit, seperti sifat kekerasan, kekuatan

serta sifat mekanik yang lainnya. Sedangkan jumlah elemen serbuk magnet

didalam komposit akan sangat menentukan kekuatan medan magnet dari magnet

komposit, karena banyak sedikitnya bahan pengikatnya akan mempengaruhi sifat

magnet (Lih Jiun Yuet al. 2012).

Pada magnet komposit, sifat-sifat struktur bahan pembentuknya masih

terlihat jelas. Magnet komposit dapat dibuat menjadi rigid atau elastis, tergantung

pada bahan campuran yang digunakan. Apabila bahan campuran yang digunakan

pada magnet komposit bersifat elastis seperti karet alam, maka akan didapatkan

magnet komposit yang bersifat elastis(Sudirmanet al. 2002).Pada dasarnya

magnet komposit yang memiliki sifat elastis mempunyai kelebihan dalam sifat

mekaniknya,yakni memiliki kekuatan tarik yang tinggi, sedangkanmagnet

komposit yang bersifat rigid mempunyai kelebihan dalam sifat mekaniknya yang

tidak mudah pecah. Dengan kata lain, keunggulan yang dimiliki oleh magnet

komposit adalah pengabungan dari sifat-sifat unggul masing-masing bahan

pembentuknya (Hadi, 2000).

2.5. Barium Heksaferit (BaFe12O19)

Barium heksaferit (BaFe12O19) telah dikenal sebagai material magnetik

permanen yang memiliki struktur heksagonal yang sesuai dengan space group P

63/mmc (Smith, 1959). Barium heksaferit secara teoritis memiliki anisotropi

kristalin magnet yang cukup besar, koersivitas tinggi (6700 Oe), temperatur Curie

tinggi (450oC), magnetisasi saturasi yang relatif besar (78 emu/g), kestabilan

kimiawi yg baik dan tahan korosi (Tang et al. 2005).Barium heksaferit memiliki

parameter kisi a = 5,8920 Å dan c = 23,1830 Å. Struktur kristal barium heksaferit

diperlihatkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10. (a) perspektif dari unit sel BaFe12O19 tipe M

dan (b) polyhedra dari unit sel BaFe12O19 tipe M (Robert C. Pullar, 2012)

Material magnet oksida BaFe12O19 merupakan jenis magnet keramik yang

banyak dijumpai di samping material magnet SrO.6Fe2O3. Seperti pada jenis

oksida lainnya, material magnet tersebut memiliki sifat mekanik yang sangat kuat

dantidak mudahterkorosi(Snoek, 1947). Sebagai magnet permanen, material

BaFe12O19 memilikisifat kemagnetan dengan tingkat kestabilan tinggi terhadap

pengaruh medan magnet luar pada suhu diatas 300oC sehingga sangat cocok

dipergunakan dalam peralatan teknologi pada jangkauan yang cukup luas.

(b) (a)

Barium heksaferit dapat disintesa dengan beberapa metode seperti

kristalisasi gas, presipitasi hidrotermal, sol-gel, aerosol, copresipitasi dan

pemaduan mekanik. Diantara metoda-metodatersebut, pemaduan/gerus mekanik

merupakan metodepaling ekonomis karena ketersediaan bahan baku secara

komersial yang relatif murah. Selain itu, penanganan material untuk proses

pemaduan mekanik relatif sederhana sehingga produksi dalam skala besar dapat

diimplementasikan dengan mudah.

Barium heksaferit merupakan oksidakeramik yang paling banyak

dimanfaatkan secara komersial. Kurva histerisis magnet permanen jenis ini

memiliki koersivitas yang relatif tidak besar sehingga senyawa tersebut juga

berpeluang cukup baik untuk aplikasi media penyimpan data (magnetic

recording) dan magneto optic materials (Nowosielskiat al, 2007).

2.6. Silika

Silika adalah senyawa kimia dengan rumus molekul SiO2 (silicon dioxside)

yang dapat diperoleh dari silika mineral, nabati dan sintesis kristal. Silika mineral

adalah senyawa yang banyak ditemui dalam bahan tambang/galian yang berupa

mineral seperti pasir kuarsa, granit dan fledsfar yang mengandung kristal-kristal

silika (SiO2) (Della et al, 2002; Bragmann and Goncalves, 2006). Selain terbentuk

secara alami, silika dengan struktur kristal tridimit dapat diperoleh dengan cara

memanaskan pasir kuarsa pada suhu 870°C dan bila pemanasan dilakukan pada

suhu 1470°C dapat diperoleh silika dengan struktur kristobalit (Cotton and

Wilkinson, 1989). Silika juga dapat dibentuk dengan mereaksikan silikon dengan

oksigen atau udara pada suhu tinggi (Iler, 1979).

Pada umumnya silika adalah dalam bentuk amorf terhidrat, namun bila

pembakaran berlangsung terus menerus pada suhu diatas 650°C maka tingkat

kristalinitasnya akan cenderung naik dengan terbentuknya fasa kuarsa, kristobalit

dan tridimit (Hara, 1986). Bentuk struktur kuarsa, kristobalit dan tridimit yang

merupakan jenis kristal utama silika memiliki stabilitas dan kerapatan yang

berbeda (Brindley and Brown, 1980). Struktur kristal kuarsa, kristobalit dan

tridimit memiliki nilai densitas masing-masing sebesar 2,65×103 kg/m3, 2,27×103

kg/m3 dan 2,23×103 kg/m3 (Smallman and Bishop, 2000).Karakteristik silika

diperlihatkan dalam tabel 2.2.

Tabel 2.2. Karakteristik silika (Surdia dan Saito, 2000)

Nama lain Silikon Dioksida Rumus molekul SiO2 Berat jenis (g/cm3) 2,6 Bentuk Padat Daya larut dalam air Tidak larut Titik cair (oC) 1610 Titik didih (oC) 2230 Kekerasan (kg/mm2) 650 Kekuatan tekuk (MPa) 70 Kekuatan tarik (MPa) 110 Modulus elastisitas (Gpa) 73 – 75 Resistivitas (Ωm) ˃ 1014

Koordinasi geometri Tetrahedral Struktur kristal Kristobalit, Tridimit, Kuarsa

Silika terbentuk melalui ikatan kovalen yang kuat serta memiliki struktur

dengan empat atom oksigen terikat pada posisi sudut tetrahedral di sekitar atom

pusat yaitu atom silikon. Gambar 2.11 memperlihatkan struktur silika tetrahedral.

Gambar 2.11. Struktur silika tetrahedral (Anne Egger, 2006)

Berdasarkan perlakuan termal, pada suhu < 570°C terbentuk low quartz,

untuk suhu 570 - 870°C terbentuk high quartz yang mengalami perubahan

struktur menjadi kristobalit dan tridimit, sedangkan pada suhu 870 – 1470°C

terbentuk high tridymite, pada suhu ˃ 1470°C terbentuk high crystobalite dan

pada suhu 1723°C terbentuk silika cair. Silika dapat ditemukan di alam dalam

bentuk kuarsa dan memiliki 7 bentuk kristal serta memiliki tiga bentuk kristal

utama, yaitu kristobalit, tridimit dan kuarsa seperti diperlihatkan pada tabel 2.3.

Tabel 2.3. Bentuk kristal utama silika (Smallman and Bishop, 2000)

Betuk Rentang Stabilitas (oC) Modifikasi Kristobalit 1470-1723 β-(kubik)

α-(tetragonal) Tridimit 870-1470 γ-?

β-(heksagonal) α-(ortorombik)

Kuarsa ˂870 β-(heksagonal) α-(trigonal)

Silika adalah keramik yang tahan terhadap temperatur tinggi yang banyak

digunakan dalam industri baja dan gelas (Smallman and Bishop, 2000). Diketahui

bahwa satuan struktur primer silika adalah tetrahedron SiO4, di mana satu atom

silika dikelilingi oleh empat atom oksigen (seperti terlihat pada Gambar 2.11).

Gaya-gaya yang mengikat struktur tetrahedral ini berasal dari ikatan ionik dan

kovalen sehingga ikatan tetrahedral ini kuat. Pada silika murni tidak terdapat ion

logam dan setiap atom oksigen merupakan atom penghubung antara dua atom

silikon (Vlack and Lawrench, 2004).

2.7. Polivinil Alkohol

Polivinil alkohol (PVA) merupakan suatu material yang dibuat melalui

proses alkoholisis dari polivinil asetat (PVAc). Polivinil alkohol memiliki sifat

tidak berwarna, padatan termoplastik yang tidak larut pada sebagian besar pelarut

organik dan minyak, tetapi larut dalam air bila jumlah dari gugus hidroksil dari

polimer tersebut cukup tinggi (Harper & Petrie, 2003). Polivinil alkohol memiliki

permeabilitas uap air terendah dari semua polimer komersial tetapi sensitivitas

airnya telah membatasi penggunaannya (Beswick & Dunn, 2002). Wujud dari

PVA berupa serbuk berwarna putih dan memiliki densitas 1,200×103– 1,302×103

kg/m3 serta dapat larut dalam air pada suhu 80 oC (Sheftel, 2000). Secara

komersial, PVA adalah plastik yang paling penting dalam pembuatan film yang

dapat larut dalam air. Hal ini ditandai dengan kemampuannya dalam pembentukan

film, pengemulsi dan sifat adesifnya. Polivinil alkohol memiliki kekuatan tarik

yang tinggi, fleksibilitas yang baik dan sifat penghalang oksigen yang baik (Ogur,

2005). Struktur kimia dari polivinil alkohol disajikan pada gambar 2.12.

Gambar 2.12. Struktur kimia polivinil alkohol

(Liang et al. 2009)

Aplikasi dari polivinil alkohol sudah meliputi banyak bidang. Hodgkins &

Taylor (2000) melaporkan polivinil alkohol banyak diaplikasikan dalam bidang

kesehatan (biomedical), bahan pembuat deterjen, lem dan film. Selain itu polivinil

alkohol juga banyak digunakan dalam pengolahan tekstil pada pembuatan nilon

dan dalam pembuatan serat sebagai bahan baku untuk produksi serat polivinil

alkohol. Polivinil alkohol dalam industri pangan sangat banyak digunakan sebagai

bahan pelapis karena sifatnya kedap terhadap uap air. Polivinil alkohol mampu

menjaga komponen aktif dan bahan lainnya yang terkandung di dalam bahan dari

kontak dengan oksigen (Ogur, 2005). Karakter fisik dari polivinil alkohol

disajikan pada tabel 2.4.

Tabel 2.4. Karakteristik fisik polivinil alkohol

Karakteristik Nilai Densitas (g/cm3) 1,19-1,31 Titik leleh (oC) 180-240 Titik didih (oC) 228

Suhu penguraian (oC) 180 Sumber : Ogur, 2005

2.8. Proses Kalsinasi

Proses kalsinasi adalah proses pembakaran tahap awal yang merupakan

reaksi dekomposisi secara endothermic dan berfungsi untuk melepaskan gas-gas

dalam bentuk karbonat atau hidroksida sehingga menghasilkan serbuk dalam

bentuk oksida dengan kemurnian yang tinggi.

H

H

C

C

H

OH

Kalsinasi dilakukan pada suhu tinggi dan suhunya tergantung pada jenis

bahannya. Kalsinasi diperlukan sebagai penyiapan serbuk keramik untuk diproses

lebih lanjut dan juga untuk mendapatkan ukuran partikel yang optimum serta

menguraikan senyawa-senyawa dalam bentuk garam atau dihidrat menjadi oksida

dan membentuk fase kristal.

Peristiwa yang terjadi selama proses kalsinasi berlangsung antara lain

(James S.R,1988 ) :

a. Pelepasan air bebas (H2O) dan terikat (OH) berlangsung sekitar suhu 100oC

hingga 300oC.

b. Pelepasan gas-gas, seperti : CO2 berlangsung sekitar suhu 600oC dan pada

tahap ini disertai terjadinya pengurangan berat yang cukup berarti.

c. Pada suhu lebih tinggi, ±800oC struktur kristalnya sudah terbentuk, di mana

pada kondisi ini ikatan antar partikel serbuk belum kuat dan mudah lepas.

2.9. Metalurgi Serbuk

Metalurgi serbuk adalah metode yang terus dikembangkan dari proses

manufaktur yang dapat mencapai bentuk komponen akhir dengan mencampurkan

serbuk secara bersamaan dan dikompaksi dalam cetakan dan selanjutnya disinter

di dalam furnace (tungku pemanas).

Langkah-langkah yang harus dilalui dalam metalurgi serbuk, antara lain :

1.Pencampuran (mixing)

2.Penekanan (kompaksi)

3.Pemanasan (sintering)

2.9.1. Pencampuran (Mixing)

Pencampuran serbuk dari beberapa material berbeda bertujuan untuk

memberikan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik. Pada pencampuran, perlu

ditambahkan binder untuk meningkatkan green strenght seperti wax atau polimer

termoplastik. Ada 2 macam pencampuran, yaitu :

1. Pencampuran basah (wet mixing), yaitu proses pencampuaran di mana serbuk

matrik dan filler dicampur terlebih dahulu dengan pelarut polar. Metode ini

dipakai apabila material (matrik dan filler) yang digunakan mudah mengalami

oksidasi. Tujuan pemberian pelarut polar adalah untuk mempermudah proses

pencampuaran material yang digunakan dan untuk melapisi permukaan

material supaya tidak berhubungan dengan udara luar sehingga mencegah

terjadinya oksidasi pada material yang digunakan.

2. Pencampuran kering (dry mixing), yaitu proses pencampuran yang dilakukan

tanpa menggunakan pelarut. Metode ini dipakai apabila material yang

digunakan tidak mudah mengalami oksidasi.

2.9.2. Penekanan (Kompaksi)

Kompaksi merupakan proses pemadatan serbuk menjadi sampel dengan

bentuk tertentu sesuai dengan cetakannya.Ada 2 macam metode kompaksi, yaitu:

1. Cold compressing, yaitu kompaksipada temperatur kamar. Metode ini dipakai

apabila bahan yang digunakan mudah teroksidasi, seperti Al.

2. Hot compressing, yaitu kompaksi pada temperatur di atas temperatur kamar.

2.9.3. Sintering

Proses sintering adalah suatu proses pemadatan sekumpulan serbuk pada

suhu di bawah titik leburnya sehingga selama proses sintering terjadi pengurangan

pori, penyusutan dan perubahan ukuran butir (William, 1991).

Pengurangan pori dan pertumbuhan butir selama proses sintering terjadi

akibat proses difusi di antara butir. Jenis proses difusi akan memberikan efek

terhadap perubahan sifat-sifat fisis, yaitu perubahan densitas, pengurangan pori

dan ukuran butir. Umumnya peningkatan densitas, pengurangan pori dan

penyusutan disebabkan karena adanya difusi volume dan difusi batas butir

(Randall, 1991).

Benda setelah mengalami proses sintering akan mengalami perubahan

mikrostruktur sehingga sifat-sifat fisis maupun kemagnetannya akan ikut

mengalami perubahan pula. Jelas bahwa suhu sintering memberikan pengaruh

yang besar terhadap perubahan sifat fisis maupun sifat magnet. Jika suhu sintering

semakin tinggi maka kerapatan atau kepadatannya akan semakin meningkat akibat

adanya proses difusi selama proses sintering (Ristic, 1989). Skema representasi

dari tahap sintering dan jenis proses sinter ditunjukkan pada gambar 2.13.

Gambar 2.13. Skema representasi tahap sintering dan jenis proses sinter (McClomand Clark, 1998)

2.10. KarakterisasiMaterial

Untuk mengetahui sifat-sifat dan kemampuan suatu material maka perlu

dilakukan pengujian dan analisis. Beberapa jenis pengujian dan analisis yang

dibahasuntuk keperluan penelitian ini antara lain: pengujian sifat fisis (densitas

dan porositas), analisa struktur kristal dengan menggunakan alat uji XRD, analisa

mikrostrukturdengan menggunakan SEMdan untuk karakterisasi sifat kemagnetan

menggunakan gaussmeter dan permagraph.

2.10.1. Densitas

Densitas (ρ) adalah suatu ukuran massa (m) persatuan volume (V)

suatumaterial dalam satuan gram/cm3. Beberapa faktor yang

mempengaruhidensitas adalah ukuran dan berat atom suatu elemen, kuatnya

pengepakan atom dalam struktur kristal dan besarnya porositas

dalammikrostruktur.

Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material. Pengukuran

densitas yang dilakukan pada penelitian ini adalah true density dan bulk

density.True density merupakan kerapatan bahan padat sebenarnya dan tidak

termasuk volume pori-pori terbuka maupun tertutup. True densityyang tak lain

adalah densitas serbuk ditentukan secara piknometris dengan persamaan :

𝜌𝑠 = (𝑚1−𝑚0)(𝑚3−𝑚0)−(𝑚2−𝑚1)

𝑥𝜌𝑎𝑖𝑟 (2.16)

dengan :

𝜌s = densitas serbuk bahan sampel (kg/m3),

m0 = massa piknometer kosong (kg),

m1 = massa (piknometer + serbuk bahan sampel) (kg),

m2 = massa (piknometer + serbuk bahan sampel + air) (kg),

m3 = massa (air + piknometer) (kg) dan

𝜌air = massa jenis air (kg/m3)

Pengujian bulk density menggunakan metode Archimedesdengan

mengukur massa kering sampel dan massa basahnya. Densitas sampel

dapatdihitung menggunakan persamaan :

𝜌 = 𝑚𝑘𝑚𝑘−𝑚𝑏

𝑥 𝜌𝑎𝑖𝑟 (2.17)

dengan :

𝜌 = densitas sampel (kg/m3),

mk = massa kering sampel (kg),

mb = massa basah sampel (kg) dan

𝜌air = massa jenis air (kg/m3)

2.10.2. Porositas

Porositas dapat didefenisikan sebagai perbandingan antara jumlah volume

lubang-lubang kosong yang dimiliki oleh zat padat (volume kosong) dengan

jumlah dari volume zat padat yang ditempati oleh zat padat. Porositas pada suatu

material dinyatakan dalam persen (%) rongga fraksi volume dari suatu rongga

yang ada di dalam material tersebut. Besarnya porositas pada suatu material

bervariasi mulai dari 0 % sampai dengan 90 % tergantung dari jenis dan aplikasi

material tersebut. Ada dua jenis porositas yaitu porositas terbuka dan porositas

tertutup. Porositas yang tertutup pada umumnya sulit untuk ditentukan karena pori

tersebut merupakan rongga yang terjebak di dalam padatan dan serta tidak ada

akses ke permukaan luar, sedangkan pori terbuka masih ada akses ke permukaan

luar, walaupun ronga tersebut ada ditengah-tengah padatan. Porositas suatu bahan

pada umumnya dinyatakan sebagai porositas terbuka atau apparent porosity dan

dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

𝑃 = 𝑚𝑘−𝑚𝑏𝑚𝑘

𝑥 100 % (2.18)

dengan :

P = porositas (%),

mk = massa kering sampel (kg) dan

mb = massa basah sampel (kg)

2.10.3. X-Ray Diffraction(XRD)

X-ray diffractometer (XRD) merupakan alat untuk mengidentifikasi

struktur kristal dan fasa dalam suatu bahan dengan memanfaatkan radiasi

gelombang elektromagnetik sinar-X. XRD dilengkapi beberapa komponen

penting seperti: tabung sinar-X, monokromator, detektor dan beberapa alat optik

lain.

Sinar-X dihasilkan pada suatu tabung sinar katode dengan pemanasan

kawat pijar untuk menghasilkan elektron-elektron, kemudian elektron-elektron

tersebut dipercepat terhadap suatu target dengan memberikan suatu voltasetertentu

dan menembak target dengan elektron. Ketika elektron-elektron mempunyai

energi yang cukupuntuk mengeluarkan elektron-elektron dalam target, spektrum

karakteristik sinar-X dihasilkan.Spektrum ini terdiri atas beberapa komponen-

komponen dan yang paling umum adalah Kα dan Kβ. Kαterdiri dariKα1 danKα2.Kα1

mempunyai panjang gelombang sedikit lebih pendek dari Kα2. Panjang gelombang

yang spesifik merupakan karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr). Kertas

perak atau kristal monokromator akan menyaring dan menghasilkan sinar-X

monokromatik yang diperlukan untuk difraksi. Tembaga adalah bahan sasaran

yang paling umum untuk difraksi kristal tunggal, dengan radiasi CuKα = 1,5406

Å. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas Sinar-X pantul itu direkam. Ketika

geometri dari peristiwa sinar-X tersebut memenuhi persamaan Bragg, interferensi

konstruktif terjadi dan suatu puncak di dalam intensitas terjadi. Detektor akan

merekam sinyal penyinaran ini dan mengkonversi sinyal itu menjadi suatu arus

yang akan dikeluarkan pada layar komputer. Bagan XRD ditunjukkan pada

gambar 2.14.

Gambar 2.14. Diagram X-ray diffractometer (Waseda et al. 2011)

Fenomena difraksi sudah dikenal pada ilmu optik. Standar pengujian di

laboratorium fisika adalah untuk menentukan jarak antara dua gelombang dengan

mengetahui panjang gelombang sinar, dengan mengukur sudut berkas sinar yang

terdifraksi. Pengujian ini merupakan aplikasi langsung dari pemakaian sinar-X

untuk menentukan jarak antara kristal dan jarak antara atom dalam kristal.

Gambar 2.15menunjukkan suatu berkas sinar-X dengan panjang

gelombang λ, jatuh pada sudut θ pada sekumpulan bidang atom berjarak d. Sinar

yang dipantulkan dengan sudut θ hanya dapat terlihat jika berkas dari setiap

bidang yang berdekatan saling menguatkan. Oleh sebab itu, jarak tambahan satu

berkas dihamburkan dari setiap bidang yang berdekatan dan menempuh jarak

sesuai dengan perbedan kisi, yaitu sebesar nλ. Sebagai contoh, berkas ke dua yang

ditunjukkan gambar 2.15 harus menempuh jarak lebih jauh dari berkas pertama

sebesar PO + OQ. Syarat pemantulan dan saling menguatkan dinyatakan oleh :

nλ = PO + OQ = 2 ON sin θ = 2 d sin θ (2.14)

Persamaan (2.14) disebut dengan hukum Braggdan harga sudut kritis θ untuk

memenuhi hukum ini dikenal sebagai sudut Bragg(Smallman and Bishop, 2000).

Gambar 2.15. Difraksi bidang atom (Smallman and Bishop, 2000)

Untuk mengetahui fasa dan struktur material yang diamati dapat dilakukan

dengan cara membandingkan nilai d yang terukur dengan nilai d pada data

standar. Data standar dapat diperoleh melalui Joint Committee on Powder

Diffraction Standards (JCPDS) atau dengan Hanawalt File.

2.10.4. Scanning Electron Microscope (SEM)

Scanning Electron Microscope (SEM) digunakan untuk analisis

mikrostruktur material dengan tujuan untuk mengetahui bentuk maupun ukuran

dari butir-butir serta mengetahui interaksi satu butir dengan butir yang lainnya

serta lapisan yang terbentuk di antara butir yang disebut batas butir (grain

boundary). Skema peralatan SEM diperlihatkan pada gambar 2.16.

Sinar Datang Sinar Difraksi

d

Gambar 2.16. Skema alat Scanning Electron Microscopy (SEM) (Griffin and Reissen, 1991)

2.10.5. Permagraph

Permagraph merupakan salah satu alat ukur sifat magnet dari berbagai

kelompok seperti alnico, ferit atau dari logam tanah jarang. Sifat magnet yang

akan diukur oleh permagraph diantaranya adalah koersifitas Hc, nilai produk

energi maksimum (BHmax) dan remanensi Br. Untuk permagraph C memiliki

perlengkapan dalam pengukuran kurva histerisis bahan permanen magnet seperti :

elektronik EF 4-1F, elektromagnet EP 2/E (kuat medan magnet sampai dengan

1800 kA/m = 2.2 Tesla), komputer dan printer.

Hasil yang dapat diperoleh dari permagraph C : otomatis mengukur kurva

histerisis magnet permanen (B-H curve), dapat menentukan kuantitas magnet

seperti koersifitas, remanensi, nilai produk energi maksimum, pengukuran dengan

surrounding coils untuk menentukan nilai rata-rata magnetik dan pengukuran

distribusi kuat medan magnet permanen dengan pole coils.