SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2013 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim
MEKANISME PERLAMBATAN PENYUSUTAN DALAM KAJIAN SINTERING Mg0,8Zn0,2TiO3 Muhammad Saukani 1,2*), Frida Ulfah Ermawati1,3, Suasmoro1, Suminar Pratapa1 1 Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arif Rahman Hakim, Surabaya 601111 2
Program Studi Fisika FMIPA Universitas Lambung Mangkurat Jl. A. Yani Km. 36, Banjarbaru 70714 3
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Surabaya Kampus Ketintang, Surabaya 60231 *)
Email:
[email protected] ABSTRAK
Karakteristik penyusutan material padat Mg0,8Zn0,2TiO3 dari bubuk yang dikalsinasi pada suhu 550 °C telah diukur dengan dilatometer dari suhu ruang hingga 1300°C. Bahan tersebut mengandung fasa utama (Mg0,8Zn0,2TiO3) dan fasa minor (TiO2). Kurva dilatometi menunjukkan penyusutan dimulai dari suhu 770 °C dan perlambatan penyusutan dari suhu 1050°C. Analisa data difraksi sinar-X untuk sampel dengan variasi suhu sinter dari 800 sampai 1200 oC menunjukkan peningkatan jumlah MgTi2O5 dari 0% sampai 25%. Perlambatan penyusutan disebabkan oleh reaksi antara fasa utama dan TiO2 yang membentuk MgTi2O5. Lebih lanjut, optimasi sintesis dengan penambahan Mg pada sistem Mg(1-x)ZnxTiO3 (x = 0,2) dengan komposisi (Mg,Zn) : Ti = 1,5 : 1 menghasilkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 setelah dikalsinasi pada suhu 550 °C dan setelah disinter pada suhu 1100 °C. Untuk material fasa tunggal ini, perlambatan penyusutan berdasarkan kurva dilatometri tidak lagi teramati. Kata kunci: MgTi2O5, sintering, dilatometri, penyusutan. ABSTRACT Shringkage characteristic of Mg0,8Zn0,2TiO3 of compacted powder which was calcined at temperature of 550 °C has been measured by means of dilatometer from room temperature to 1300 °C. The material contained main phase (Mg0,8Zn0,2TiO3) and minor phase (TiO2). Dilatometry curve revealed shringkage from temperature of 770 °C and shringkage deceleration from temperature of 1050 °C. X-ray diffraction data analysis for samples with various sintering temperatures from 800 to 1200 oC showed increasing amount of MgTi2O5 from 0% to 25%. The shringkage deceleration was initiated by reaction between main phase and TiO2 forming MgTi2O5. Furthermore, a synthesis optimation by adding Mg to Mg0,8Zn0,2TiO3 system with composition (Mg,Zn) : Ti = 1.5 : 1 yielded a single phase of Mg0.8Zn0.2TiO3 after calcination at 550 °C and sintering at of 1100 °C. For this single phase material, the shringkage deceleration based on the dilatometry curve was not abserved anymore.
Key words: MgTi2O5, sintering, dilatometry, shrinkage.
411
PENDAHULUAN Magnesium Titanat memiliki tiga fasa stabil yaitu MgTi2O5, Mg2TiO4 dan MgTiO3 [1]. MgTiO3 merupakan material keramik berstruktur ilmenite dengan space group R-3 H [2] yang memiliki konstanta dielektrik εr ~ 17, koefisien temperature τf rendah dan mendekati nol, nilai factor quality Qf ~ 160.000 pada frekuensi 7 Ghz [3] yang digunakan sebagai bahan dasar multilayer ceramic capasitor [4] pada frekuensi sangat tinggi (GHz), band-pass filter [5], telepon seluler, global positioning system, direct broadcasting satellite, radar, antena [6] dan lain sebagainya. Luasnya aplikasinya menjadikan MgTiO3, mendorong peneliti terus mengembangkan metode sintesis hingga menurunkan suhu sintering. Beberapa metode yang telah dilakukan diantaranya metode sol-gel [6], metode kopresipitasi [7], metode peroxide route [1], metode solid state reaction [3, 8–11] dan pencampuran basah (wet mixing) [12–14 ]. Dilaporkan bahwa hampir semua metode sintesis diatas menghasilkan suhu pembentukan MgTiO3 diatas 800°C, kecuali dengan metode wet mixing yang mampu menurunkan suhu pembentukan di bawah 800°C dan menghasilkan ukuran nano partikel. Sampel Mg(1-x)ZnxTiO3 (x=0,2) (ZMT02) dalam penelitian ini disintesis dengan metode wet mixing dengan suhu kalsinasi 550°C. Penenitian sebelumnya melaporkan bahwa fasa MgTiO3 tanpa doping yang disintesis dengan metode ini terbentuk pada suhu 800°C [14], namun setelah dilakukan doping terjadi penurunan suhu pembentukan fasa MgTiO3 dengan kemurnian tinggi hingga mencapai suhu 510°C [12,15]. Tahapan proses yang penting untuk pengamatan besaran-besaran fisis adalah proses sintering. Sintering merupakan proses pemanasan pada material keramik yang bertujuan untuk menaikkan kohesi antar partikel-partikel melalui eleminasi porositas. Tahapan prosesnya meliputi (1) penyusunan kembali (rearrangement) untuk mempertinggi jumlah antar partikel dan pembentukan neck. (2) ukuran neck antar bulir tumbuh dan porositasnya menurun, pada
412
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2013 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim
tahapan ini butir mulai tumbuh (grain growth). (3) eliminasi porositas melalui difusi antar butir dan pertumbuhan bulir [16]. Dalam penelitian ini akan dilaporkan hasil kajian mekanisme sintering melalui pola analisa difraksi sinar X pada daerah penyusutan yang ditunjukkan oleh kurva dilatometri. Selain itu juga dilakukan kajian optimasi komposisi sampel hingga terbentuk fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3. METODOLOGI Sampel ZMT02 disintesis dengan metode pencampuran basah (wet mixing method) menggunakan logam Ti (>98%, Merck), Zn (>99%, Merck), Mg (>88%, Merck) yang dilarutkan dalam HCl (37%, LIPI). Oleh karena kemurnian Mg rendah maka perlu adanya penambahan ekstra Mg dengan perbandingan (Mg,Zn) : Ti = 1,23 : 1. Optimasi untuk mendapatkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 dilakukan dengan memvariasikan kandungan Mg. Kalsinasi dilakukan pada suhu 550°C selama 4 jam. Fasa bubuk kalsinasi diamati dengan difraksi sinar X (Philips X’Pert Multi Purpose Diffractometer System). Kajian penyusutan dilakukan dengan mempersiapkan bubuk yang dipadatkan berdimensi balok 2 x 2 x 20 mm dengan penekanan 50 kg/mm2. Kemudian dilakukan pengukuran dilatometri dari suhu ruang hingga suhu 1300°C pada atmosfer udara bebas. Setelah diketahui daerah penyusutan, serbuk kalsinasi dipadatkan berbentuk disk dengan dimensi 1,340 x 0,295 cm dan green density 1,96 gr/cm2. Kemudian sintering dilakukan pada suhu 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C dan 1200°C dan berikutnya dilakukan Difraksi Sinar X. Seluruh fasa yang terbentuk hasil Difrasi sinar X diidentifikasi menggunakan perangkat lunak X’Pert Graphics and Identify kemudian dilakukan analisa rietvield untuk mengetahui fraksi berat dan parameter kisi dengan menggunakan perangkat lunak rietica.
413
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis identifikasi fasa pola difraksi sinar X pada bubuk sampel Mg1-xZnxTiO3 (x=0,2) yang dikalsinasi pada suhu 550°C selama 4 jam dengan perbandingan (Zn,Mg) : Ti = 1,23 : 1 masih mengandung fasa giekelite (MgTiO3) dan rutil (TiO2) (Gambar 1) dengan fasa giekelite yang lebih dominan dengan prosentase 94,4%, dalam analisis ini tidak teridentifikasi fasa yang mengandung Zn yang menunjukkan bahwa ion Zn2+ dapat mensubtitusi ion Mg2+ sehingga membentuk larutan padat Mg0,8Zn0,2TiO3. Wechsler, et al., melaporkan bahwa parameter kisi MgTiO3 adalah a = b = 5,0548 Å dan c = 13,8992 Å [17], jika dibandingkan dengan analisis Rietveld pada fasa giekelite sampel ini, diketahui bahwa parameter kisi yang terukur adalah a = b = 5,0545 Å dan c = 13,9036 Å. Hasil ini menunjukkan bahwa terbentuknya Mg0,8Zn0,2TiO3 dengan sumbu a dan b relatif sama dan pada sumbu c yang mengamali perpanjangan sebesar 0,0044Å akibat subtitusi 20% posisi Mg2+ berjejari atom 0,072 nm digantikan Zn2+ berjejari 0,074 nm.
Gambar 1. Perbandingan Pola Difraksi Sinar-X ZMT02 pada suhu kalsinasi 550°C. Ket : # = Mg0,8Zn0,2TiO3, $ = TiO2 Kurva dilatometi menunjukkan penyusutan mulai terjadi pada suhu 770°C dan mulai terjadi perlambatan penyusutan pada T = 1050°C (Gambar 2(1)). Jika dibandingkan dengan 414
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2013 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim
kurva dilatometri dengan (Zn,Mg) : Ti = 1,5 : 1 yang menghasilkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3, perlambatan penyusutan tidak teramati (Gambar 2(2)). Maka perlambatan ini mengindikasikan adanya reaksi pembentukan fase lain.
Gambar 2. Perbandingan Mekanisme sintering pada sampel ZMT02 (1) (Mg,Zn) : Ti = 1,23 : 1, (2) (Mg,Zn) : Ti = 1,50 : 1 Pola XRD dari pellet dengan komposisi (Mg,Zn) : Ti = 1,23 : 1 yang disinter pada suhu 800oC, 900oC, 1000oC, 1100oC dan 1200oC ditunjukkan pada gambar 3. Dapat dilihat bahwa terdapat Mg0,8Zn0,2TiO3 dan TiO2 yang semakin menurun dan MgTi2O5 yang semakin meningkat (gambar 4). Peningkatan komposisi MgTi2O5 semakin tajam dimulai pada suhu 1000°C, hal ini sesuai dengan kurva dilatometer yang mengalami perlambatan penyusutan pada suhu 1150°C. Koinsidensi dapat menjelaskan bahwa efek perlambatan penyusutan pada kurva dilatometri diakibatkan adanya reaksi pembentukan MgTi2O5. Fasa MgTi2O5 adalah fasa intermediate magnesium titanat yang sangat sulit untuk dihilangkan dengan perlakuan pemanasan[18]. Terbentuknya fasa MgTi2O5 diakibatkan masih terbentuk fasa TiO2 setelah sampel dikalsinasi 550°C 4 jam yang mengindikasikan bahwa adanya kehilangan Mg pada saat sintesis. Optimasi untuk membentuk fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 dilakukan dengan menambahkan Mg dengan perbandingan (Mg,Zn) : Ti dari 1,275 : 1 hingga 1,50 : 1. Pola difraksi sinar X bubuk kalsinasi dengan berbagai variasi Mg 415
ditunjukkan gambar 5. Terlihat bahwa fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 diperoleh dengan perbandingan (Mg,Zn) : Ti = 1,50. Dengan komposisi ini hasil sintering pada suhu 1100°C menunjukkan tidak terbentuk MgTi2O5 (gambar 6) dan kurva dilatometri tidak menunjukkan adanya perlambatan.
Gambar 3. Perbandingan Pola Difraksi Sinar-X sampel ZMT02 berbagai variasi suhu sintering Ket : # = Mg0,8Zn0,2TiO3, * = MgTi2O5 $ = TiO2
Gambar 4. Hubungan antara %berat terhadap berbagai variasi suhu sintering sampel ZMT02 (Mg,Zn) : Ti = 1,23 : 1
416
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2013 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim
Gambar 5. Perbandingan Pola Difraksi Sinar-X sampel ZMT02 berbagai extra Mg pada suhu kalsinasi 550oC Ket : # = Mg0,8Zn0,2TiO3, $ = TiO2
Gambar 6. Perbandingan Pola Difraksi Sinar-X ZMT02 pada suhu sintering 1100°C. Ket : # = Mg0,8Zn0,2TiO3, * = MgTi2O5 KESIMPULAN Sintesis menggunakan metode wet mixing dapat menghasilkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3. Dengan kemurnian bahan baku yang digunakan, untuk mencapai fasa stoikiometrik baik untuk bubuk kalsinasi maupun pellet sintering diperlukan perbandingan 417
(Mg,Zn) : Ti = 1,50 : 1,00. Perlambatan penyusutan sintering mulai terjadi pada suhu 1150°C diakibatkan oleh reaksi fasa minor TiO2 dengan fasa utama Mg0,8Zn0,2TiO3 membentuk MgTi2O5. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih ini ditujukan kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah memberikan dukungan dana riset melalui Program Beasiswa Unggulan tahun 2012. DAFTAR PUSTAKA 1.
G. Pfaff. Peroxide route for synthesis of magnesium titanate powders of various compositions. Ceramics International. 1994;20(2):111–6.
2.
E.A.V. Ferri, J.C. Sczancoski, L.S. Cavalcante, E.C. Paris, J.W.M. Espinosa, dan A.T. de Figueiredo. Photoluminescence behavior in MgTiO3 powders with vacancy/distorted clusters and octahedral tilting. Materials Chemistry and Physics. 2009 Sep 15;117(1):192–8.
3.
C-L. Huang, J.L. Hou, C-L. Pan, C-Y. Huang, C-W. Peng, dan C-H. Wei. Effect of ZnO additive on sintering behavior and microwave dielectric properties of 0.95MgTiO3– 0.05CaTiO3 ceramics. Journal of Alloys and Compounds. 2008 Feb 14;450(1–2):359– 63.
4.
J. Bernard, D. Houivet, J. El Fallah, dan J.M. Haussonne. MgTiO3 for Cu base metal multilayer ceramic capacitors. Journal of the European Ceramic Society. 2004;24(6):1877–81.
5.
C-L. Huang, C-M. Tsai, A. Yang, dan A. Hsu. Compact 5.8-GHz bandpass filter using stepped-impedance dielectric resonators for ISM band wireless communication. Microwave and Optical Technology Letters. 2005;44(5):421–3.
6.
K.P. Surendran, A. Wu, P.M. Vilarinho, dan V.M. Ferreira. Sol−Gel Synthesis of LowLoss MgTiO3 Thin Films by a Non-Methoxyethanol Route. Chem Mater. 2008 Jul 1;20(13):4260–7.
7.
A.B. Gaikwad, S.C. Navale, V. Samuel, A.V. Murugan, dan V. Ravi. A co-precipitation technique to prepare BiNbO4, MgTiO3 and Mg4Ta2O9 powders. Materials Research Bulletin. 2006 Feb 2;41(2):347–53.
8.
P. Astutik, L.I. Hariani, M.A Baqiya, dan S. Pratapa. Pengaruh Aktivasi Mekanik Terhadap Pembentukan Fasa MgTiO3 dan MgTi2O5. Prosiding Seminar Fisika Nasional 2011, Serpong, 2011.
418
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2013 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim
9.
M. Zhang, L. Li, W. Xia, dan Q. Liao. Structure and properties analysis for MgTiO3 and (Mg0.97M0.03)TiO3 (M = Ni, Zn, Co and Mn) microwave dielectric materials. Journal of Alloys and Compounds. 2012 Oct 5;537:76–9.
10. Y-B. Chen. Improved high Q value of MgTiO3–CaTiO3 microwave dielectric resonator using WO3-doped at lower sintering temperature for microwave applications. Journal of Alloys and Compounds. 2009 Jun 10;478(1–2):657–60. 11. D.H. Im, C.J. Jeon, E.S. Kim. MgTiO3/polystyrene composites with low dielectric loss. Ceramics International. 2012 Jan;38, Supplement 1:S191–S195. 12. Istihanah. 2011. Microstructural Study of Solid Solution MxMg1-xTiO3 (M = Zn, Ni) Produced by Wet Mixing. [Tesis]: Surabaya (ID) : Institut Teknologi Sepuluh November. 13. R. Angela dan S. Pratapa. Sintesis MgTiO3 dengan Variasi Temperatur Kalsinasi Menggunakan Metode Pencampuran Larutan. Jurnal Teknik POITS. 2012;1(1):1–3. 14. Istianah, R. Lestari, M.A. Baqiya, dan S. Pratapa . Rietveld X-Ray Diffraction Data Analyses for Magnesium Titanate Powders Produced by Mg and Ti Mixing in HCl. Prosiding International Conference on X-ray Microscopy and Smart Materials Solo. Solo, Solo, 2011. 15. F.U. Ermawati, Istihanah, R. Lestari, Suasmoro, dan S. Pratapa. Structural and Microstructural Studies on ZnxMg1-xTiO3(x=0.0-0.5) Solid Solutions Formation. Prosiding International Conference on Mathematics and Series 2012, Surabaya, 2012. 16. J.S. Reed. Principles of ceramics processing. New York: Wiley; 1995 17. B.A Wechsler dan R.B. Von Dreele. Structure refinements of Mg2TiO4 , MgTiO3 and MgTi2O5 by time-of-flight neutron powder diffraction. Acta Crystallographica Section B Structural Science. 1989 Dec 1;45(6):542–9. 18. K. Sreedhar dan N. Pavaskar. Synthesis of MgTiO3 and Mg4Nb2O9 using stoichiometrically excess MgO. Materials Letters. 2002 Apr;53(6):452–5.
419
