Sintesis Keramik Al 2 TiO 5 dengan Aditif MgO Menggunakan Metode Solid Reaction Kurmidi*, Suminar Pratapa Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, Indonesia Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email:
[email protected]*
Abstrak Telah dilakukan sintesis keramik Al 2 TiO 5 densitas tinggi dengan aditif MgO menggunakan metode solid reaction, yaitu menggunakan serbuk α-Al 2 O 3 (korundum) dan serbuk TiO 2 sebagai bahan dasar serta serbuk MgO sebagai aditif dengan komposisi berat 0%, 2%, dan 5%. Keramik dibuat dengan penekanan uniaksial 55 MPa selama 15 menit. Sampel yang telah dicetak kemudian disinter dengan variasi suhu 1450oC, 1500oC, dan 1550oC selama 3 jam kemudian dilakukan beberapa karakterisasi. Penambahan 2% dan 5% MgO pada AT memberikan pengaruh yang signifikan dalam meningkatkan nilai bulk density AT. Adanya penambahan 5% MgO dan kenaikkan suhu sinter menyebabkan nilai bulk density dari AT semakin meningkat, bulk density paling tinggi diperoleh pada suhu sinter 1550oC dengan nilai bulk density 3,26 gr/cm3. Hasil analisis difraksi sinar-x dan SEM-EDAX dengan penambahan MgO pada AT dengan komposisi berat 0, 2, dan 5% MgO fasa AT lebih dominan, sedangkan fasa korundum dan rutil menjadi minor. Kondisi ini sesuai dengan hasil pengamatan mikrostruktur, perubahan fasa tersebut diakibatkan terjadi pertumbuhan butiran AT. Hal ini berkaitan dengan berkurangnya fasa korundum dan rutil serta berkurangnya porositas dan bertambahnya bulk density seiring kenaikkan suhu sinter pada keramik AT. Dari hasil pengujian kekerasan sampel AT-MgO, menunjukkan bahwa seiring kenaikkan suhu sinter dan aditif MgO akan meningkatakan nilai kekerasan dari AT. Nilai kekerasan tertinggi diperoleh pada sampel dengan penambahan 5% MgO dan suhu sinter 1550oC yaitu 1469 kgf/mm2. Kata Kunci: solid reaction, sinter, AT, korundum, rutil, MgO, bulk density, solid solution
1. Pendahuluan Perkembangan pengetahuan bahan dapat dirasakan begitu pesatnya saat ini, demikian juga perkembangan teknologi keramik pada khususnya. Di masa lampau, keramik masih dibuat dengan bahan baku alami karena terbatasnya kemampuan dalam pengendalian komposisi kimia maupun strukturnya. Tetapi akhir-akhir ini, keramik telah dibuat dan dibentuk dengan bermacammacam cara sesuai dengan tujuan penggunaannya. Keramik memiliki sifatsifat khas yang fungsional dalam aplikasi mekanik, elektro termal, optik, termal, biokimia dan refraktori. Material keramik yang berbasis senyawa oksida seperti Al 2 TiO 5 , Al 2 O 3, ZrO 2, MgO dan TiO 2 memiliki keunggulan antara lain, titik leburnya tinggi, keras, bersifat refraktori
(tahan suhu tinggi), kuat dan bersifat isolator (Sembiring, 1990). Keramik aluminium titanat (Al 2 TiO 5 ) termasuk salah satu jenis keramik oksida yang memiliki keunggulan dibandingkan dengan keramik oksida lainnya, yaitu memiliki daya tahan kejut suhu yang tinggi, koefisien termal ekspansi yang rendah dan konduktifitas panasnya rendah (Muljadi, 1996). Keramik Al 2 TiO 5 memiliki dua struktur yaitu α-Al 2 TiO 5 merupakan struktur yang stabil pada suhu tinggi dengan titik lebur 1820-1860oC dan βAl 2 TiO 5 yang merupakan struktur yang stabil pada suhu rendah (1300oC) dengan titik lebur 1700-1750oC. Keramik Al 2 TiO 5 memiliki nilai koefisien termal ekspansi yang sangat rendah, stabil pada suhu tinggi dan dapat meredam panas (isolator panas)
maka keramik tersebut sangat cocok digunakan dibidang otomotif yaitu sebagai filter gas buang, manifold, dan portliner (Muljadi, 1996). Aluminium titanat biasanya dibuat dengan mereaksikan secara sintering melalui reaksi persamaan perbandingan molar dari alumina dan titania (rutil) di atas suhu 1280oC (Kato dkk., 1980), dimana jika oksidasi dengan udara menghasilkan: α-Al 2 O 3 +TiO 2 (rutil)
β–Al 2 TiO 5
Struktur kristal aluminium titanat adalah tipe pseudobrokite. Tialit ini mempunyai struktur kristal orthorhombic, dengan space group Cmcm dan parameter kisi: a = 3,591 Å, b = 9,429 Å dan C = 9,636 Å (Zaharescu dkk., 1998). Apabila material Al 2 TiO 5 dapat diterapkan sebagai komponen otomotif maka akan memberikan keuntungan yaitu di samping dapat memperpanjang waktu pakai komponen juga dapat meningkatkan efisiensi proses pembakaran karena keramik Al 2 TiO 5 dapat meredam panas yang keluar (Muljadi, 1996). Pada penelitian ini dicoba untuk membuat keramik Al 2 TiO 5 dari reaksi padatan antara serbuk Al 2 O 3 dengan serbuk TiO 2 pada komposisi stokiometri dengan aditif 0, 2, dan 5% MgO. Setelah melalui proses sinter pada suhu tinggi (1450-1550 o C) dapat diperoleh struktur Al 2 TiO 5 dan diketahui karakteristiknya, yaitu densitas, porositas, kekerasan, analisis komposisi fasa dan analisis mikrostruktur. 2. Metode Penelitian Langkah-langkah yang dilakukan dalam proses pembuatan sampel uji adalah, menyiapkan 3,366 gram serbuk Al 2 O 3 , 2,634 gram serbuk TiO 2 dan menyiapkan 0,12 gram (2% ) serbuk MgO serta 0,3 (5%) gram serbuk MgO. Kemudian MgO dipanaskan selama 30 menit untuk menghilangkan kandungan airnya sehingga menjadi MgO murni. Proses pembuatan sampel dilakukan dengan cara mencampurkan 3,366 gram serbuk Al 2 O 3 dan 2,634 gram serbuk TiO 2 yang ditambahkan 0 gram , 0,12 gram dan 0,3 gram MgO (0%, 2% dan 5%) kemudian dicampur dengan menggunakan ball mill selama 2 jam dengan kecepatan 100 putaran/menit. Ball mill ini berfungsi mencampur dan sekaligus menggiling dan
proses pencampuran ini dilakukan secara basah dengan media pencampur air (aquadest) dengan perbandingan sampel dibanding bolanya adalah 1 : 20. Setelah dilakukan pencampuran kemudian dikeringkan dalam pemanas listrik (drying oven) pada suhu 90oC. Langkah selanjutnya sampel yang sudah dikeringkan dicetak dengan alat cetak tekan (dry pressing) dengan tekanan sebesar 55 MPa selama 15 menit. Kemudian sampel yang telah dicetak disinter dengan variasi suhu yaitu 1450oC, 1500oC, dan 1550oC. Proses sinter atau sintering dilakukan menggunakan tungku listrik Nabertherm dengan kecepatan kenaikan suhu (heating rate) 5oC /menit dan pada setiap suhu sintering ditahan selama 3 jam dengan penurunan suhu sinter 10oC/menit. Langkah selanjutnya adalah karakterisasi densitas, porositas, komposisi fasa, struktur mikro, dan kekerasan. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Pengujian Densitas dan Porositas
Gambar 3.1 Hubungan densitas dan porositas terhadap berbagai suhu sinter untuk sampel AT aditif 5% MgO. Gambar 3.1 adalah contoh hubungan bulk density dan porositas pada sampel AT aditif 5% MgO terlihat bahwa semakin tinggi suhu sinter menyebabkan nilai densitas menjadi semakin besar dan nilai porositas menjadi semakin kecil. Nilai bulk density tertinggi diperoleh pada sampel dengan suhu sinter 1550oC yaitu sebesar 3,26 g/cm3 dengan nilai porositas 6,73%. Hasil penelitian pada gambar di atas menunjukkan bahwa semakin meningkatnya suhu sinter akan menurunkan nilai porositas dan meningkatkan nilai densitas. Dengan adanya aditif MgO pada AT dapat memberikan pengaruh yang signifikan dalam meningkatkan bulk density AT.
Å) bukan Ti4+(0,68 Å) dengan persamaan reaksi:
3.2 Identifikasi Fasa
2Al3+
Gambar 3.2 Pola difraksi sinar-x dari sampel AT-MgO dengan komposisi berat 0, 2, 5% MgO yang telah disinter 1450, 1500, dan 1550oC selama 3 jam. Ket: x = AT, # = rutil, o = korundum, dan * = spinel. Gambar 3.2 menunjukkan pola-pola difraksi sinar-x pada sampel AT dengan komposisi berat 0% MgO yang disinter pada berbagai suhu. Identifikasi fasa menggunakan software Rietica yang memberikan informasi bahwa pada sampelsampel tersebut ditemukan fasa AT. Ini menunjukkan bahwa reaksi (Kato dkk, 1980) α-Al 2 O 3 + TiO 2
β – Al 2 TiO 5 ….(3.1)
terjadi pada semua suhu sinter. Namun demikian fasa yang ditemukan bukan hanya AT. Untuk semua sampel masih teridentifikasi adanya fasa korundum dan rutil yang diduga disebabkan oleh terperangkapnya rutil dan korundum pada titik-titik tertentu tanpa bisa saling bereaksi membentuk AT. Hasil pola-pola difraksi kristal pada sampel AT aditif 2% MgO pada berbagai suhu sinter dapat dilihat pada Gambar 3.2 yang menunjukkan bahwa fasa rutil tidak terbentuk. Ini mengindikasikan bahwa rutil bereaksi sempurna dengan korundum membentuk AT, sedangkan MgO bereaksi dengan AT membentuk fase solid solution karena pada penambahan 2% MgO tidak terbentuk fasa spinel. Solid solution dapat memacu stabilitas AT dibandingkan oksida lain seperti zirkonia (Bayer, 1971 dan Pratapa dkk, 2011), dikarenakan Mg2+ (jarijari ion = 0,66 Å) menstubstitusi Al3+ (0,55
Mg2+ + Ti4+ .......... (3.2)
Substitusi tersebut diikuti oleh pembentukan solid solution yang kemudian menyebabkan perpindahan sel satuan (Zhang dkk, 2008). Seperti yang teramati pada sampel AT aditif 5% MgO yang dapat dilihat pada Gambar 4.6. Fasa spinel juga teramati pada sampel dengan suhu sinter 1450oC, 1500oC, dan 1550oC. Fasa spinel terjadi dengan persamaan reaksi: MgO+ Al 2 O 3
MgAl 2 O 4 .. (3.3)
Penambahan MgO pada sistem AT ternyata tidak menyisakan MgO, namun menghasilkan fasa spinel dan solid solution. Ini menandakan bahwa MgO tidak bereaksi sempurna membentuk fasa solid solution. Bukti lain terbentuknya solid solution adalah pergeseran puncak AT terhadap aditif MgO misal, pada sampel AT yang disinter 1500oC dengan aditif 0% MgO (sudut 2θ = 33,77°), dengan aditif 2% MgO (sudut 2θ = 33,63°), dan aditif 5% MgO (sudut 2θ = 33,62°). Hasil di atas menunjukkan bahwa pada sampel AT aditif 2% MgO tidak terbentuk fasa rutil, ini mengindikasikan bahwa rutil bereaksi sempurna dengan korundum membentuk AT. Pada penambahan 2% MgO juga terbentuk fasa solid solution Al 2(1-x) Mg x Ti 1+x O 5 yang berfungsi mereduksi laju dekomposisi AT (Buscaglia dkk, 1994 dan Pratapa dkk, 2011). Pada sampel AT aditif 5% MgO terlihat fasa spinel (MgAl 2 O 4 ) menunjukkan bahwa, MgO tidak bereaksi secara sempurna dengan AT membentuk solid solution Al 2(1. Pada penelitian lain, x) Mg x Ti 1+x O 5 . dengan penambahan MgO pada AT sebesar 5% dan 15% maka pada sampel dengan 15% MgO mengandung lebih banyak spinel, hal tersebut menandakan semakin besar penambahan MgO maka jumlah spinel yang terbentuk juga semakin meningkat (Djambazov dkk, 1994).
3.3 Analisis Mikrostruktur dengan SEMEDAX
Keterangan:
termal, ekspansi termal dan ketahanan kejut termal (Wohlfromm, 1991). Gambar 3.3 menggambarkan pemetaan unsur-unsur yang terdapat pada permukaan sampel AT aditif 0, 2, dan 5% MgO yang disinter pada suhu 1500oC. Terlihat bahwa pada AT aditif 0% MgO terdapat butir-butir yang mengandung unsur Al, Ti, dan O, sedangkan untuk AT dengan aditif 2 dan 5% MgO terlihat adanya unsur Mg, hal tersebut ditunjukan dengan warna yang terdapat pada butir-butir tersebut. Pada sampel AT aditif 0% MgOAda butir AT, korundum, dan rutil, sedangakan pada sampel AT aditif 2% MgO ada butir ATMgO solid solution dan korundum, untuk sampel AT aditif 5% MgO terdapat butir AT-MgO solid solution, korundum, dan spinel. Warna butir-butir tersebut ditunjukan pada Gambar 3.3, sehingga hasil pemetaan komposisi unsur-unsur yang terkandung pada sampel AT sesuai dengan hasil yang diperoleh pada data XRD. 3.4 Pengujian Kekerasan
Gambar 3.3 Foto SEM-EDAX untuk sampel AT disinter pada suhu 1500oC, (a) AT 0% MgO, (b) AT 2% MgO, dan (c) AT 5% MgO. Dari hasil SEM-EDAX sampel yang memiliki distribusi ukuran yang homegen adalah sampel AT dengan aditif 2% MgO, hal itu ditandai dengan adanya micro cracking yang hampir tidak terlihat pada sampel dan ukuran butirnyapun juga lebih halus jika dibandingkan dengan sampel AT aditif 0% maupun 5% MgO. AT memiliki kekuatan mekanik yang rendah dikarenakan microcracks yang disebabkan tingginya anisotropi dari koefisien ekspansi termal (koefisien ekspansi termal hampir nol) sepanjang sudut kristalografi (Shobhani, 2008 dan Kim, 2000). AT memiliki crack pada batas butir dan merupakan fenomena yang mudah dikenali dalam bahan polikristalin rapuh yang menunjukkan perilaku anisotropi ekspansi termal. Microcracks yang dimiliki AT dapat memberikan efek yang besar pada sifat dari AT berbasis keramik seperti modulus elastisitas, kekuatan mekanik, konduktivitas
Gambar 3.4 Hubungan nilai kekerasan AT terhadap suhu sinter pada beberapa % aditif MgO. Hasil pengujian kekerasan sampel pada Gambar 3.4 menunjukkan bahwa, semakin meningkatnya suhu sinter dan aditif MgO akan meningkatkan nilai kekerasan dari AT. Nilai kekerasan tertinggi diperoleh pada sampel dengan aditif 5% MgO dan suhu sinter 1550 oC yaitu 1469 kgf/mm2, material semacam ini tergolong material yang keras dan dapat dipergunakan sebagai komponen mekanik yang tahan abrasiv. Sampel seperti ini juga dapat dipergunakan sebagai komponen otomotif misal, sebagai filter gas buang (Muljadi, 1999).
4. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Nilai bulk density AT paling tinggi diperoleh pada suhu sinter 1550oC dengan nilai bulk density 3,26 gr/cm3 lebih besar jika dibandingkan dengan sampel AT dengan aditif 0% MgO yang disinter pada suhu sinter 1550 oC memiliki bulk density 2,69 gr/cm3. 2. Hasil analisis difraksi sinar-x dan SEMEDAX dengan penambahan MgO pada AT dengan komposisi berat 0, 2, dan 5% MgO fase AT lebih dominan, sedangkan fasa korundum dan rutil menjadi minor. Pada penambahan 5% MgO juga terdapat fase solid solution dan spinel. Kondisi ini sesuai dengan hasil pengamatan SEM, perubahan fasa tersebut diakibatkan terjadi pertumbuhan butiran AT yang ditandai dengan adanya micro cracking. Hal ini berkaitan dengan berkurangnya fasa korundum dan rutil serta berkurangnya porositas dan bertambahnya bulk density seiring kenaikan suhu sinter pada keramik ATMgO. 3. Kenaikan suhu sinter dan penambahan MgO akan meningkatkan nilai kekerasan dari AT. Nilai kekerasan paling tinggi diperoleh pada sampel dengan penambahan 5% MgO pada suhu sinter 1550 oC yaitu 1469 kgf/mm2, dibandingkan AT dengan aditif 0% MgO yang disinter pada suhu 1550 oC yang memiliki nilai kekerasan sebesar 1011 kgf/mm2. 5. Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Drs. Suminar Pratapa M.Sc., Ph.D. yang telah banyak memberikan bimbingan, arahan, bantuan dan motivasi sehingga terselesaikannya penelitian ini. 6. Pustaka Af’idah, Noer. (2007), “Penggunaan Al 2 O 3 , MgO dan MgAl 2 O 4 Nanokristalin dalam Meningkatkan Kinerja Material Komposit Bermatrik
aluminium”, Tugas Akhir, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya. Amin, Kamal E. (1991), “Toughness, Hardness and Wear for Ceramics and Glass Material”. Engineered Material Handbook, edited by Samuel Schnelder, ASM International Publisher, Vol.4. New York. Chester J.H. (1990), “Refractories for Iron and Steel Making”. Metal Society Publisher. London. Cullity, B.D. (1997), “Element of X-Ray Diffraction”, 2nd edition.Indiana: Addison-Wesley Publishing Company.Inc. Djambazov, S., Lepkova, D. dan Ivanov, I. (1994), “A Study of the Stabilization of Aluminum Titanate”, Jurnal of Material Science, vol 29, hal 25212525. Faisal, Ahmad. (2007), “Pengaruh Penambahan Al 2 TiO 5 pada Pembuatan Keramik Al 2 O 3 Terhadap Sifat Fisis dan Mikrostrukturnya”, Tesis, Jurusan Ilmu Fisika Pascasarjana USU, Medan. Ishitsuka, M., Sato, T., Endo, T. dan Shimada, M. (1987), “Syntesis and Thermal Stability of Aluminium Titanate Solid Solutions”, J. Am. Ceramic Soc, vol 2, hal 69-71. Jayasankar, M., Ananthakumar, S., Mukundan, P. dan Warrier, K.G.K. (2007), “Low temperature synthesis of aluminium titanate by an aqueous sol-gel route”, Materials Letters, vol 61, hal 790-793. Kato, E., Daimon, K. dan Takahashi, J. (1980), “Decomposition Temperatur of Al 2 TiO 5 ”, Journal of The American Ceramic Society”, vol 63, hal 355-356. Low, I.M. (2008), “Reformation of phase composition in decomposed aluminium titanate”, Materials Chemistry and physics, vol 111, hal 9-12. Perdamean S, Muljadi, (1995), “ Sintesis Serbuk Keramik Spinel MgAl 2 O 4 dengan Metode Kimia Basah”, Jurnal Kimia Nusantara, JNK 95.1.2, hal : 125-127.
Pratapa, S. (2004), “Bahan Kuliah Difraksi sinar-x”, Jurusan FMIPA ITS, Surabaya. Shobani, M., Rezaie, HR dan Naghizadeh, R. (2008), “Sol-gel Syntesis of Aluminium Titanate (Al 2 TiO 5 ) Nano-particles”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.206, 282-285. Suasmoro. (2000), “Fisika Keramik”, Jurusan FMIPA ITS, Surabaya. Umaroh, Khusnul. (2008), “Sintesis FGM αAl 2 O 3 /Al 2 TiO 5 -Distabilisasi-MgO dengan Metode Infiltrasi Berulang”, Tesis, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya. West, Anthony .(1984), “Solid State Chemistry and Its Applications”. John Wiley & Sons Singapura Wolfromm, H, Thierry E, Pilar P, Jose S.M, dan Gareth T. (1991), “Microstructural Characterization of Aluminium Titanate-based Composite Materia”, Journal of the European ceramic society, 09552219/91/5350. 385-396. Zaharescu, M., Crisan, M., Preda, M., Fruth, V. dan Preda, V. (2003), “Al 2 TiO 5 – Based ceramic obtained by hydrothermal process”, Journal of optoelectronics and advanced materials, vol 5, hal 1411-1416.
