## Analisis Sifat Mekanis Komposit Barium Hexaferrit dengan Penguat Silika
Ari wibowo
Program studi teknik mesin, politeknik negeri batam Batam Center, Jl. Ahmad Yani, Kepulauan Riau 29461 Email: ariwibowo@polibatam.ac.id
Abstract: barium heksaferit widely used as a magnetic material. The higher mechanical strength of the  material,  it  will  result  the  better  application.  This  experiment  aims  to  determine  the  effect  of adding silica composition and sintering temperature on barium hexaferrit matrix composites against mechanical properties. Barium hexaferrit material was ball milled so that the size of the powder can be ≤ 74μm. The obtained Barium hexaferrite powder is then mixed with a silica composition of 0%, 1%,  2%,  3%,  4%.  The  mixture  was  then  pressed  with  pressure  23  Mpa  to  shape  the  hardness, bending  and  impact  test  specimens.  The  green  body  was  then  sintered  at  1000 o C,  1100 o C  and 1200 o C    temperature  for  3  hours  with  air  environment.  Composites  already  made  and  then  tested with  density  test,  bending  test,  impact  test  and  microstructure  test.  Best  mechanical  properties obtained on the composition of SiO 2 1 wt.% And the sintering temperature 1100 o C.
keywords: barium hexaferrite, Composite, Silica
Intisari :  barium  hexaferrite  banyak  digunakan  sebagai  bahan  magnet.  Semakin  tinggi  kekuatan mekanis  bahan  tersebut  maka  akan  semakin  baik  dalam  penggunaannya.  penelitian  ini  bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan komposisi penguat silika dan suhu sintering pada komposit dengan matrik barium hexaferrit terhadap sifat mekanis. Bahan barium heksaferrit yang sudah ada di ball  mill  sehingga  ukuran  serbuknya  menjadi  ≤  74µm.  Serbuk barium  hexaferrite yang  didapat kemudian  dicampur  silika  dengan  komposisi  0%,  1%,  2%,  3%,  4%.  Hasil  campuran  tersebut kemudian  dicetak  dengan  tekanan  23  Mpa  sesuai  bentuk  uji  spesimen  bending  dan  impak.  Hasil cetakan tersebut selanjutnya disintering pada suhu 1000 o C 1100 o C dan 1200 o C selama 3 jam dengan lingkungan udara. Komposit yang sudah dibuat kemudian diuji dengan uji densitas, uji bending, uji impak, uji struktur mikro. Sifat mekanis terbaik didapat pada komposisi SiO 2 1 wt.% dan suhu sinter 1100 o C.
kata kunci: barium hexaferrite, Komposit, Silika
Barium  hexaferrite merupakan  bahan magnet permanen yang banyak dikenal. Barium hexaferrite memiliki  rumus  kimia  BaFe 12 O 19 yang banyak digunakan dalam media pembangkitan  listrik  pada  generator,  perangkat microwave dan  bidang  perisai  elektromagnetik (Shams  dkk,  2005). Ferrite banyak  digunakan meskipun  memiliki  kekuatan  magnetik  kurang jika  dibanding  magnet  jenis  lain.  Karena  sifat ini, banyak  metode sintesis telah dikembangkan untuk  mendapatkan  biaya  produksi  partikel serbuk Barium  hexaferrite yang  rendah.  Baru- baru  ini,  telah  banyak  dikembangkan    dengan prosess  paduan  mekanik/ mechanical  alloying dengan  energi  yang  sangat  tinggi.  Magnet  yang diproduksi  kebanyakan  berbentuk  komposit dengan  matrik  keramik  magnet  itu  sendiri  dan penguat  keramik.  Perkembangan  teknologi komposit  saat  ini  banyak  menggunakan  silika
sebagai  bahan  aditif  yang  mampu  memberikan sifat  yang  berbeda  pada  suatu  material  yang ditambahkan.  Penambahan  bahan  silika  dalam pembuatan  material  magnet  digunakan  untuk mengontrol pertumbuhan butir dan juga meningkatkan  kekuatan  mekanik  material. Selain itu penambahan material silika diharapkan  tidak  akan  mengurangi  sifat  magnet komposit.

## Dasar teori
barium  hexaferrite termasuk  bahan magnet yang bersifat ferromagnetik . Ferromagnetic merupakan bahan yang mempunyai resultan medan magnet atomis besar yang  disebabkan  oleh  momen  magnetik spin electron bebas  yang  tidak  memiliki  pasangan elektron.  Arah  domain  electron  pada  bahan ferromagnetik  ditunjukkan  oleh  Gambar  1.
Barium  hexaferrite memiliki  struktur  kristal hexagonal close packed seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.
Gambar 1. Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetic sebelum dan sesudah diberi medan magnet luar (Föll, 2004)
Gambar 2. Struktur kristal  BaFe 12 O 19 (Ümit, 2009)
Komposit adalah kombinasi dua material  atau  lebih  yang  memiliki  sifat  dan komposisi  yang  berbeda  untuk  menghasilkan sebuah  material  baru,  masing  masing  bahan tidak larut satu sama lain dan juga tidak bereaksi secara  kimia  membentuk  senyawa  lain.  Sifat komposit  yang  dicapai  tidak  sama  dengan material  penyusunnya.  Pada  material  komposit sebuah  material  akan  bertindak  sebagai  matrik, sedangkan  material  yang  lain  akan  berfungsi sebagai penguat ( reinforcement ). Syarat terbentuknya  komposit  karena  adanya  ikatan permukaan  antara  matriks  dan  penguat.  Ikatan antar  permukaan  ini  terjadi  karena  adanya  gaya adhesi dan kohesi (Uin, 2013).
Matrik  komposit Barium  hexaferrite berfungsi  sebagai  pengikat  dan  pelindung penguat  serta  membagi  dan  meneruskan  beban yang dialami ke penguat silika. Silika digunakan sebagai  kuarsa  dengan  peran  sebagai  kontrol struktur  mikro.  Sifat  dan  karakteristik  komposit sangat  ditentukan  oleh  material  yang  menjadi penyusunnya. Perbandingan berdasarkan rule of mixture material  penyusun  akan  proporsional terhadap  sifat  komposit.  Selain  itu  bentuk  dan penyusunan  struktural  dari  material  penyusun juga sangat berpengaruh dan juga interaksi yang terjadi  antar  material  penyusun  akan  sangat mempengaruhi sifat komposit.
Silika  merupakan  jenis  keramik  oksida yang  paling  banyak  digunakan  untuk  bahan gelas/kaca  dan  juga  untuk  serat  optik.  Silika yang  digunakan  terutama  dalam  produksi  kaca, memiliki  sejumlah  bentuk kristal  yang  berbeda- beda  ( polimorf )  selain  bentuk amorf yang tergantung oleh suhunya seperti yang ditunjukkan  oleh  Gambar  3.  Ketika  silikon dioksida  SiO 2 didinginkan  dengan  cepat,  tidak mengkristal  tapi  membeku  sebagai  gelas.  suhu transisi gelas SiO 2 murni adalah sekitar 1475 K. Seperti  kebanyakan  kristal polimorf struktur atom dalam gelas silika murni adalah tetrahedra atom oksigen di sekitar atom silikon.
Pembuatan  komposit  dimulai  dengan penyiapan  bahan-bahan    barium  heksaferit (BaFe 12 O 19 )  yang  telah  dibuat  dengan  ukuran butir ≤ 74µm dan penguat dari silika (SiO 2 ) 99% serta  molases  sebagai binder .  Pencampuran ketiga  bahan  dengan  variasi  komposisi  silika  0, 1,  2,  3  dan  4  wt%  dan binder sebanyak  2  wt.% untuk  setiap  variasi  dengan turbula  mixer selama 1 jam. Kompaksi bahan tersebut dengan tekanan  23  MPa  untuk  membentuk green  body . Green  body yang  sudah  terbentuk  disintering pada suhu 1000, 1100 dan 1200 o C selama 3 jam di lingkungan udara untuk mengetahui temperatur  terbaik sintering .  Spesimen  yang sudah  dibuat  seperti  gambar  4  dilakukan Pengujian  densitas,  kekerasan, bending dan impak  dan  struktur  mikro  untuk  mengetahui kekuatan  mekanis  terbaik.  Pengujian  kekerasan dilakukan  dengan  metode vickers dengan menggunakan  beban  100  gram  dengan  durasi penekanan  selama  10  detik.  Dalam  pengujian bending dilakukan  penekanan/pemberian  beban secara  bertahap  sampai  spesimen  mengalami patah  dengan  nilai  tumpuan  panjang  S 1 sebesar 30 mm dan tumpuan penekan S 2 sebesar 15 mm. Pengujian  impak  menggunakan  metode charpy dengan beban (G) 1 kg dan sudut awal (α) 156 o serta panjang lengan (R) 0.83 m.

## Hasil dan pembahasan
Spesimen hasil sintering kemudian di uji densitas,  kekerasan,  bending,  dan  impak. Pengujian  densitas  dilakukan  untuk  mengetahui densitas bulk setiap  komposit  terhadap  penguat silika.  Gambar  5.  Menunjukkan  hubungan densitas  terhadap  peningkatan  komposisi  silika dan  suhu  sinter  komposit  BaFe 12 O 19 /SiO 2 .  Pada umumnya  meningkatnya  komposisi  silika  akan menurunkan  densitas  BaFe 12 O 19 /SiO 2 hal  ini selain diakibatkan oleh rendahnya densitas silika terhadap barium  hexaferrite juga  karena  belum
terjadinya mekanisme sintering antara BaFe 12 O 19 dan  SiO 2 ketika  disinter  pada  suhu 1000 o C.  Hal  sebaliknya  terjadi  ketika  komposit disinter  pada  suhu  1100 o C  terjadi  peningkatan densitas  yang  cukup  signifikan  pada  komposisi silika  1  wt.%  yang  mana  silika  tersebut membantu  terbentuknya  mekanisme sintering yang  selanjutnya  terjadi  penurunan  densitas yang  mungkin  karena  berlebihnya  jumlah komposisi  silika  sehingga  dianggap  sebagai pengotor.  Sedangkan  pada  suhu  sinter  1200 o C terjadi penurunan densitas dengan meningkatnya komposisi silika.
Pada  pengujian  kekerasan  didapatkan diameter injakan  sebanyak  lima  titik.  Gambar  6 menunjukkan  hubungan  kekerasan  BaFe 12 O 19 / SiO 2 terhadap komposisi silika, dengan meningkatnya  komposisi  SiO 2 maka  kekerasan bahan  juga  akan  meningkat.  Sedangkan  pada suhu sinter 1100 o C tercapai kekerasan maksimum  pada  komposisi  SiO 2 1  wt.%. Meningkatnya kekerasan komposit secara signifikan  ini  disebabkan  oleh  transformasi penguat  silika  dari quartz menjadi tridymite. Transformasi quartz menjadi tridymite terjadi pada  rentang  suhu  870-1470 o C  (Stefan  dkk, 2011).
Gambar  7  menunjukkan  hubungan kekuatan bending komposit  BaFe 12 O 19 /SiO 2 terhadap  suhu  sinter  dan  komposisi  silika.  Pada suhu  sinter  1000 o C  secara  umum  tidak  terjadi peningkatan maupun penurunan kekuatan bending secara  signifikan  karena  pada  suhu tersebut belum terjadi final stage sintering yaitu hilangnya  porositas  ketika  terjadi  mekanisme sintering (German,  1994)  ditunjukkan  dengan densitas  yang  hampir  sama  sehingga  kekuatan bendingnya  juga  relatif  sama.  Sedangkan  pada suhu sinter 1100 o C dan 1200 o C terjadi kenaikan
Suhu Sinter
1000 o C 1100 o C 1200 o C Suhu Sinter
Gambar 4. Spesimen pengujian. 1) kekerasan 2) bending 3) impak
dan penurunan kekuatan bending yang signifikan  hal  ini  dikarenakan  terjadinya mekanisme sintering yang mengakibatkan ikatan atom secara fisis yang lebih baik jika dibanding dengan suhu sinter 1000 o C selain itu dikarenakan  komposit  keramik  kekuatanya sangat  tergantung  dengan micro  crack seperti yang  ada  pada  material  sehingga  bahan  yang semakin panjang cracknya mengakibatkan bahan menjadi  mudah  patah,  hal  ini  juga  yang mengakibatkan kekuatan bahan komposit keramik  sangat  bervariasi  ditunjukkan  dengan lebarnya error bar pada Gambar 7.
Gambar  8.  menunjukkan  hubungan kekuatan impak komposit BaFe 12 O 19 /SiO 2 terhadap  suhu  sinter  dan  komposisi  silika.  Jika dilihat  dari  segi  komposisi  silika  terlihat  bahwa tidak  ada  pengaruh  yang  signifikan  terhadap kekuatan  impak  baik  spesimen  yang  disinter pada  suhu  1000,  1100  dan  1200 o C  hal  ini dikarenakan komposit keramik tersebut mempunyai  sifat  yang  getas  sehingga  kekuatan impaknya  relatif  kecil.  Sedangkan  dilihat  dari segi  suhu  sinter  terjadi  peningkatan  kekuatan impak  terutama  dari  suhu  1000 o C  sampai  suhu 1100 o C  hal  ini  memang  dikarenakan  sudah terjadinya  mekanisme sintering yang  membuat butir partikel komposit saling berikatan sehingga kekuatannya meningkat.
Gambar 5. Hasil uji densitas Komposit BaFe 12 O 19 / SiO 2
Gambar 7. Kekuatan Bending komposit BaFe 12 O 19 / SiO 2
Gambar 8. Kekuatan impak komposit BaFe 12 O 19 / SiO 2
Pengujian  struktur  mikro  dilakukan  pada spesimen  dengan  komposisi  silika  0  wt.%  yang disinter  pada  suhu  1000 o C  dan  silika  4  wt.% yang  disinter  pada  suhu  1000 o C  dan  suhu 1200 o C.  Gambar  9a  menunjukkan  bahwa spesimen  yang  disinter  pada  suhu  1000 o C memiliki  butir  yang  lebih  kecil  dibandingkan pada  Gambar  9b  dan  Gambar  9c  dan  mulainya terjadinya pertumbuhan butir pada beberapa titik seperti yang ditunjukkan tanda panah serta pori- pori  kecil  yang  sangat  banyak  sehingga  hal  ini bisa  menjelaskan  mengapa  spesimen  yang disinter  pada  suhu  tersebut  memiliki  densitas yang rendah. Sedangkan pada Gambar 9c sudah terjadi  pertumbuhan  butir  yang  merata  tetapi memiliki  pori-pori  yang  lebih  besar  jika dibandingkan dengan gambar sebelumnya namun  hanya  terjadi  pada  beberapa  titik  seperti yang ditunjukkan oleh panah. Secara keseluruhan  butir-butir  partikel  pada  Gambar  9 memiliki bentuk irregular dan agglomerate.
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0% 1% 2% 3% 4% Densi ta s (g /cm 3 ) Komposisi Silika (%wt) 1000oC 1100oC 1200oC 0 200 400 600 800 1000 0% 1% 2% 3% 4%

## K ek er a sa n VH N
Komposisi Silika (% wt)
1000oC 1100oC 1200oC
0 20 40 60 0% 1% 2% 3% 4% K e kua tan B en d in g (M P a) Komposisi Silika (% wt) 1000oC 1100oC 1200oC 0 2 4 6 8 0% 1% 2% 3% 4% K ek ua ta n Im pa k (k j/m 2 ) Komposisi Silika (% wt) 1000oC 1100oC 1200oC
Gambar 6. Hasil uji Kekerasan Komposit
BaFe 12 O 19 / SiO 2
Gambar 9. Uji SEM permukaan patahan uji bending a). 1000 o C, SiO 2 0 wt.%., b). 1200 o C, SiO 2 0 wt.%., c). 1200 o C, SiO 2 4 wt.%

## Kesimpulan
1. Kenaikan  suhu  sinter  meningkatkan  nilai densitas,  kekerasan,  kekuatan bending dan kekuatan impak komposit sedangkan kenaikan nilai komposisi silika secara umum hanya  berpengaruh  terhadap  meningkatnya nilai  densitas,  kekerasan,  kekuatan bending dan  kekuatan  impak  komposit  pada  suhu sinter  1100 o C  dengan  komposisi  SiO 2 1 wt.%. selanjutnya terjadi penurunan terhadap sifat mekanis.
2. Kenaikan  suhu  sinter  dan  komposisi  silika meningkatkan ukuran butir komposit BaFe 12 O 19 /SiO 2 .

## DAFTAR PUSTAKA
Föll. H, 2004 “ Electronic Materials ” University of Kiel, Faculty of Engineering German,  R.,  1994,  “ Powder  Metallurgy Science ”  second  edition,  metal  powder industries federation
Shams N., Liu X., Matsumoto M., Morisako A., 2005., Manipulation of crystal orientation and  microstructure  of  barium  ferrite  thin film ,  Journal  of  Magnetism  and  Magnetic Materials 290-291 (2005) 138-140.
Stefan., Chiriac R., Nicolicescu C., Ciobanu M., 2011.  “ Research  On  Synthesis  Of  Barium
Hexaferrite Powders Processed By Mechanical  Alloying ”  University  Of Craiova, Faculty Of  EMTS, Romania
Uin, 2013 “ Teknologi Material Komposit” UIN Malang, Malang
Ümit Özgür . , Yahya Alivov and Hadis Morkoç,
2009  “ Microwave  ferrites,  part  1: fundamental  properties ”  Journal  of Materials
Science: Materials in Electronics, Springer