Abstrak—Pembentukan  lapisan  tipis  TiC  pada  permukaan grafit  dilakukan  dengan  menggunakan  metode  PIRAC  (Powder Imersion  Reaction  Assisted  Coating)  melalui  proses  disfusional. Proses  difusi  dengan  titanium  saja  tidak  menghasilkan  lapisan TiC  selama  difusi  24  jam  pada  1000 o C  dalam  atmosfer  argon mengalir. Sedangkan dengan penambahan iodium 4% ke dalam serbuk titanium telah terbentuk lapisan tipis TiC selama proses 4 jam.  Analisis  XRD  dengan  menggunakan  metode  refinement (pencocokan)  Rietveld  menunjukkan  bahwa  lapisan  tipis  TiC yang  diperoleh  mempunyai  strukturrocksalt dengan  parameter kisi a=b=c=4,318657Å.
Kata Kunci—difusi, lapisan tipis, TiC.

## I. PENDAHULUAN
aterial refraktori  banyak  dimanfaatkan dalam bidang industri,  untuk  reaktor  nuklir  dan nozzle  rocket . Semula pada nozzle rocket digunakan material grafit yang  dimanfaatkan  pada  pemakaian  temperatur  tinggi. Akan tetapi  pada  kenyataannya,  material  grafit  sangat  mudah mengalami  oksidasi  pada  temperatur  tinggi  (>400 o C)  dalam lingkungan  yang  mengandung  oksigen  maupun  chlor [1] ,  dan sangat mudah tererosi (kekerasannya 1-2 skala mho) pada saat terkena  semburan  dari  partikel-partikel  hasil  pembakaran propelan  padat.  Oleh karena  itu  untuk  mereduksi  aspek  erosi pada  grafit  dapat  dilakukan  proses  pelapisan  dengan menggunakan  material  refraktori  yang  mempunyai ketahanan panas hingga 3000 o C dan ketahanan terhadap goresan ( scratch resistance ).  Dalam  hal  ini  material  yang  paling memungkinkan  adalah  dari  jenis  karbida.  Titanium  karbida merupakan  material  yang  cocok  sebagai  pelapis  grafit dikarenakan  ketersediaan  serbuk  metal  titanium  dan  proses sintesisnya.  Titanium  karbida  (TiC)  mempunyai  titik  leleh >3000 o C dan mempunyai kekerasan 9 dalam skala mho [2] . TiC merupakan jenis karbida interstitial. Struktur interstitial merupakan  ion  atau  atom  dari  elemen  non  metal  misalnya karbon  untuk  menempati  celah  intertitial  dalam  kisi  logam. Batas maksimum rasio jari-jari  antara atom karbon dan metal sebesar  0,59.  Titanium  memiliki  struktur  BCC ( Body  Centre Cubic ) pada temperatur yang  sangat  tinggi  (> 880 o C) dengan a o =  0,3307  nm.  Berdasarkan  struktur  tersebut,  titanium memiliki situs oktahedral yang menyediakan celah untuk atom karbon sehingga secara atomik, atom karbon akan berdifusi ke dalam  situs  oktahedral  titanium  dan  terbentuk  karbida interstitial yaitu titanium karbida [2] .
Proses pelapisan TiC ini dapat dilakukan dengan beberapa
Gambar 1. Skema PIRAC
Gambar 2. Mekanisme pembentukan TiC  dengan metode diffusional.
cara sputtering,  CVD  ( Chemical  Vapor  Deposition ),  PVD ( Physical  Vapor  Deposition ), spray  coating dan  PIRAC ( Powder  Immersion  Reaction  Assisted  Coating ) [3] .  Metode PIRAC  dilakukan  dengan  membenamkan  substrat  ke  dalam serbuk  logam  (gambar  1) [4] .  Keunggulan metode  ini karena proses  pelapisan  melalui  reaksi  kimia,  dalam  hal  TiC  antara titanium  dan  karbon  melalui  mekanisme  difusi  sehingga mempunyai  ikatan  yang  kuat [3] . Proses  PIRAC  dilakukan; pertama, substrat grafit dibenamkan dalam campuran titanium- yodium. Kedua,  sampel  diletakkan  kedalam  reaktor  berbahan stainless  steel  high  crhome yang  tertutup.  Ketiga,  digunakan tekanan  rendah  tidak  melebihi  10 -5 Pa  dan  perlakuan  panas dalam furnace dengan temperatur 800-1000 o C dalam keadaan vakum [3] .
Tahapan proses difusional pelapisan permukaan grafit dapat dijelaskan seperti berikut [5] .
a. Pada tahapan awal ion-ion titanium lepas dari partikel titanium  melalui  dua  kemungkinan,  melalui  aliran permukaan  dan  sublimasi  dan  pengembunan.  Ion-ion ini  tersebar  merata  di  permukaan  substrat  grafit  dan bereaksi  membentuk  lapisan  tipis  TiC  (mekanisme  1

## Pelapisan Permukaan Grafit dengan TiC melalui Proses Difusional
Farah Aulia Rahma Wati, Suasmoro Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail : suasm@physics.its.ac.id
M
a. b.
dan 2 gambar 1) b. Setelah  beberapa  waktu  dan  lapisan  TiC  sudah terbentuk,  perpindahan  ion-ion  Ti  melalui  dua  cara yang  disebutkan  di  a  tetap  berjalan.  Untuk  tetap bereaksi  dan  membentuk  lapisan  TiC,  ion  Ti  dan  C berdifusi melalui jaringan kisi TiC masing-masing ion Ti bergerak menuju permukaan substrat sedangkan ion C bergerak menuju ke permukaan (mekanisme 3 dan 4 dalam gambar 1).
Dalam  tulisan  ini  akan  dilaporkan  proses  pelapisan  grafit dengan  TiC  dengan  membenamkan  ( immersion )  grafit  ke dalam  serbuk titanium  dalam  kapsul stainless  steel dengan atmosfer argon dengan variasi perlakuan  adanya penambahan yodium.
II. METODE
Lapisan  tipis  TiC  diperoleh  dengan  terlebih  dahulu menyiapkan  grafit  yang dipotong  berbentuk  balok  (1x1x0,5 cm)  yang  mempunyai  densitas  2.09-2.23  g/cm 3 ,  titanium metalik  powder  >  98%  dan  iodine  ‘ sublimated  for  analysis ’ keduanya  disuplai  dari  Merck,  dan ZO-paint.  Kapsul  yang dipakai  terbuat  dari Stainless  Steel 316.  Atmosfer  reaksi adalah gas argon dengan kemurnian 99,999%.
Tahapan  eksperimen  dilakukan  dengan  menggunakan  dua macam  variasi.  Pertama  grafit  dibenamkan  kedalam  bubuk titanium  ditempatkan  pada crucible ,  kemudian  dipanaskan menggunakan turbular-furnace (gambar 3) dengan temperatur 1000 o C dalam atmosfer  argon  mengalir.  Kedua  grafit dibenamkan  dalam  bubuk  titanium  yang  dicampur  iodium (4%) dan ditempatkan dalam kapsul kemudian diproses seperti variasi pertama. Persiapan sampel cara kedua ini dilakukan di dalam‘ gloves box ’dan kapsul disegel ( sealed ) dengan ZOPaint pada penutupnya. Selama proses ini gas argon tetap mengalir. Karakterisasi  hasil coating dilakukan  menggunakan perangkat XRD Philips X’pert dengan radiasi CuKα. Analisis fase yang  terbentuk  dilakukan  dengan search-matched , sedangkan  analisis  kristalografi  dengan  metoda  pencocokan ( refinement )  Rietveld  menggunakan  software  Rietica. Selain itu,  adanya  lapisan  juga  dapat  diketahui  dari  karakterisasi SEM-EDX.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  proses  pelapisan  variasi  pertama  yang  dilaksanakan dengan  temperatur 1000 o C  selama  24  jam  untuk  grafit  tidak diamati  adanya  pelapisan  TiC  karena  secara  fisis terlihat terdapat bagian grafit yang terkisis. Dengan tidak berhasilnya melapiskan  TiC  pada  variasi  pertama  ini  dapat  disimpulkan bahwa Ti belum dapat bereaksi di permukaan grafit.
Dengan  cara  kedua,  pelapisan  dilakukan  dengan temperature1000 o C  selama  4  jam  dan  diperoleh  data  XRD seperti Gambar 4. Waktu pelapisan 2 jam menunjukkan sudah adanya fasa TiC yang terbentuk, sedangkan selama 4 jam pola difraksi  sinar  X menunjukkan pola difraksi  fasa tunggal  TiC. Data ini menunjukkan bahwa penambahan yodium (4%)
Gambar 3. Controlable Turbular Fernace dengan atmosfer gas mengalir
Gambar 4. Pola XRD dan hasil identifikasi pada sample grafit dan TiC yang Diproses dalam Atmosfer Argon Selama 4 Jam.
Gambar 5. Hasil SEM-EDX lapisan TiC pada substrat grafit dengan holding time selama 4 jam
menghasilkanuap  yodium  di  dalam  kapsul  dan  mempercepat reaksi  Ti  dengan  C.  Proses  pelapisan  selama  2  jam  masih menunjukkan bahwa TiC mulai terbentuk tetapi masih sangat tipis sehingga pola difraksinya masih teramati adanya puncak difraksi grafit.
Adanya  lapisan  TiC  yang  terbentuk  juga  dapat  diketahui berdasarkan  karakterisasi  SEM-EDX,  diperoleh  gambar  5. Terlihat bahwa lapisan yang mengandung titanium
Gambar 6. Hasil refinement pada sample TiC holding time 4 Jam dalam atmosfer argon.
ditunjukkan  berwarna  biru  sedangkan  substrat  grafit ditunjukkan  berwarna  hijau. Hal  ini  menunjukkan  bahwa lapisan TiC sudah terbentuk di atas per.mukaan grafit Lebih  lanjut,  dilakukan  analisis  XRD  dengan  metode refinement  (pencocokan)  Rietveld  menggunakan  software Rietica  untuk  lapisan  tipis  TiC  yang  terbentuk  diperoleh bahwa  TiC  holding  time  4  jam  mempunyai  struktur rocksalt dengan  parameter  kisi  a  =  b  =  c  =  4.318657Å.  Dari gambar  5 dan  terlihat bahwa data terukur  dan  terhitung  yang digunakan  memiliki  kecocokan  dan  bisa  dipastikan  bahwa grafit telah terlapisi TiC.
Tabel 1. Perbandingan hasil refinemen titanium karbida proses
2 jam dan 4 jam Variasi Holding Time 4 jam 2 jam Faktor R Bragg 0,04 0,45 Rwp 5,18 19,20 GOF 0,02641 0.1338 Parameter Kisi a  =  b  =  c  = 4.318657 Å a  =  b  =  c  = 4.320796 Å
IV. KESIMPULAN Berdasarkan  eksperimen yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan  bahwa  lapisan  tipis  TiC  terbentuk  pada permukaan  grafit  ketika  dilakukan  penambahan  yodium  pada suhu  1000 o C  dengan  holding  time  diatas  2  jam.  Iodium berfungsi  sebagai  katalis  yang  mempercepat  reaksi  antara atom Ti dan atom C.
UCAPAN  TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Suasmoro, DEA selaku dosen pembimbing dan tim riset dalam laboratorium  keramik  Fisika  ITS  serta  semua  pihak  yang terlibat dalam eksperimen ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Becker.  P,  F.Glenk,  M.  Kormann,  N.  Popovska,  B.J.M.  Etzold, Chlorination  of  titanium  carbide  for  the  processing  of  nanoporous carbon: Akinetic study, Chem. Eng. Journal 159 (2010) 236–241
[2] Pierson, Hugh O. 1996. Handbook of Refractory Carbides and Nitrides. New Jersey: Noyes Publication.
[3] Yin et al. 2005. Formation of Titanium Carbide on Graphite via Powder Immersion  Reaction  Assisted  Coating.  Meterial  Science  and Engineering A 396 (2005) 107-114
[4] Gutmanas  et  al.  1992.  Coating  of  Non  Oxide  Ceramics  by  Interaction with  Metal  Powders. Meterial  Science  and  Engineering  A 157  (1992) 233-241
[5] Suasmoro, M. Zainuri, F. A. Rahmawati, and Budiana, “Pelapisan Grafit dengan  Titanium  Karbida  dengan  Metoda  PIRAC  (Powder  Immersion Reaction Assisted Coating),” 29-30 Nop 2012 .