Pengaruh Aditif Bi2O3 Terhadap Strukturmikro dan Sifat Magnet Barium Heksaferit (Ridwan)

## PENGARUH ADITIF Bi
2 O 3 TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MAGNET BARIUM HEKSAFERIT
Ridwan, Grace Tj. Sulungbudi dan Mujamilah Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
PENGARUH ADITIF Bi 2 O 3 TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN SIFAT MAGNET BARIUM HEKSAFERIT. Barium Heksaferit (BaO.6Fe 2 O 3 ) adalah salah satu bahan magnet permanen yang banyak digunakan di industri. Pengaruh aditif Bi 2 O 3 terhadap barium heksaferit dari prekursor gel dan di milling selama 10 jam dengan high-energy milling cenderung meningkatkan ukuran kristalit secara significant . Strukturmikro dan sifat magnetik barium heksaferit baik dengan maupun tanpa aditif Bi 2 O 3 hasil sintering pada suhu 800ºC selama 4 jam relatif sama, mengingat suhu sinter masih di bawah suhu leleh Bi 2 O 3 . Peningkatan suhu sinter sampai 1000ºC untuk 4 jam dan 10 jam, menunjukkan peningkatan ukuran grain yang sangat besar untuk bahan dengan aditif Bi 2 O 3 dibandingkan dengan bahan tanpa aditif yang diikuti dengan penurunan koersivitas intrinsik (Hci). Koersivitas intrinsik (Hc i ) barium heksaferit dengan aditif Bi 2 O 3 turun menjadi 50 %, sedangkan tanpa aditif hanya 10% dibandingkan cuplikan hasil sinter pada suhu 800ºC selama 4 jam.
Kata kunci : Barium heksaferit, aditif, Bi 2 O 3 , high-energy milling, koersivitas intrinsik

## ABSTRACT
THE EFFECT OF Bi 2 O 3 ADDITIVE ON MICROSTRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF BARIUM HEXAFERRITE. Barium hexaferrite (BaO.6Fe 2 O 3 ) is one of permanent magnet materials that used intensively in industry. The effect of additive Bi 2 O 3 on microstructure and magnetic properties of barium hexaferrite prepared from precursor gel and milling for 10 hours by high-energy milling increased the crystalite grain size singnificantly. Microstructure and magnetic properties of barium hexaferrite with and without additive Bi 2 O 3 sintered at 800ºC for 4 hours are almost comparatively the same, because the sintered temperature is still under the melting point of Bi 2 O 3 . As the sintered temperature increased to the 1000ºC for 4 hours and 15 hours, it show that grain size of barium hexaferrite added with Bi 2 O 3 progressively increased compared to the non additive followed by reducing the intrinsic coercivity (Hc i ). Intrinsic coersivity of added Bi 2 O 3 barium hexaferrite reduced to the 50%, while non-additive only for the 10% compared to the sample sintered at 800ºC for 4 hours.
Key words : Barium hexaferrite, additive, Bi 2 O 3 , high-energy milling, intrinsic coersivity

## PENDAHULUAN
Bahan magnet permanen barium heksaferit (BaO.6Fe 2 O 3 ) telah sangat dikenal dan banyak digunakan baik di industri maupun pada peralatan rumah tangga. Pemanfaatan bahan barium heksaferit ini secara luas, didukung oleh harganya yang murah, nilai koersivitas, saturasi magnet dan suhu transisi magnet (suhu Curie ,T c ) yang tinggi, sifat kimia yang stabil, dan tahan korosi [1,2]. Perkembangan teknologi preparasi bahan yang begitu pesat telah memungkinkan disintesis bahan barium heksaferit dengan ukuran yang sangat halus dalam rentang nanometer. Kombinasi proses sol-gel dan mechanical alloying adalah salah satu cara untuk mendapatkan bahan barium heksaferit dengan ukuran butiran yang sangat halus [3].
Seperti telah diketahui, sifat-sifat makroskopik seperti sifat magnet, listrik maupun mekanik bahan akan sangat bergantung pada struktur mikroskopiknya. Oleh sebab itu proses sintesis maupun komponen unsur-unsur yang terkandung di dalam bahan akan berpengaruh terhadap produk akhir yang dihasilkan. Pengaruh suhu dan lama sintering merupakan salah satu faktor yang sangat mempengaruhi pertumbuhan kristalit bahan.
Pertumbuhan kristalit ini dapat dipercepat ataupun dibatasi dengan menambahkan unsur-unsur tertentu ke dalam prekursor. Pada kegiatan ini telah diteliti pengaruh penambahan aditif Bi 2 O 3 ke dalam prekursor awal bahan BaO.6Fe 2 O 3 yang diperoleh dengan metode sol-gel . Untuk melihat pengaruh aditif pada fasa akhir barium
heksaferit yang terbentuk, maka proses sintesis telah dilakukan dengan variasi suhu sintering pada 800ºC dan 1000ºC serta dalam selang waktu sintering 4 jam dan 15 jam.
Identifikasi perubahan sistem fasa terkait dengan efek suhu dan lama sintering serta pengaruh aditif yang ditambahkan diukur dengan menggunakan teknik difraksi sinar-x. Perubahan sistem strukturmikro dari sistem fasa bahan BaO.6Fe 2 O 3 tentunya akan berpengaruh pada sifat magnetiknya. Oleh sebab itu dalam penelitian ini pengaruh aditif tersebut terhadap sistem strukturmikro dan sifat magnet bahan yang disintesis melalui proses sol-gel dan High-Energy Milling menjadi pokok bahasan di dalam makalah ini.

## METODE PERCOBAAN
Penyiapan prekursor BaO.6Fe 2 O 3 dengan metode sol-gel dilakukan dengan perbandingan nominal kandungan besi dan barium , Fe : Ba adalah 12 : 1. Bahan -bahan kimia yang digunakan adalah Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O , Ba(NO 3 ) 2 , C 2 H 2 O 4 dan etilena glikol, produk Merck dengan tingkat kemurnian pro analysis . Asam oksalat yang ditambahkan berfungsi sebagai ligan yang mengikat kation-kation logam yang kemudian membentuk polimerisasi dalam media etilena glikol pada suhu sekitar 40ºC. Setelah seluruh bagian besi maupun barium nitrat tersebut larut sambil dipanaskan hingga mencapai suhu 100ºC, maka akan terbentuk gel yang didahului oleh adanya reaksi eksotermal sehingga menambah tinggi suhu hingga 130ºC. Gel yang diperoleh pada tahap ini kemudian dikeringkan pada 250ºC, kemudian dipanaskan hingga 450ºC selama 2 jam, untuk menghilangkan prekursor organik yang ada.
Serbuk prekursor yang diperoleh di bagi ke dalam beberapa bagian yakni murni tanpa aditif, dan ditambah aditif Bi 2 O 3 sebanyak 1,0 % berat [1]. Kedua bacth serbuk ini masing-masing kemudian di milling selama 10 jam menggunakan high-energy milling , SPEX CertiPrep 8000M Mixer/ Mill yang terdapat di
Bidang Karakteristik dan Analisis Nuklir (BKAN)-Pustek
Bahan Industri Nuklir (PTBIN), Batan. Untuk menghindari kerusakan pada alat milling akibat peningkatan suhu motor yang terlalu tinggi, maka untuk setiap siklus milling selama 90 menit, proses dihentikan selama 1 jam gunakan pendinginan motor. Dalam proses milling ini vial serta bola yang digunakan terbuat dari stainless steel .
Serbuk yang telah melalui proses milling ini kemudian dibagi dalam beberapa bagian dan dikompaksi dalam bentuk pellet dengan tekanan kompaksi sekitar 7 ton/cm 2 . Pellet yang diperoleh kemudian dikelompokkan ke dalam dua bagian yakni murni tanpa aditif dan dengan aditif Bi 2 O 3 . Untuk masing-masing kelompok ini kemudian diproses sintering dengan suhu 800  C selama 4 jam, 1000  C selama 4 jam dan 1000  C selama 15 jam di dalam kondisi atmosfer udara biasa.
Identifikasi fasa bahan dilakukan berdasarkan data hasil pengukuran difraksi sinar-X menggunakan difraktometer sinar-X Shimadzu, di Bidang Bahan Industri Nuklir, PTBIN-BATANdengan target Cu-K  . Sebelum dilakukan pengukuran data difraksi sinar-X, pellet terlebih dahulu dihaluskan secara manual. Pengambilan data dilakukan dengan metode step-scanning dalam rentang sudut 2  = 20º sampai dengan 80º. Untuk menentukan ukuran kristalit berdasarkan data difraksi sinar-X, maka puncak-puncak tertentu dari pola difraksi yang terukur terutama yang tidak berimpit telah di- fitting menggunakan fungsi Lorentzian . Sedangkan karakterisasi sifat magnet bahan dilakukan dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) yang terdapat di BKAN, PTBIN- BATAN, dengan rentang medan magnet luar  1 Tesla pada suhu ruang, pertambahan kecepatan dan pengurangan medan magnet luar diatur sebesar 0,01 Tesla per-menit.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola difraksi sinar-X untuk bahan barium heksaferit baik tanpa aditif maupun dengan aditif Bi 2 O 3 hasil proses sintering pada suhu 800  C, 1000  C selama 4 jam, dan 1000  C selama 15 jam dapat di lihat pada Gambar 1, Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 1 . Pola difraksi BaO.6Fe 2 O 3 (1) tanpa aditif, (2) aditif Bi 2 O 3 , hasil sintering pada suhu In te n s it ie s (a rb .u n it ) 70 60 50 40 30 20 2  BaH800 1) Non-add 2) Bi 1 2 In te n s it ie s (a rb .u n it ) 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 2  B a H 1 0 00 4 j 1) N a d d 2) B i (1 ) (2 ) Gambar 2 . Pola difraksi BaO.6Fe 2 O 3 (1) tanpa aditif, (2) aditif Bi 2 O 3 , hasil sintering pada suhu 1000°C selama 4 jam.
in te n s it ie s (a rb .u n it ) 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 2  1 ) N a d d 1 0 0 0 1 5 2 ) B i1 0 0 0 1 5 1 2 Gambar 3 . Pola difraksi BaO.6Fe 2 O 3 (1) tanpa aditif, (2) aditif Bi 2 O 3 , hasil sintering pad suhu 1000°C selama 15 jam

## Pengaruh Aditif Bi2O3 Terhadap Strukturmikro dan Sifat Magnet Barium Heksaferit (Ridwan)
Identifikasi fasa berdasarkan pola difraksi sinar-X seperti ditunjukkan pada Gambar 1, Gambar 2 dan Gambar 3, jelas terlihat bahwa fasa BaO.6Fe 2 O 3 telah terbentuk baik untuk prekursor tanpa aditif, maupun menggunakan aditif Bi 2 O 3 . Pembentukan fasa heksaferit pada suhu cukup rendah untuk sistem bahan keramik ini sangat terkait dengan ukuran partikel prekursor yang sangat halus hasil proses milling [4]. Perubahan secara detail dari setiap fasa bahan terkait dengan proses sintering ditunjukkan oleh perubahan puncak difraksi bahan sesuai dengan suhu dan lama sintering , lihat Gambar 4a dan Gambar 4b.
Berdasarkan data difraksi sinar-X hasil pada penelitian ini, terlihat tinggi maupun lebar puncak difraksi bahan heksaferit non-aditif untuk suhu sintering 1000  C selama 4 jam atau 15 jam tidak berbeda banyak. Hal ini menunjukkan bahwa fasa maupun ukuran kristalit yang terbentuk relatif sama. Pertambahan lama waktu sintering tidak berpengaruh signifikan dalam pertumbuhan kristalit bahan non-aditif. Sebaliknya untuk bahan yang ditambahkan aditif, pertumbuhan kristalit selain dipengaruhi oleh suhu juga bergantung pada lama proses sintering yang dilakukan. Efek penambahan Bi 2 O 3 di atas 0,07% berat pada prekursor hasil milling , dapat mendorong pertumbuhan kristalit terutama untuk proses sintering pada suhu 1000  C. Akibat titik leleh Bi 2 O 3 (T m = 824  C), maka akan terbentuk suatu fasa cairan intermediasi atau sebagai binder antara partikel heksaferit sehingga mempercepat pertumbuhan kristal[5].
Apabila diasumsikan jumlah volume cuplikan dalam pengukuran difraksi sinar-x dianggap sama, maka berdasarkan peningkatan intensitas dan penyempitan lebar puncak difraksi menunjukkan terbentuknya fasa heksaferit dengan ukuran kristalit lebih besar akibat penambahan aditif Bi 2 O 3 dibandingkan dengan bahan tanpa aditif. Pertumbuhan kristalit ini terus berlangsung seiring dengan pertambahan lama waktu sintering dan ini terlihat dari pertambahan tinggi puncak difraksi untuk proses sintering pada suhu 1000  C selama 15 jam. Hal ini didukung oleh hasil pengamatan SEM seperti terlihat pada Gambar 5.
Mekanisme pembentukan fasa dan pertumbuhan kristalit bahan heksaferit baik sebagai efek perbedaan suhu maupun lama waktu sintering tentunya
akan mempengaruhi sifat-sifat magnetik BaO.6Fe 2 O 3 yang terbentuk. Hasil pengukuran kurva histeresis bahan dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dapat di lihat pada Gambar 6a dan Gambar 6b. Di sini kurva histeresis yang ditampilkan hanya pada kuadrant kedua.
Pada Gambar 6a dan Gambar 6b, ditunjukkan bahwa koersivitas magnet intrinsik (Hc i ) untuk semua bahan hampir sama pada suhu sintering 800  C/4jam (lihat juga Gambar 7a). Hasil pengukuran menunjukkan, koersivitas intrinsik tertinggi diperoleh pada proses sintering 800  C/4jam, namun remanen magnet (M r ) mempunyai harga paling rendah. Keadaan demikian ini sangat terkait dengan kondisi strukturmikro bahan seperti ditunjukkan pada pola difraksi sinar-x, Gambar 4a, dan Gambar 4b. Proses sintering pada suhu 800  C menghasilkan ukuran kristalit yang sangat halus namun sangat mungkin fasa heksaferit yang terbentuk masih belum sempurna. Hal ini terlihat dari puncak melebar dengan intensitas difraksi yang rendah.
Sifat magnet bahan menunjukkan perbedaan yang sangat besar terutama setelah mengalami sintering pada suhu 1000  C. Koersivitas intrinsik heksaferit non-aditif hanya menurun sedikit akibat kenaikan suhu sintering menjadi 1000  C, namun tidak berubah secara significant terhadap lama waktu sintering . Walau demikian nilai koersivitas intrinsik hexaferite non-aditif relatif tetap lebih besar dibandingkan dengan heksaferit dengan aditif, lihat Gambar 7b dan Gambar 7c.
Gambar 4 . Detail perubahan pola difraksi puncak utama untuk masing-masing bahan heksaferit a) non-aditif, b) aditif Bi 2 O 3 hasil sintering 800°C dan 1000°C selama
4 jam dan 1000°C selama 15 jam
300 250 200 150 100 50 in te n s it ie s 34.5 34.0 33.5 33.0 32.5 32.0 2theta BaH800 BaH1000 BaH100015 500 400 300 200 100 0 in te n is ti e s 34.5 34.0 33.5 33.0 32.5 32.0 2theta Ba H Bi80 0 Ba H Bi10 00 Ba H Bi10 0015
Gambar 6 . Kuadrant kedua kurva histeresis bahan heksaferit masing-masing a) non-aditif, b) aditif Bi 2 O 3 hasil sintering pada suhu 800°C /4jam, 1000°C /4jam dan 1000°C /15jam.
30 25 20 15 10 5 M (A m 2 /k g ) -500 -400 -300 -200 -100 H(kA/m) 800/4j 1000/4j 1000/15j (a) 30 25 20 15 10 5 M (A m 2 /k g ) -500 -400 -300 -200 -100 H(kA/m ) 800/4j 1000/4j 1000/15j (b) Gambar 5 . Strukturmikro BaO.6Fe 2 O 3 dengan aditif Bi 2 O 3 hasil pengamatan SEM, setelah proses sintering pada suhu 1000°C selama 15 jam.
Penurunan koersivitas magnet bahan BaO.6Fe 2 O 3 dengan kenaikan suhu sintering dan penambahan aditif sangat terkait dengan peningkatan ukuran kristalit [6]. Apabila dikaitkan dengan sistem strukturmikro bahan, maka peningkatan ukuran kristalit akibat peningkatan suhu dan lama waktu sintering yang menyebabkan penurunan koersivitas bahan sangat sesuai dengan hasil diperoleh dari penelitian sebelumnya [6,7].
Penurunan koersivitas intrinsik (Hc i ) paling besar terjadi untuk bahan dengan aditif Bi 2 O 3 dengan suhu sintering 1000  C ini mendukung analisa sebelumnya bahwa fasa cairan padat ( solid liquid phase ) Bi 2 O 3 yang meleleh pada suhu 824  C sebagai binder antara partikel barium heksaferit selama proses sintering [5], lihat Gambar 8.
Sehingga dapat menurunkan suhu sintering dan dapat meningkatkan kerapatan jenis [8], yang pada akhirnya mendorong pertumbuhan kristalit. Pada kurva histeresis seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 7, terlihat bahwa peningkatan suhu dan lama waktu
sintering , cenderung menambah tinggi M r untuk masing- masing kondisi cuplikan. Hal ini dapat dimengerti mengingat suhu sintering 1000  C merupakan suhu yang cukup ideal untuk pembentukan BaO.6Fe 2 O 3 dari sistem prekursor gel yang dilanjutkan dengan proses milling . Sehingga peningkatan suhu dan lama waktu sintering akan menyebabkan defect di dalam kristal menjadi berkurang, sehingga total momen magnet menjadi optimal. Ini mengingat pada suhu dan lama sintering yang lebih tinggi, memberikan kemungkinan terjadinya interdifusi atomik yang semakin baik, sehingga probabilitas semua atom menempati posisinya di dalam struktur kristal bahan semakin tinggi. Tingkat kesempurnaan struktur kristal bahan akan berpengaruh terhadap mekanisme interaksi momen magnet antar atom, sehingga momen magnet total cenderung akan meningkat. Hasil pengukuran sifat magnet terhadap suhu dan lama sintering dengan VSM (Gambar 7a, dan Gambar 7b), menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu dan lama proses sintering untuk semua komposisi bahan remanensi magnet (M r ) cenderung meningkat. Mengingat nilai M r sangat terkait dengan partikel magnet yang diukur, maka hasil pengukuran magnet ini bersesuaian dengan kondisi strukturmikro bahan di lihat dari data difraksi sinar-x yang terukur. Remanensi magnet bahan BaO.6Fe 2 O 3 dengan aditif Bi 2 O 3 cenderung lebih rendah dibandingkan dengan non-aditif tidak lain karena Bi 2 O 3 tidak bersifat magnet.

## KESIMPULAN
Efek aditif 1,0 wt % Bi 2 O 3 terhadap bahan BaO.6Fe 2 O 3 cenderung meningkatkan ukuran kristalit secara signifikan setelah melalui proses sintering pada suhu 1000  C, ini diakibatkan terbentuknya fasa cairan ( liquid phase ) dari Bi 2 O 3 yang meleleh pada suhu 824  C. Kenaikan ukuran kristalit bersesuaian dengan penurunan koersivitas intrinsik (Hc i ). Penambahan Bi 2 O 3 cenderung mempercepat pertumbuhan kristalit dan sekaligus
30 25 20 15 10 5 M r( A m 2 /k g ) -500 -400 -300 -200 -100 Hci(kA/m) Nadd Bi a) Sintering 800/4j 30 25 20 15 10 5 M (A m 2 /k g ) -500 -400 -300 -200 -100 H(kA/m) Nadd Bi b) Sintering 1000/4j 30 25 20 15 10 5 M (A m 2 /k g ) -500 -400 -300 -200 -100 H(kA/m) Nadd Bi c) Sintering-1000/15j Gambar 7 . Kuadran ke-dua kurva histeresis bahan BaO.6Fe 2 O 3 ; non-aditif dan aditif Bi 2 O 3 hasil sintering a) 800°C/4jam, b)1000°C/4jam, dan c) 1000°C/15 jam
Gambar 8 . Perubahan Koersivitas intrinsik
(ª%)BaO.6Fe 2 O 3 non-aditif dan (¨)BaO.6Fe 2 O 3 aditif Bi 2 O 3 dengan suhu sintering T1= 800°C/ 4 jam,
T2=1000°C/ 4 jam dan T3=1000°C/ 15 jam 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 T1 T2 T3 Suhu sintering K o e rs iv it a s In tr in s ik (k A /m )

## Pengaruh Aditif Bi2O3 Terhadap Strukturmikro dan Sifat Magnet Barium Heksaferit (Ridwan)
mendorong penurunan koersivitas intrinsik secara tajam. Sedangkan untuk bahan tanpa aditif, penurunan koersivitas intrinsik terhadap suhu dan lama sintering sangat kecil, mengingat ukuran kristalit relatif tidak berubah banyak. Sifat aditif Bi 2 O 3 yang berpengaruh terhadap mekanisme pertumbuhan butir maka dalam fraksi tertentu aditif Bi 2 O 3 ini akan sangat diperlukan dalam mengontrol ukuran butiran.

## DAFTAR ACUAN
[1]. STABLEIN, H., Hard Ferrites and Plastoferrites ,
3 ; Ed. E. P. Wohlfarth, North Holland Publishing
Company, Amsterdam, (1982)
[2]. KOJIMA, H., Fundamental Properties of Hexagonal Ferrites with Magnetoplumbite Structure , 3 ; Ed. E. P. Wohlfarth, North Holland
Publishing Company, Amsterdam, (1982)
[3]. ESTEVEZ RAMS, E., MARTINEZ GARCIA, R., REGUERA, E., MONTIEL SANCHEZ, E., and MADEIRA, H. Y., Structural Transformation with Milling on Sol-Gel Precursor for BaM Hexaferrite , 33 (2000) 2708-2715
[4]. RIDWAN, GRACE TJ. SULUNGBUDI dan MUJAMILAH, Efek Metode Sintesis Terhadap Sifat Magnet Bahan Barium Hexaferrite, Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan
Teknologi Bahan 2004 , (2004) 251-256
[5]. OVIDIU CALTUN, ALEXANDRU STANCU, CONSTANTIN PAPUSOI, The Temperature
Dependence of The Hysteresis Loop of Bi 2 O 3 Doped Ferrites , Analele Stiintifice Ale Universitat
II, Al. I. Cuza, Din IASI, (1999)
[6]. JANASI, S, R., EMURA, M., LANDGRAF, F, J, G., RODRIGUES, D., The Effects of Synthesis Variables on the Magnetic Properties of Coprecipated Barium Ferrite Powders , 238 (2002) 168-172
[7]. MENDOZA-SUAREZ, G., MATUTES-AQUINO, J. A., ESCALANTE-GARCIA, J.I., MANCHA MOLINAR, H., RIOS JARA, D., JOHAL, K.K. ., Magnetic Properties and Microstructure of
Baferrite Powders Prepared by Ball Milling , 223 (2001) 55-62
[8]. KLUG, H. P. and ALEXANDER, L. E., X-ray Diffraction Procedures , John Wiley & Sons Inc, London, (1962)
[9]. HONGGUO ZHANG, LONGTU LI, JI ZHOU, ZHENXING YUE, and ZHILUN GUI, 84 (12 ) (2001) 2889