Efek High EnergyMilling Terhadap Koersivitas Magnet Intrinsik BaO.6Fe 2 O 3 (Ridwan)

## EFEK HIGH ENERGY MILLING TERHADAP KOERSIVITAS MAGNET INTRINSIK BaO.6Fe
2 O 3
Ridwan 1 , Akmal Johan 2 , Mujamilah 1 dan Wisnu Ari Adi 1
1 Puslitbang Iptek Bahan (P3IB) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang
2 Jurusan Fisika, FMIPA - UNSRI Jl. Raya Palembang, Prabumulih Km 32 Inderalaya, Palembang 30662

## ABSTRAK
EFEK HIGH ENERGY MILLING TERHADAP KOERSIVITAS MAGNET INTRINSIK BaO.6Fe 2 O 3 . Studi mengenai sifat magnet serbuk bahan BaO.6Fe 2 O 3 akibat proses penghalusan menggunakan higgh-energy milling yang diikuti oleh perlakuan annealing pada suhu 400 ºC, 600 ºC, 800 ºC, 1000 ºC dan 1100 ºC telah dilakukan. Penurunan sifat magnet bahan setelah di milling selama 30 jam disebabkan telah terjadi deformasi kristal bahan. Proses annealing terhadap serbuk hasil milling di bawah suhu 800 ºC selama 3 jam belum dapat mengembalikan sistem fasa sepenuhnya. Setelah suhu anneal ditingkatkan hingga 1000 ºC, fasa BaO.6Fe 2 O 3 tumbuh kembali dengan koersivitas intrinsik meningkat hingga H ci = 4,4 kOe, dibandingkan dengan koersivitas serbuk magnet sebelum proses milling H ci yang hanya 1,7 kOe. Peningkatan koersivitas intrinsik ini sangat terkait dengan ukuran partikel yang jauh lebih halus dibandingkan dengan yang tidak di milling . Annealing pada suhu 1100ºC, menunjukkan terjadi penurunan kembali koersivitas intrinsik H ci = 3,7 kOe, ini diperkirakan akibat adanya pertumbuhan kristalit.
Kata kunci : Barium heksaferit , high energy milling, koersivitas magnet

## ABSTRACT
HIGH ENERGY MILLING EFFECT ON INTRINSIC MAGNETIC COERSIVITY OF BaO.6Fe 2 O 3 . The magnetic properties of BaO.6Fe 2 O 3 fine powder milled by high-energy milling followed through annealing on 400ºC , 600ºC , 800ºC , 1000ºC and 1100ºC have been studied. The decreasing of magnetic properties for 30 hours milled samples is due to the deformation of crystalline materials. Annealing process of milled powders under 800ºC for 3 hours could not recover the phase system completely. After annealing temperature was increased to 1000ºC the BaO.6Fe 2 O 3 has been growth with the intrinsic coersivity increased to the H ci = 4.4 kOe, comparing to the powder magnet before milling that the H ci only 1.7 kOe. These coersivity enhancement was closed related to the particle sizes which are very finer compare to the particles sizes of unmilling powder. At annealing temperature 1100ºC, show that intrinsic coersivity decreased again to the H ci = 3.7 kOe, it may due to the crystal growth.
Key words : Barium hexaferrite, high energy milling, magnetic coersivity

## PENDAHULUAN
Barium heksaferit, BaO.6Fe 2 O 3 sudah sejak lama dikenal dan diaplikasikan sebagai magnet permanen. Untuk penggunaan dalam media penyimpanan data dengan kapasitas tinggi ( high density ), bahan magnet yang digunakan haruslah mempunyai koersivitas yang tinggi. Bahan heksaferit BaO.6Fe 2 O 3 merupakan salah satu bahan magnet yang memenuhi kriteria tersebut. Selain itu bahan sudah berbentuk oksida maka dalam penggunaannya tidak diperlukan adanya tambahan lapisan pelindung bahan sehingga jarak antara head dan media penyimpan data dapat berkurang sehingga sangat baik digunakan untuk suatu bahan penyimpan data kapasitas tinggi [1].
Salah satu cara untuk mendapatkan bahan heksaferit dengan koersivitas magnet yang tinggi adalah dengan memperhalus ukuran partikel sehingga mendekati ukuran partikel domain tunggal ( single domain ) sekitar  1 µm [2]. Berbagai teknik telah dilakukan untuk mendapatkan partikel halus BaO.6Fe 2 O 3 dalam ukuran skala nanometer ini; misalnya metode kopresipitasi kimia [3], metode kristalisasi glass[4], metode sonochemistry [5], sol-gel [6], metode high energy milling [7-8]. Semua metode yang telah disebutkan, kecuali metode hig energy milling disebut dengan pendekatan bottom-up sedangkan yang terakhir disebut dengan top-down [9].
Proses top-down menggunakan high energy milling untuk mendapatkan patikel dalam ukuran nanometer BaO.6Fe 2 O 3 sangat praktis karena tidak membutuhkan atmosfir gas mulia tertentu seperti halnya untuk bahan-bahan yang mengandung unsur tanah jarang yang mudah teroksidasi. Selain itu hampir semua paduan yang terbuat dari metal maupun keramik dapat dihaluskan dengan metode high energy milling ini [10-11].
Masalah utama yang sering dihadapi dalam proses milling ini adalah terjadinya kerusakan struktur kristal ( crystallographic damage ), serta adanya unsur pengotor yang berasal dari wadah yang digunakan pada waktu proses milling . Namun demikian uji coba yang telah dilakukan terhadap beberapa cuplikan yang dihaluskan dengan high energy milling , menunjukkan bahwa kontaminasi dari vial ataupun bola-bola yang digunakan sangat kecil. Identifikasi menggunakan difraksi sinar-x terhadap beberapa hasil milling tidak menunjukkan adanya fasa asing yang muncul [11], sehingga dapat diabaikan.
Dalam makalah ini akan dibahas efek milling terhadap sistem kristal BaO.6Fe 2 O 3 menggunakan high energy milling serta pengaruhnya terhadap sifat kemagnetan bahan. Titik berat pembahasan meliputi pengaruh suhu annealing terhadap sistem fasa partikel halus barium heksaferit hasil proses milling dan sifat magnetiknya.

## METODE PERCOBAAN
Serbuk barium heksaferit, BaO.6Fe 2 O 3 yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari P.T. Sumimagne , Cilegon-Banten. Berat serbuk di timbang seberat 10 gram dimasukkan ke dalam vial beserta bola-bola dengan jejari sekitar 1 cm yang terbuat dari bahan stainless steel . Peralatan high energy milling yang digunakan adalah SPEX CertiPrep 8000M Mixer/ Mill yang terdapat di Bidang Bahan Maju (BBM) - Puslitbang Iptek Bahan (P3IB), Batan. Proses milling dilakukan selama 30 jam dalam atmosfir udara dan setiap 1,5 jam (90 menit) proses dihentikan guna pendinginan motor penggerak dan bersamaan dengan itu serbuk di aduk kembali untuk menghindarkan pemadatan disisi mati ( dead edge ) bagian dalam vial . Serbuk hasil proses milling di bagi dalam beberapa bagian dan di tempatkan dalam suatu alumina boot yang selanjutnya dipanaskan dengan suhu 400 ºC, 600 ºC, 800 ºC, 1000 ºC, dan 1100 ºC selama 3 jam dalam atmosfir udara.
Identifikasi fasa bahan heksaferit baik sebelum maupun setelah proses milling serta sesudah mengalami annealing diukur menggunakan peralatan difraktometer sinar-x, ( XRD ) dengan target Cu-K  yang terdapat di BBM-P3IB, Batan. Sedangkan strukturmikro serbuk BaO.6Fe 2 O 3 sebelum dan sesudah miling , serta setelah melalui proses annealing pada suhu 1000 ºC selama 3 jam, telah diukur menggunakan Scanning Electron
Microcope ( SEM ) yang terdapat di Departemen Metalurgi, Universitas Indonesia. Untuk mengamati perubahan sifat kemagnetan bahan baik akibat proses milling maupun setelah melalui proses perlakuan panas diukur menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) yang terdapat di BBM-P3IB, Batan, dengan rentang medan magnet luar  1 Tesla pada suhu ruang, pertambahan kecepatan dan pengurangan medan magnet luar diatur sebesar 0,25 Tesla per-menit.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola difraksi sinar-x dari serbuk BaO.6Fe 2 O 3 sebelum dan setelah proses milling selama 30 jam dapat dilihat pada Gambar 1. Hasil identifikasi menunjukkan bahwa sebelum proses milling serbuk berfasa tunggal dengan struktur hexagonal magnetoplumbite ( M-type ) dengan space group P 63/mmc [12]. Seperti yang terlihat pada Gambar 1, BaO.6Fe 2 O 3 telah mengalami deformasi kristal, yang ditunjukkan oleh menurunnya puncak difraksi sedangkan pelebaran puncak difraksi dapat dikaitkan dengan semakin halusnya ukuran partikel setelah mengalami proses milling selama 30 jam.
Proses deformasi fasa yang dialami oleh BaO.6Fe 2 O 3 tentunya akan sangat berpengaruh pada sifat kemagnetan bahan. Pada Gambar 2, dapat di lihat kurva histeresis bahan sebelum dan sesudah
60 40 20 0 -20 -40 -60 M (e m u /g ra m ) -10 -5 0 5 10 H ( k Oe ) origin 30 jam Hci(kOe) Mr (emu/gr) origin 1,68
42,5 30 j 1,13 8,16
Gambar 2 . Kurva histeresis BaO.6Fe 2 O 3 sebelum dan sesudah melalui proses milling 30 jam.
In te n s it ie s (a rb . u n it ) 80 70 60 50 40 30 20 2  origin 30 jam
Gambar 1 . Pola difraksi sinar-X BaO.6Fe 2 O 3 sebelum dan sesudah mengalami proses milling selama 30 jam.
Efek High EnergyMilling Terhadap Koersivitas Magnet Intrinsik BaO.6Fe 2 O 3 (Ridwan)
proses milling 30 jam di ukur menggunakan VSM pada suhu ruang.
Berdasarkan data hasil pengukuran terlihat bahwa baik koersivitas intrinsik ( H ci ) maupun remanen magnet ( Mr ) menurun secara drastis setelah milling . Penurunan sifat fisis bahan akibat adanya cacat kristal setelah mengalami proses milling adalah problema utama yang dihadapi dalam sintesis bahan menggunakan metode top down . Salah saru cara yang ditempuh untuk memperbaiki struktur kristal serta menghilang internal stress akibat perlakuan mekanik pada sistem logam maupun keramik yang telah banyak diketahui adalah dengan perlakuan panas. Namun perlakuan panas selain memperbaiki struktur kristal bahan juga dapat mendorong terjadinya pertumbuhan kristalit. Ukuran kristalit yang besar melebihi ukuran single domain pada bahan heksaferit seperti telah diketahui dapat menyebabkan penurunan koersivitas magnet [13].
Dampak proses peningkatan suhu annealing terhadap sistem fasa BaO.6Fe 2 O 3 setelah mengalami proses milling selama 30 jam dapat dilihat dari perubahan pola difraksi sinar-x seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Proses annealing dilakukan pada suhu 400 ºC, 600 ºC, 800 ºC, 1000 ºC dan 1100 ºC selama 3 jam di dalam atmosfir udara. Annealing dibawah suhu 800 ºC selama 3 jam ternyata belum menunjukkan perubahan yang significant terhadap sistem fasa bahan. Hal ini ditunjukkan puncak-puncak difraksi yang masih relatif rendah. Namun demikian annealing pada suhu 800 ºC atau lebih tinggi terlihat sistem fasa tumbuh dengan baik. Puncak-puncak difraksi terlihat semakin tinggi dan lebih sempit. Sesuai dengan hasil sebelumnya [14], pada suhu annealing sekitar 800 ºC, fasa barium heksaferit mulai terbentuk dari precursor nya. Sistem fasa barium heksaferit sepenuhnya terbentuk kembali setelah serbuk halus hasil proses milling dipanaskan pada suhu 1000 ºC dan 1100 ºC.
Untuk menunjukkan perubahan strukturmikro serbuk BaO.6Fe 2 O 3 sebelum proses milling dan setelah milling yang diikuti dengan annealing pada suhu 1000 ºC selama 3 jam dapat dilihat dari citra hasil
pengamatan SEM pada Gambar 4. Pada Gambar 4b, terlihat bahwa partikel BaO.6Fe 2 O 3 hasil proses milling dan diikuti dengan annealing pada suhu 1000 ºC selama 3 jam sangat halus dan cenderung teraglomerasi.
Proses pembentukan kembali sistem fasa BaO.6Fe 2 O 3 melalui proses perlakuan panas ini, tentunya akan berdampak pada sifat kemagnetan bahan. Pada Gambar 5, dapat di lihat perubahan sifat magnetik bahan terkait dengan perubahan suhu annealing .
Berdasarkan kurva histeresis magnet BaO.6Fe 2 O 3 hasil milling dan di annealing kembali, tampak mempunyai korelasi yang erat dengan sistem struktur
a
Gambar 4 . Citra SEM serbuk Bao.6Fe 2 O 3 , a) sebelum proses milling , b) setelah proses milling 30 jam dan diikuti dengan annealing pada suhu 1000 ºC selama 3 jam.
b In te n s it ie s (a rb .u n it ) 80 70 60 50 40 30 20 2  Asmill 30 jam Ann 40 0 Ann 600 Ann 800 Ann 1 000 Ann 1100
Gambar 3 . Pola difraksi sinar-X BaO.6Fe 2 O 3 setelah di milling dan setelah melalui proses annealing pada suhu 400 ºC, 600 ºC, 800 ºC, 1000 ºC dan 1100 ºC
selama 3 jam
-60 -40 -20 0 20 40 60 M (e m u /g r) -10 -5 0 5 10 H(kOe) Ann400 Ann600 Ann800 Ann1000 Ann1100 Hci (kOe) Mr (emu/gr) Ann400 1,6 11,9 Ann600 2,1 16,4 Ann800 3,7 35,4 Ann1000 4,4 40,8 Ann1100 3,7 41,0
Gambar 5 . Kurva histeresis BaO.6Fe 2 O 3 hasil milling 30 jam dan di annealing pada suhu 400 ºC, 600 ºC,
800 ºC, 1000 ºC dan 1100 ºC selama 3 jam.
kristal seperti ditunjukkan oleh pola difraksi sinar-x pada Gambar 3. Terlihat bahwa sifat magnetik bahan ( H ci maupun Mr ) masih cukup rendah di bawah suhu annealing 800 ºC, ini menunjukkan bahwa fasa BaO.6Fe 2 O 3 belum terbentuk sepenuhnya. Suhu optimum untuk mendapatkan bahan magnet BaO.6Fe 2 O 3 dengan koersivitas intrinsik dan remanensi yang tinggi adalah pada 1000 ºC. Pemanasan pada suhu yang lebih tinggi 1100 ºC cenderung menurunkan kembali nilai koersivitas intrinsik bahan. Penurunan nilai koersivitas intrinsik magnet untuk serbuk yang di annealing pada suhu 1100 ºC adalah akibat pertumbuhan sistem kristalit bahan [16].
Bahan barium heksaferit dengan koersivitas dan remanensi yang tinggi sangat berpotensi untuk digunakan sebagai bonded magnet maupun media penyimpan data. Untuk mendapatkan magnet dengan energy product maximum ( BH ) max dibutuhkan magnet dengan remanensi dan kerapatan yang tinggi, oleh sebab itu proses annealing serbuk halus heksaferit secara konvensional sangat sulit untuk memperoleh bahan dengan koersivitas yang tinggi ( H ci = 6 kOe sampai dengan 7 kOe )[2]. Karena proses annealing pada suhu tinggi selalu cenderung memperbesar ukuran butiran kristalit. Oleh sebab itu salah satu cara untuk mendapatkan anisotropik heksaferit dapat ditempuh melalui proses kompaksi panas ( hot pressing ) [17].

## KESIMPULAN
Effek high energy milling terhadap serbuk BaO.6Fe 2 O 3 selain dapat memperhalus butiran namun juga dapat menyebabkan deformasi struktur kristal yang menyebabkan penurunan sifat magnet bahan. Proses rekristalisasi dapat dilakukan melalui proses pemanasan. Suhu annealing 1000 ºC dalam selang waktu pemanasan 3 jam memberikan peningkatan nilai koersivitas magnet intrinsik, Hc i = 4,4 kOe hampir 300% lebih tinggi dibandingkan dengan Hc i = 1,68 kOe sebelum proses milling . Peningkatan nilai koersivitas magnet intrinsik ini terkait dengan ukuran kristalit BaO.6Fe 2 O 3 yang semakin halus setelah proses milling . Nilai remanensi magnet ( Mr ) yang tidak jauh berbeda sebelum dan sesudah melalui proses milling yang diikuti annealing menunjukkan bahwa unsur pengotor di dalam serbuk hasil milling tidak cukup significant dan ini didukung oleh data difraksi sinar-x yang hanya berasal dari sistem fasa BaO.6Fe 2 O 3 .

## DAFTAR ACUAN
[1]. MITSUNORI MATSUMOTO, AKIMITSU MORISAKO, SHIGETO TAKEI, Journal of Alloys and Compounds 326 (2001) 215-220
[2]. KOJIMA, H., in Ferromagnetic Materials , Ed. Et. P. Wohlfarth 3 (1982) 305
[3]. JANASI, S, R., EMURA, M., LANDGRAF, F, J, G., RODRIGUES, D., J. Magn. Magn. Mater . 238 (2002) 168-172
[4]. ODA, K., YOSHIO, T., O-OKA, K., KANAMARU, F., J. Mater. Sci. Lett. 3 (1984) 1007
[5]. SHAFI, K. V. P., GEDANKE,A., NanoStructured Materials , 12, (1999) 29-34
[6]. ESTEVEZ RAMS, E., MARTINEZ GARCIA, R., REGUERA, E., MONTIEL SANCHEZ, H., and MADEIRA, H. Y., J. Phys. D : Appl. Phys . 33 (2000) 2708-2715
[7]. ZHIQIANG JIN, WEI TANG, JIANRONG ZHANG, HAO LIN, YOUWEI DU, J. Magn. Magn. Mater . 182 (1998) 231-237
[8]. MENDOZA-SUAREZ, G., MATUTES-AQUINO, J. A., ESCALANTE-GARCIA, J.I., MANCHA MOLINAR, H., RIOS JARA, D., JOHAL, K. K ., J.
Magn. Magn. Mater . 223 (2001) 55-62
[9]. GUOZHONG CAO, Nanostructures & Nanomaterials, synthesis, Properties
&Application , Imperial College Press, 57 Shelton Street, Covent Garden,London, 2004
[10]. MATTEAZZI, P., BASSET, D.,MIANI, F., and LECAER, G., ‘ Mechanosynthesis of Nanophase Materials, Nano Structured Materials, Pergamon Press Ltd., 2 (1997) 217 – 229
[11]. RIDWAN, GRACE TJ. SULUNGBUDI dan MUJAMILAH, Jurnal Sains Materi Indonesia , 6 , (2005) 6 – 10
[12]. JCPDS-International Center for Diffraction Data, PCPDF# 43-0002
[13]. CULLITY, B. D., Introduction to Magnetics Materials , Addison Wesley Publishing Company,
(1972)
[14]. TAE SIK CHO, JUNG HO JE, DO YOUNG NOH, Applied Physics Letter., 76 (2000)
[15]. DING, J.,MAURICE, D., MIAO, W. F., McCORMICK, P. G., STREET, R., J. Magn. Magn. Mater . 150 (1995) 417-420
[16]. ORON, M., and RAMON, P., IEEE Trans. Magn. 11 (1975) 1452.

## TANYAJAWAB

## Wita, Departemen Fisika - FMIPA UI
Pertanyaan
1. Apa yang membuat koersivitas meningkat dengan waktu milling yang lebih lama bila serbuk di annealing lebih dulu.
2. Berapa besar butir yang dihasilkan

## Jawaban
1. Lebih lama milling menyebabkan partikel/kristalit magnet bahan menjadi lebih halus sehingga pemanasan kembali terhadap serbuk setelah milling dapat mengembalikan sistem fasa bahan ke bentuk semula (sebelum milling ) namun dengan
Efek High EnergyMilling Terhadap Koersivitas Magnet Intrinsik BaO.6Fe 2 O 3 (Ridwan)
ukuran kristalit yang lebih halus (dalam skala nanometer). Efek nanometer inilah yang menyebabkan koersivitas meningkat dibandingkan
dengan koersivitas sebelum proses milling .
2. Ukuran butir yang diperoleh lebih kecil dari 100 nanometer.
Budhy Kurniawan, UI Pertanyaan
1. Apakah proses rekristalisasi sebagai akibat pemanasan menuju pada fase baru atau kembali ke fasa sebelum dipanaskan, apakah keistimewaannya.

## Jawaban
1. Efek pemanasan tidak terbentuk fasa baru, keistimewaannya adalah dengan proses milling dan dilanjutkan proses kristalisasi meningkatkan koersivitas hampir dua kali lebih besar dari koersivitas magnet sebelum milling .