Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
SUBSTITUSI Mn DAN Ti PADA STRUKTUR FASA MAGNETIK BARIUM HEXAFERRITE MELALUI TEKNIK PEMADUAN MEKANIK (MECHANICAL ALLOYING)

## Priyono K dan Azwar Manaf
Program Studi Ilmu Material, PPS-FMIPA UI Jl. Salemba Raya No. 4, Jakarta 10430

## ABSTRAK
SUBSTITUSI Mn DAN Ti PADA STRUKTUR FASA MAGNETIK BARIUM HEXAFERRITE MELALUI TEKNIK PEMADUAN MEKANIK (MECHANICAL ALLOYING) . Material dengan komposisi BaFe 12-x-y Mn x Ti y O19 (x,y = 0 hingga 2,5) telah berhasil dibuat melalui proses Mechanical Alloying . Sintesis material diawali dengan pembentukan fasa Fe 2-x-y Mn x Ti y O 3 oleh komponen pembentuk fasa Fe 2 O 3 , MnCO 3 dan TiO 2 melalui pemaduan mekanik yang berlangsung delapan jam dan diikuti pemanasan pada suhu 1300 o C. Fasa hasil sintesis ini dipadu bersama BaCO 3 menjadi komponen barium hexaferrite yang terbentuk setelah menjalani proses pemaduan selama 4 jam pada 1250 o C. Hasil identifikasi puncak pola difraksi menunjukkan secara baik terbentuknya fasa BaFe 12 O 19 tetapi mengalami perubahan parameter kisi pada kisaran a = 5,8487 Å hingga 5,9108 Å, sedangkan konstanta kisi c pada kisaran 22,8146 Å hingga 23,2093 Å yang disebabkan oleh substitusi secara parsial ion Fe oleh ion Mn dan ion Ti. Substitusi parsial ini juga mengakibatkan berubahnya sifat magnet keras menjadi lunak yang ditunjukkan dengan penurunan koersivitasnya secara signifikan.
Kata kunci : Mechanical alloying , Koersivitas, Magnet Ferit

## ABSTRACT
Mn AND Ti SUBSTITUTION IN BARIUM HEXAFERRITE MAGNETIC PHASE BY MECHANICAL ALLOYING. Material of BaFe 12-x-y Mn x Ti y O19 (x,y = 0 to 2.5) compositions have been succesfully sinthesized by a mechanical alloying process employing Fe 2-x-y Mn x Ti y O 3 and BaCO 3 components. Fe 2-x-y Mn x Ti y O 3 was first sinthesized using Fe 2 O 3 , MnCO 3 and TiO 2 by mechanical milling for 8 hours followed by heating the materials at suhue of 1300 0 C. Materials of Barium hexaferite phase were obtained after furnace heating the mechanically milled between Fe 2-x-y Mn x Ti y O 3 and BaCO 3 powders at 1250 0 C for 4 hrs. The phase formation was confirmed by XRD in which identification of difraction peaks showing pattern that belong to BaO.6(Fe 2 O 3 ) phase but with a change in lattice constants from a = 5.8487 Å to a = 23.2093 Å and c = 22.8146 Å to c = 23.2093 Å due to partial substitution of Fe by Mn and Ti ions. This partial substitution also promoted the change in magnetic behaviour of materials from hard magnets to soft magnets indicated by a significant decreases in coercivity.
Key words : Mechanical alloying, Coersivity, Magnetic ferrite

## PENDAHULUAN
Barium hexaferrite dengan rumus struktur BaO.6 Fe 2 O 3 telah diketahui sebagai senyawa magnetik memiliki fasa yang tepat untuk aplikasi magnet permanent. Sampai saat ini magnet permanen barium hexaferrite masih dipergunakan secara luas di berbagai produk industri. Loop histerisis magnet permanen jenis ini memiliki koersivitas yang relatif tidak besar sehingga senyawa tersebut juga berpeluang yang cukup baik untuk aplikasi media penyimpan data (magnetic recording) dan magneto optic materials [1]. Disamping itu material berbasis barium hexaferrite juga dipromosikan sebagai material magnet untuk aplikasi
pada frekuensi Ultra tinggi ( UHF ) dengan mensubstitusi ion Fe +3 dalam strukturnya dengan berbagai ion lain seperti Zn +2 , Ni +2 Co +2 , Ti +4 dan Mn +2 [2]. Penelitian tentang barium hexaferrite telah yang mensubstitusi ion Fe oleh ion Mn dan Ti mulai diteliti pada 1957 [3], karena efek Mn dan Ti kurang menguntungkan terhadap sifat sifat magnet permanen terutama energi produk maksimumnya, maka penelitian tentang hal tersebut terhenti. Pada tahun 2002, dilanjutkan penelitian tentang magnet tersebut untuk studi pada microwave [4]. Dari hasil studi diperoleh fasa BaFe 8.8 (Mn 1. Ti) 1.6 O 19 memiliki absorbsi microwave
Substitusi Mn dan Ti pada Struktur Fasa Magnetik Barium Hexaferrite Melalui Teknik Pemaduan Mekanik (Mechanical Alloying) ( Priyono K )
pada daerah frekuensi 8 GHz hingga 12 GHz. Penelitian juga dilakukan dengan sintesis pada Ba(MnTi) x Fe 12-2x O 19 (x = 0,0-2,0) dengan teknik sol gel [5].
Pada makalah ini disampaikan hasil studi subsitusi ion Fe dalam struktur BaO.6 Fe 2 O 3 oleh ion Mn dan Ti mencakup perubahan parameter kisi kristal dan sifat kemagnetan berdasarkan evaluasi loop histeresis sampel padatannya

## METODE PERCOBAAN
Preparasi material diawali dengan sintesis komposisi Fe 2-(x+y) Mn x Ti y O 3 dengan mencampurkan komponen-komponen material berupa serbuk Fe 2 O 3 , MnCO 3 dan TiO 2 kemurnian tinggi (> 99,9 %) sesuai dengan fraksi berat yang diperlukan oleh komposisi yang diinginkan. Serbuk material tersebut selanjutnya menjalani proses pencampuran dalam suatu mixer Retsch–MM200 yang berputar dengan kecepatan 1200 rpm selama 8 jam. Hasilnya adalah suatu serbuk yang homogen. Serbuk homogen kemudian menjalani proses mechanical alloying melalui alat high energy vibration ball mill selama 20 jam yang dilakukan di Universitas Diponegoro dan Universitas Indonesia.
Selanjutnya serbuk cuplikan ultra halus dibuat pellet dan menjalani proses sintering pada suhu1300 o C selama 4 jam untuk membentuk fasa Fe 2-(x+y) Mn x Ti y O 3 . Hasil pembentukan fasa dicampur dengan BaCO 3 melalui proses mechanical alloying dan dicetak dengan tekanan 12 ton serta dipanaskan 1250 o C selama 4 jam sehingga dihasilkan sampel padatan dengan densitas tinggi. Material magnetik yang terbentuk di miling kembali dan dikompaksi serta di sintering pada 1250 o C selama 4 jam untuk mendapatkan material magnet dengan ukuran 17 mm. Untuk mengidentifikasi fasa-fasa yang terdapat di dalam sampel digunakan XRD pada rentang sudut 2  dari 20 o hingga 80 o . Sifat magnetik material hasil substitusi diuji dengan permeagraph pada medan 1,2 T.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Studi subsitusi ion Ti dan Mn pada struktur Fe 2 O 3 secara bersamaan telah dipelajari secara sistematik dan telah dipublikasikan terdahulu [6]. Telah ditemukan bahwa bila fraksi berat Ti hampir sama dengan fraksi Mn diperoleh pola difraksi yang sesuai dan mirip dengan pola difraksi Fe 2 O 3 yang disebut sebagai pola Fe 2 O 3 termodifikasi disebabkan nilai parameter kisi yang berbeda berlaku sampai dengan fraksi berat total atom subsitusi mencapai 21,86 wt%. Sedangkan bila fraksi atom Ti > Mn diperoleh pola difraksi campuran mengikuti pola FeTiO 3 dan Fe 2 O 3. Pada Gambar 1 diperlihatkan pola difraksi senyawa BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 . Secara umum, ke lima senyawa subsitusi (x = y > 0) memiliki pola difraksi yang sama dengan pola difraksi senyawa BaO.6 Fe 2 O 3
menunjukkan bahwa pemaduan antara komponen BaCO 3 dan komponen Fe 2 O 3 termodifikasi dapat terjadi dengan baik. Meskipun demikian untuk cuplikan dengan x = y = 0,5, 1,0 dan 1,5 terdapat tambahan puncak difraksi (diberi huruf F) diidentifikasi berasal dari fasa Fe 2 O 3 termodifikasi [7].
Masih hadirnya fasa Fe 2 O 3 meskipun dalam fraksi yang minor diduga berasal dari komposisi material yang tidak stoikiometri bisa terjadi selama proses preparasi sampel barium hexaferrite , terutama pada tahapan penghalusan kembali material Fe 2 O 3 termodifikasi. Kajian lebih dalam terhadap fasa senyawa subsitusi dititikberatkan pada perubahan parameter kisi kristal menggunakan metode Cohen [8] yang hasilnya dirangkum dalam Tabel 1.
Pada Tabel 1 dari sampel berbagai komposisi hasil subsitusi menunjukkan bahwa terjadi penurunan nilai konstanta kisi kristal fasa utama dengan meningkatnya fraksi ion subsitusi (Ti dan Mn) terutama pada sampel dengan x = y = 2,0 dan 2,5. Penurunan konstanta kisi a dan kisi c memperkecil volume sel satuan fasa utama sebesar 2 % hingga 3 %.
Penurunan parameter kisi kristal ini dapat terjadi karena adanya perbedaan ukuran atom antara atom Fe dengan atom Ti dan Mn. Penurunan volume sel satuan fasa utama material tentu memberi efek lanjut terhadap nilai momen magnet total per satuan volume atau magnetisasi jenuh dari fasa utama. Masalah ini sedang dalam kajian lanjut dan akan dipublikasikan.
Loop histerisis
sampel magnet BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 (x=0, 0.5,1.0,1.5,2.0,2.5) ditunjukkan dalam Gambar 2 dan Tabel 2 merangkum beberapa nilai
Gambar 1 . Pola difraksi fasa BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 ( x = y = 0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 dan 2,5), M adalah puncak-puncak difraksi fasa BaFe 12 O 19 dan F fasa Fe 2 O 3 20 30 40 50 60 70 80 2 Theta In te n s it a s
a BaFe7Mn25Ti25O19 b BaFe8Mn2Ti2O19 c BaFe9Mn15Ti15O19 d BaFe10MnTiO19 e BaFe11Mn05Ti05O19 f BaFe12O19
M M M M M M M M M M M M M F F a b c d e f Tabel 1 . Parameter kisi bahan BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 ( x = 0; 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 dan 2,5) Sampel x = y Komposisi Senyawa a (Å) c (Å) Volume Sel (Å 3 ) 0.0 BaFe 12 O 19 5,8862 23,2093 696,4060 0,5 BaFe 11 Mn 0.5 Ti 0.5 O 19 5,9042 23,2408 701,6227 1,0 BaFe 10 Mn 1.0 Ti 1.0 O 19 5,9108 23,2809 704,4055 1,5 BaFe 9 Mn 1.5 Ti 1.5 O 19 5,9049 23,2046 700,6960 2,0 BaFe 8 Mn 2.0 Ti 2,0 O 19 5,8487 23,0040 681,4790 2,5 BaFe 7 Mn 2.5 Ti 2.5 O 19 5,8487 22,8146 675,8681
sifat magnetik yang diturunkan dari loop histeresis. Dari Tabel 2 terlihat bahwa magnetisasi jenuh mengalami penurunan secara sistematik dengan bertambahnya fraksi atom Mn dan Ti. Demikian juga dengan nilai remanen dan koersivitas, kedua-duanya menurun secara sistematik dengan meningkatnya fraksi atom Mn dan Ti.
Menurut Mones pada struktur BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 , ion Fe +3 diganti oleh ion Mn +2 dan ion Ti +4 . Ion Mn +2 menempati posisi spin down dari ion Fe +3 (3d o ) pada kisi tetrahedral (4f 1 ), sedangkan ion Ti +4 memposisikan diri pada posisi Fe +3 kisi oktahedralnya.
Hal ini akan mengakibatkan ion Mn +2 pada sisi tetrahedral tidak mengubah momen magnet total. Tidak demikian halnya dengan penggantian oleh ion Ti +4 pada posisi oktahedral ion Fe +3 yang mengakibatkan perubahan terhadap momen magnet totalnya. Oleh karena subsitusi ion Fe oleh ion Ti dan Mn telah menyebabkan penurunan volume sel satuannya, maka mengacu kepada hasil penelitian Mones dapat ditunjukkan bahwa laju penurunan momen magnet total fasa utama karena subsitusi oleh ion Ti adalah lebih besar dibanding laju penurunan volume sel satuannya sehingga magnetisasi total fasa utama menjadi lebih rendah.
Hasil pada Tabel 2 juga memperlihatkan bahwa dengan bertambahnya fraksi ion subsitusi menurunkan koersifitas magnet. Penurunan nilai koersifitas ini diperkirakan berasal dari perubahan medan anisotropi kristal karena pengaruh subsitusi ion Fe. Dalam hal ini penurunan konstanta anisotropi jauh lebih besar dibandingkan dengan penurunan nilai magnetisasi totalnya. Perubahan konstanta anisotropi inilah yang memberikan peluan kepada barium hexaferrite termodifikasi menjadi material magnetik yang dapat digunakan untuk aplikasi penyerapan energi gelombang frekuensi tinggi.

## KESIMPULAN
Dari hasil-hasil penelitian yang telah didiskusikan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 dapat disintesis melalui pemaduan mekanik teknik mechanical alloying dari komponen Fe 2 O 3 termodifikasi oleh ion Mn dan ion Ti dan komponen BaCO 3 setelah reaksi padat pada suhu 1250 o C. Subsitusi ion Fe 3+ pada struktur BaO.6 Fe 2 O 3 oleh ion Mn dan Ti menyebabkan terjadinya penurunan nilai konstanta kisi kristal dan volume sel satuan karena adanya perbedaan ukuran atom antara atom Fe dengan atom Ti dan Mn. Efek lanjut dari subsitusi adalah penurunan nilai magnetisasi total fasa utama dan koersivitas magnet.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih dan penghargaan diberikan setinggi tingginya kepada Direktorat Jendral pendidikan tinggi yang telah membiayai penelitian ini melewati
Tabel 2 . Parameter magnetik pada BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 (x=0, 0,5, 1,5 dan 2,5). Sampel x = y Komposisi Senyawa Saturasi Magnetik Tesla Remanent (M r ) Tesla Koersifitas magnetic (kA/m) 0.0 BaFe 12 O 19 0,48 0,27 142 0,5 BaFe 11 Mn 0,5 Ti 0,5 O 19 0,45 0,12 19
1,0
BaFe 10 Mn 1,0 Ti 1,0 O 19 0,44 0,10 6 1,5 BaFe 9 Mn 1,5 Ti 1,5 O 19 0,39 0,07 5 2,0 BaFe 8 Mn 2,0 Ti 2,0 O 19 0,35 0,03 3 2,5 BaFe 7 Mn 2,5 Ti 2,5 O 19 0,26 0,01 3
Gambar 2 . Karakteristik Loop Histerisis material magnet BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 (x=0, 0,5, 1,5 dan 2,5).
BaFe12O19 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 -600 -450 -300 -150 0 150 300 450 600 kA/m T e s la BaFe11Mn0.5Ti0.5O19T -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 -600 -450 -300 -150 0 150 300 450 600 kA/m T e s la BaFe7Mn2.5Ti2.5O19 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 -600 -450 -300 -150 0 150 300 450 600 kA/m T e s la BaFe9Mn1.5Ti1.5O19 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 -600 -450 -300 -150 0 150 300 450 600 kA/m T e s la
Substitusi Mn dan Ti pada Struktur Fasa Magnetik Barium Hexaferrite Melalui Teknik Pemaduan Mekanik (Mechanical Alloying) ( Priyono K )
program Hibah Pascasarjana Tahun anggaran 2006/2007. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Departmen Fisika Universitas Indonesia atas segala fasilitas penelitian preparasi serta karakterisasi yang disediakan.

## DAFTAR ACUAN
[1]. M. IMAMURA,Y. ITO, M FUJIKI, T. HASEGAWA and H. KUBOTA, IEEE Trans Magn. MAG.- 22, 5
(1986) 1185
[2]. Q.Q F, H.W. BAO. D.M. FANG. J.Z. WANG, X G. LI, J. Magn. Magn. Mat., 278 (2004) 122-126
[3]. A.H. MONES, E. BANK, Journal of Phys Chem. Solid, 2 (1957) 312
[4]. M.R. MESHRAM, B. SHINHA, N.K. AGRAWAL, P.S. MISRA, Antennas and Propagation Society Internationals, Symposium, IEEE , 2 (2002) 790
[5]. Y.S. HONG, C.M. HO, H.Y.HSU, C.T.LIU, J. Magn. Magn. Mat., 279 (2004) 401-410
[6]. PRIYONO, A. MANAF ,Kontribusi ion Mn dan Ti Dalam Pembentukan Fasa Ba(MnTi) x Fe 12-2x O 19 : Tinjauan pada Struktur dan Metallografi, Proc. SP MIPA 2006
[7]. PRIYONO, A. MANAF, Substitusi Mn dan Ti Pada Struktur Fasa Fe 2 O 3 Melalui Teknik Mechanical Alloying, Proc. Kentingan Physiscs Forum 4 th , 25-30
[8]. B.D. CULLITY, Elements of X-Ray Difraction ,
Addison-Wesley Publishing Company, (1978) 363-367