Material Magnetik Barium Heksaferit Tipe-M untuk Material Anti Radar pada Frekuensi S-Band (Priyono)
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

## MATERIAL MAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT TIPE-M UNTUK MATERIAL ANTI RADAR PADA FREKUENSI S-BAND
Priyono 1 dan Azwar Manaf 2
1 Jurusan Fisika, FMIPA - UNDIP Jl. Prof. H. Soedarto, SH Tembalang, Semarang 50275
2 Departemen Fisika, FMIPA - UI Kampus Baru UI, Depok 16424 e-mail : priyonocp@gmail.com

## ABSTRAK
MATERIALMAGNETIK BARIUM HEKSAFERIT TIPE-M UNTUK MATERIAL ANTI RADAR PADA FREKUENSI S-BAND . Dalam makalah ini dibahas preparasi dan evaluasi karakteristik senyawa material penyerap ( absorber) gelombang mikro dengan komposisi BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 (x = 0,0 hingga 1,5) yang diperoleh melalui proses subsitusi senyawa dasar barium heksaferit (BaO.6Fe 2 O 3 ) melalui alur pemaduan mekanik ( mechanical alloying ). Pembentukan fasa material penyerap diawali dengan substitusi ion Mn dan ion Ti terhadap ion Fe dalam komponen material Fe 2 O 3 pada suhu 1.300 o C. Material hasil substitusi dipadukan secara mekanik dengan komponen BaCO 3 untuk membentuk fasa heksaferit tipe-M setelah reaksi padat. Identifikasi puncak difraksi sinar-X dari material hasil pemaduan mekanik ini menunjukkan secara meyakinkan bahwa telah terbentuk material fasa tunggal BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 . Evaluasi material mencakup ukuran rata-rata butir dan karakteristik serapan gelombang mikro pada rentang frekuensi 1 GHz hingga 6 GHz. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa terjadi serapan gelombang pada frekuensi ~ 2.000 MHz dan ~ 3.500 MHz dengan koefisien refleksi yang relatif tinggi pada rentang frekuensi yang tersedia. Keberadaan ion Mn dan ion Ti mampu memperlebar frekuensi serapan terutama pada daerah 3.500 MHz.
Kata kunci : Material anti radar, Barium heksaferit tipe-M, Ukuran butir, Frekuensi S-band

## ABSTRACT
M-TYPE BARIUM HEXAFERRITE MAGNETIC MATERIALFORANTI RADAR MATERIALS AT S BAND FREQUENCY. In this paper, preparation and characteristic evaluation of microwave absorber materials of BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 (x = 0,0 - 1,5) compositions are discussed. The absorber material was obtained by a co-substitution of Mn and Ti to Fe in a Barium Hexaferrite (BaO.6Fe 2 O 3 ) basic compound through a mechanical alloying process. In this respect, a co-substitution of Mn and Ti ions for Fe was applied to Fe 2 O 3 component at a temperature ~ 1,300 o C. The substituted alloy component was further alloyed mechanically with BaCO 3 to form M-Type hexaferrite after the solid state reaction. Identification of X-ray diffraction peaks for the mechanically alloyed materials indicates confidently that a single phase BaFe 12-x-y Mn x Ti y O 19 material was formed. Materials characterization is covering the average grain sizes and absorption of microwaves in the frequency range 1-6 GHz. Absorption with a relatively high coefficient at frequencies ~ 2,000 MHz and ~ 3,500 MHz within the available frequency range was obtained. It is shown that the co-substitution of Mn and Ti ion able to widen the absorption frequency especially in the frequencies of about 3,500 MHz
Key words : Radar Absorber Materials (RAM), Type-M barium hexaferrites, Grain size, S-band frequency

## PENDAHULUAN
Sejalan dengan perkembangan teknologi elektronik dan teknologi informasi (TI) yang begitu pesat, ruang sekitar akan terpolusi oleh pembawa gelombang elektromagnetik (EM) berbagai frekuensi termasuk EM dengan frekuensi ultra tinggi (GHz). Perkembangan tersebut dapat mengancam berbagai sistem peralatan berbasis elektronik seperti sistem kontrol elektronik pada
peralatan telekomunikasi, kesehatan, transportasi udara dan laut tidak terkecuali bidang pertahanan dan keamanan (militer). Pada dua bidang disebut terakhir, sistem Radio Detection and Ranging ( RADAR ) [1] menjadi perangkat penting baik itu untuk pelengkap pengaturan lalu lintas udara maupun untuk mendeteksi obyek asing.
Untuk mengimbangi dampak dari perkembangan
TI yang pesat tersebut diperlukan sistem material yang dapat berperan sebagai penyanggah gelombang mikro ( microwave absorber ) termasuk frekuensi ultra tingi ( UHF ) seperti aplikasi untuk anti radar dari radiasi EM yang dipancarkan.
Magnet ferit [2-4] disamping memiliki permeabilitas, permitivitas dan magnetisasi spontan relatif tinggi, juga tersusun oleh komponen-komponen oksida sehingga juga memiliki resistivitas listrik yang tinggi atau isolator yang baik. Kombinasi sifat intrinsik antara sifat magnetik dan sifat listrik dari ferit seperti itu menempatkan material magnet ferit sebagai penyanggah gelombang-gelombang mikro termasuk gelombang dengan frekuensi yang digunakan dalam RADAR . Pada makalah ini dibahas beberapa hasil penerapan material magnetik ferit khususnya barium heksaferit mencakup preparasi melalui subsitusi ion Mn dan Ti, sifat magnetik dan karakteristik absorpsi khususnya gelombang EM pada rentang frekuensi sampai dengan 6 GHz.

## METODE PERCOBAAN
Penelitian diawali dengan preparasi material magnetik barium heksaferit pada komposisi BaFe 12- 2x (Mn,Ti) x O 19 (x=0 hingga 1,5). Preparasi dilakukan melalui teknik pemaduan mekanik ( mechanical alloying ). Komponen-komponen material yang menjalani pemaduan mekanik masing-masing adalah (Fe,Mn,Ti) 2 O 3 dan BaCO 3 . Pemaduan mekanik dilakukan dengan proses milling dalam alat vibration ball mill selama 60 jam diikuti dengan proses pemanasan pada berbagai suhu hingga 1.200 o C untuk pembentukan fasa utama. Material magnetik hasil sintesis dipelajari dengan metoda X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui strukturmikro material. Karakteristik serapan geombang elektro magnetik dari material magnetik BaFe 12-2x (Mn,Ti) x O 19 dievaluasi menggunakan Vector Network Analyser (HP 8753ES) pada kisaran frekuensi 1 GHz hingga 6 GHz.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Strukturmikro BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19
Gambar 1 memperlihatkan pola difraksi material magnetik Barium Hexaferrite sebelum dan sesuadah kristalisasi pada suhu hingga 1.200 o C. Sebelum tahapan kristalisasi, terlihat pola difraksi hanya memiliki beberapa puncak difraksi yang melebar menunjukkan fasa material masih belum terbentuk sempurna, sebagian besar masih dalam bentuk inti dan klaster fasa stabilnya, juga sesudah pemanasan pada suhu 200 o C. Pada suhu yang lebih tinggi terutama suhu sampai dengan 1.000 o C, puncak-puncak difraksi bertambah tajam secara intensif menunjukkan terjadinya kristalisasi dan pertumbuhan ukuran fasa utama. Pola
difraksi dengan pertumbuhan puncak-puncak difraksi yang lebih intensif diperoleh dari material sesuadah kristalisasi pada suhu 1.200 o C dimana hasil identifikasi memastikan bahwa keseluruhan puncak difraksi sesuai dengan pola difraksi fasa BaFe 12 O 19 [5,6]. Dengan demikian dipastikan bahwa material merupakan material fasa tunggal ( single phase material ).
Pembentukan fasa tunggal material sebagaimana hasil Gambar 1 terjadi pada suhu kristalisasi di atas 760 o C yaitu suatu suhu relatif tinggi. Energi kalor yang diterima material pada suhu di atas 760 o C digunakan untuk pembentukan dan pertumbuhan fasa.
Pada Gambar 2 dapat dilihat intensitas puncak difraksi salah satu bidang kristal BaFe 12 O 19 meningkat disertai dengan pengurangan lebar puncak difraksi karena pertumbuhan ukuran rata-rata kristal material. Dari evaluasi lebar puncak difraksi yang diambil melalui step scanning dan formula Scherrer diperoleh bahwa ukuran rata-rata kristal pada suhu 800 o C, 1.000 o C berturut-turut adalah ~ 45 nm dan ~ 80 nm.Ukuran rata- rata butir ( grain ) material magnetik terutama magnet permanen berpengaruh kepada sifat magnetik material. Banyak hasil penelitian memperlihatkan bahwa magnetisasi remanen meningkat dengan menurunnya ukuran rata-rata grain [7] dikarenakan interaksi antar butir ( grain exchange interaction ). Interaksi grain juga
20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 Theta M (1 0 2 ) M (0 0 6) M (1 1 0 ) M (1 1 2 ) M (1 0 7 ) M (1 1 4 ) M (2 0 3 ) M (2 0 5 ) M (2 0 6 ) 200 C 750 C 900 C 1000 1200 C F(0 1 2) F(0 1 4) F(1 1 0) F(1 1 3) F(2 0 2) Non Sintering In te n si ta s Gambar 1 . Pola difraksi BaFe 12 O 19 (x = 0) sebelum dan sesudah kristalisasi selama 60 menit
36.7 36.9
37.1
37.3 37.5
37.7 2 The ta 1000C 900C 750C In te n si ty
Gambar 2 . Peningkatan intensitas puncak difraksi karena kristalisasi dan pertumbuhan kristal utama pada pemanasan 750 o C, 900 o C dan 1.000 o C selama 1 jam
Material Magnetik Barium Heksaferit Tipe-M untuk Material Anti Radar pada Frekuensi S-Band (Priyono)
intensitas gelombang balik pada rentang frekuensi yang lebih lebar melebihi frekuensi alat ukur yang tersedia yaitu 6 GHz. Karakteristik yang semacam ini dengan tegas memperlihatkan efek substitusi ion Fe oleh Mn dan Ti adalah memperkecil intensitas gelombang refleksi. Makin besar fraksi ion tersubstitusi oleh Mn dan Ti makin rendah intensitas gelombang yang dikembalikan. Dengan perkataan lain, sebagian besar gelombang EM terserap oleh material
Besarnya transmitansi elektromagnetik yang diteruskan setelah melalui sampel diperlihatkan dalam Gambar 5. Terjadinya penurunan intensitas transmisi pada frekuensi di atas 3,5 GHz oleh material dengan substitusi menandakan bahwa sebagian besar intensitas radiasi diserap oleh material pada jangkau frekuensi tertentu.
Hasil kalkulasi reflection loss , RL menggunakan persamaan RL = 20 Log      dimana Z adalah impedansi material dan Z 0 sebagai impedansi udara ditunjukkan pada Gambar 6. Reflection loss untuk material tak tersubstitusi memiliki reflektansi yang paling rendah, sedangkan pada ketiga grafik (x = 0,5; 1,0 dan 1,5) memiliki reflection loss pada dua puncak maksimum ~ 1.800 MHz dan ~ 3.000 MHz. Pada puncak maksimum pertama returned loss memiliki lebar frekuensi yang relatif sama, sedangkan pada puncak ~ 3.000 MHz terjadi pelebaran puncak dengan bertambahnya fraksi ion Mn dan ion Ti.
memberi efek lain terhadap nilai koersivitas karena penurunan nilai konstanta anisotropi [8]. Kedua efek ini sangat menguntungkan bagi barium heksaferit yang pada awalnya berperan sebagai magnet permanen dapat berfungsi ganda sebagai magnet tidak permanen. Lebih jauh, oleh karena barium heksaferit terdiri dari senyawa oksida, maka nilai resistivitas listriknya relatif tinggi [9] memberi kemampuan untuk meyerap gelombang EM ( microwave absorber ) [10]. Namun demikian, diperlukan strukturmikro yang tepat untuk menjadikan material ini sebagai absorber . Suhu kristalisasi 1.200 o C digunakan untuk mempersiapkan material barium heksaferit termasuk sebagian ion Fe disubsitusi oleh ion Mn dan Ti untuk mencapai karakteristik yang diperlukan sebagai absorber .
Gambar 3 memperlihatkan pola difraksi senyawa dengan x = 0; 0,5; 1,0 dan 1,5. Keempat senyawa memiliki pola difraksi yang sama dengan BaFe 12 O 19 . Dengan perkataan lain, subsitusi parsial oleh Mn dan Ti tidak menyebabkan perubahan fasa kecuali sifat magnetnya [11]. Dengan demikian diketahui bahwa pengaruh subsitusi parsial ion Fe oleh Mn dan Ti sedikit menurunkan nilai magnetisasi total tetapi secara signifikan menurunkan nilai koersivitas. Sifat magnetik yang semacam ini dari material berbasis ferit diperlukan untuk aplikasi sebagai penyerap gelombang EM.

## Serapan Elektromagnetik Fasa
BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19
Gambar 4 memperlihatkan efek substitusi ion Mn dan ion Ti pada material terhadap reflektansi gelombang mikro pada rentang frekuensi 1 GHz hingga 6 GHz dibandingkan dengan karakteristik refleksi untuk material yang sama tetapi tanpa substitusi.
Pada frekuensi lebih dari 3,5 GHz terlihat perbedaan karakteristik reflektansi antara senyawa dengan subsitusi Mn dan Ti dan non-subsitusi yaitu terdapat refleksi dengan intensitas relatif kecil (-16 dB) pada rentang frekuensi yang relatif lebar oleh material dengan substitusi. Lebih jauh untuk material substitusi dengan fraksi x = 1,5 (at.%) memperlihatkan pelebaran
20 30 40 50 60 70 2 Theta x = 0.0 x = 0.5 x = 1.0 x = 1.5 In te n si ty Gambar 3 . Pola XRD pada sampel BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 (x = 0,0, 0,5, 1,0 dan 1,5)
- 18 - 16 - 14 - 12 - 10 - 8 - 6 - 4 - 2 0 500 1500
2500 3500 4500 5500 6500 Frequency d B x=0.0 x=0.5 x=1.0 x=1.5
Gambar 4 . Perbedaan reflektansi gelombang elektromagnetik oleh fasa BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 (x = 0,0, 0,5 , 1,0 dan 1,5) -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 500 1500 2500 3500 4500 5500 6500 Frequency d B x= 0.0 x= 0.5 x=1.0 x= 1.5
Gambar 5 . Perbedaan transmitansi gelombang elektromagnetik fasa BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 (x = 0,0, 0,5,
1,0 dan 1,5)

## KESIMPULAN
Penyerap gelombang mikro pada frekuensi S band dapat diperoleh dari material barium heksaferit tipe M dengan komposisi BaFe 12-2x Mn x Ti x O 19 . Material penyerap diperoleh melalui pemaduan mekanik antara komponen Fe 2 O 3 yang disubsitusi secara parsial oleh ion Mn +2 dan ion Ti +4 dan komponen BaCO 3 setelah reaksi padat pada suhu ~750 o C meskipun reaksi sempurna terjadi pada 1.200 0 C. Meningkatnya fraksi ion Mn dan Ti pada material penyerap tidak mempengaruhi karakteristik serapan pada frekuensi S-band kecuali pada frekuensi lebih tinggi dari 2,5 GHz peningkatan fraksi ion subsitusi memperlebar jangkau frekuensi serapan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis pertama mengucapkan terima kasih kepada UNDIP atas pemberian izin untuk studi program Doktor di Program Studi Ilmu Material - UI. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Republik Indonesia atas pendanaan dibawah kontrak No. 522J/DRPM-UI/A/N1.4/2009.

## DAFTAR ACUAN
[1]. D. DUBRUNFAUT, S. ZOUHDI, A. F. FOURIER LAMER, E. BRANDO and H. VINCENT, Eur. Phys. J., 8 (1999) 159-162
[2]. H. YANFEI, G. RONG ZHOU, YAN NIE, H. HUAHUI, Z. ZHENSEHENH, J. of App. Phys ., 98 (2005) 08403
[3]. BURKET.F.DALBY,T.G.HANSEN,W.P.VINCENT, Radar Camouflage Symposium , Orlando, 18-20 Nov 1980. No.AFWAL-TR 81 (1980) 327-336
[4]. C. F. LUIZA M and C. REZENDE, Materials Research , 11 (3) (2008) 245-249
[5]. PRIYONO dan A. MANAF, Substitusi Mn dan Ti Pada Struktur Fasa Fe 2 O 3 Melalui Teknik Mechanical Alloying, Proc. Kentingan Physiscs Forum 4 th , (2007) 25-30
[6]. T. TOYODA, K.KITAGAWA, K. YAMAWAKI, T. HANASHIMA, S. SASAKI, P.D. SIDDONS, J. of The Ceramics Society of Japan Supplement, 112 (1) (2004) 1455-1458
[7]. PRIYONO dan A. MANAF, Pembentukan Nanophase Barium Hexaferrite Tersubstitusi Ion Mn dan ion Ti dengan Metoda Alloy Mekanik, Proc. SENAMM2, 01 (2008) 78-84
[8]. H. FUKUNAGAand HIROSHI INOUE, Jpn. J. Appl. Phys. , 31 (1992) 1347-1352
[9]. J. SMITH and H.P. WIHN, Physical properties of Ferrimagnetic oxides in Relation Their Technical Application , Phillips res. Lab. Endoven, (1957)
[10]. Z. W. LI and LIN-FENG CHEN, J. of Appl. Phys ., 92 (07) (2002)
[11]. PRIYONO dan A. MANAF, Jurnal Sains Materi Indonesia, Edisi Khusus Oktober 2007 (2007) 144-147
[12]. P. SINGH, V.K. BABBAR,A. RASDAN, Journal of Mat. Sci., 41 (7) (2006) 190-7196
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Frekuensi MHz R e fl e c ti o n lo o s ( d B ) 1 2 3 4
1 (x=non) 2 (x=0.5) 3 (x=1.0)
4 (x=1.5)
Gambar 6 . Reflection loss pada material
BaFe 12-2x MnxTi x O 19 (x = 0,0, 0,5, 1,0 dan 1,5) pada ketebalam 1,2 mm