268 Nur Afifah Zen / Karakterisasi Struktur dan Sifat Magnetik Manganese Ferrite Sebagan Bahan Magnet Permanen Isotropik

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014

ISSN : 0853-0823

Karakterisasi Struktur dan Sifat Magnetik Manganese Ferrite sebagai

Bahan Magnet Permanen Isotropik

Nur Afifah Zen, Wahyu Widanarto, dan Wahyu Tri Cahyanto Program Studi Fisika, Universitas Jenderal Soedirman Jl. Dr. Soeparno 61 Purwokerto 53123, Indonesia wahyu.widanarto@unsoed.ac.id

Abstrak – Pembuatan manganese ferrite telah dilakukan menggunakan reaksi padatan pada suhu sintering 800°C dan

1100°C dengan komposisi bahan ferit (100-x)Fe2O3:x MnO2 ( x=0, 10, 20, 30) dalam wt% . Bahan baku yang digunakan

adalah Fe2O3 yang diperoleh dari Fe3O4 alam dan komersial MnO2. XRD dan permagraf masing-masing digunakan

untuk karakterisasi struktur dan sifat magnetik manganese ferrite yang dihasilkan. Hasil karakterisasi menunjukkan

bahwa penambahan MnO2 pada Fe2O3 menghasilkan MnFe2O4 dengan struktur kristal jacobsite. Fasa ini menjadi

dominan pada penambahan 30% MnO2. Kurva histerisis menunjukkan bahwa nilai induksi remanen sampel meningkat

dan nilai produk energi maksimum menurun dengan meningkatnya penambahan MnO2 karena Mn2+

merupakan logam

kation yang memiliki kestabilan kompleks kation organik lebih kecil dibandingkan Fe2+

. Manganese ferrite yang

dihasilkan termasuk dalam karakteristik magnet lunak.

Kata kunci: Manganese ferrite, Fe2O3, MnO2, X-RD, Permagraf

Abstract – Manganese Ferrite have been made using solid state reaction at a gradually temperature sintering of 800°C

and 1100°C with composition (100-x) Fe2O3:x MnO2 (x=0, 10, 20, 30) in wt%. Fe2O3 derived from natural Fe3O4 and

commercial MnO2 are used as raw materials. XRD and permagraph are used to characterize the structural and magnetic

properties of the resulted manganese ferrites. The characterization results show that incorporation of MnO2 into Fe2O3

generates a phase of MnFe2O4 with Jacobsite crystal structure. This phase becomes dominant with the MnO2 addition of

30%. The hysteresis curves show that values of the remanent induction increase and the maximum energy product

decrease with increasing concentration of MnO2 because Mn2+

is a cation metal which has stability of organic cations

complex smaller than Fe2+

. The resulted manganese ferrites exhibit soft magnetic performance.

Keyword: Manganese ferrite, Fe2O3, MnO2, X-RD, Permagraph

I. PENDAHULUAN

Pasir Besi merupakan salah satu sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan agar memiliki nilai jual yang optimal. Pasir besi memiliki mineral-mineral magnetik seperti magnetit (Fe3O4), hematit (α-Fe2O3) dan maghemit (γ-Fe2O3). Ketiga mineral tersebut dapat dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan magnet permanen [1]. Salah satu potensi pasir besi yang dapat dioptimalkan yaitu terletak di pantai Widarapayung kecamatan Binangun kabupaten Cilacap. Pasir tersebut mengandung mineral magnetik berupa magnetit [2].

Magnet ferit mempunyai sifat mekanik yang kuat dan tidak mudah terkorosi dengan tingkat kestabilan terhadap pengaruh medan luar serta temperatur yang cukup baik[3]. Penelitian magnet permanen ferit yang telah banyak dikaji yaitu barium hexaferrite yang termasuk dalam ferit keras [4]. Seiring dengan perkembangan teknologi pengolahan material, pasir besi dapat dibuat dalam bentuk ferit lunak yaitu manganese ferrite. Manganese ferrite memiliki struktur MnFe2O4 di mana pembuatannya menggunakan serbuk mineral mangan. Mangan memiliki titik leleh yang cukup tinggi yaitu 1244°C sehingga dapat bertahan jika diberi perlakuan panas yang tinggi.

Selanjutnya, penelitian tentang variasi konsentrasi doping mangan terhadap karakterisasi struktur dan sifat magnetik manganese ferrite menjadi topik yang menarik

untuk dilakukan. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan fasa MnFe2O4 dengan struktur kristal jacobsite dan mengetahui pengaruh konsentrasi doping MnO2 yang diberikan pada Fe2O3. Pembuatan manganese

ferrite dilakukan menggunakan proses isotropik di mana lebih mudah dibandingkan anisotropik karena proses pencetakannya dilakukan secara cetak kering (reaksi padatan) tanpa dilakukan orientasi partikel dalam medan magnet [5]. II. METODE EKSPERIMEN

Penelitian dilakukan menjadi dua tahapan yaitu pembuatan manganese ferrite dan karakterisasi. Pembuatan manganese ferrite meliputi beberapa tahapan yaitu milling, annealing, pendopingan, kompaksi, presintering dan sintering. Komposisi pembuatan manganese ferrite dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi pembuatan manganese ferrite.

Sampel Fe2O3 (gram) MnO2 (gram) PVA (gram)

MnF1 5,0 0 0,12

MnF2 4,5 0,5 0,12

MnF3 4,0 1,0 0,12

MnF4 3,5 1,5 0,12

Nur Afifah Zen / Karakterisasi Struktur dan Sifat Magnetik Manganese Ferrite Sebagan Bahan Magnet Permanen Isotropik 269

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014

ISSN : 0853-0823

Milling dilakukan menggunakan High Energy Milling

E3D (HEM-E3D). Milling bertujuan untuk mendapatkan sampel pasir dalam ukuran yang kecil. Fe3O4 yang telah dimilling kemudian diberi perlakuan annealing untuk mengubah Fe3O4 menjadi Fe2O3. MnO2 digunakan sebagai doping pada Fe2O3 dengan komposisi yang terdapat pada Tabel 1. Sampel kemudian dikompaksi atau dipadatkan agar serbuk dapat menempel satu sama lain sebelum ditingkatkan ikatannya saat proses presintering dan sintering [6]. Kompaksi dilakukan menggunakan alat pressing yang memiliki diameter 0,8 cm. Presintering dilakukan pada suhu 800°C dan ditahan selama 3 jam atau yang bertujuan untuk menghilangkan impuritas pada sampel [7]. Pada proses presintering berlangsung penyebaran oksigen sehingga terjadi proses kimia dan terbentuk struktur kristalografi yang seragam [8]. Sebelum sampel diberi perlakuan panas yang lebih tinggi/sintering perlu ditambahkan polyvinyl alcohol (PVA) sebagai perekat. Proses sintering dilakukan secara bertingkat yaitu suhu 800°C dan 1100°C.

Karakterisasi yang digunakan pada pengujian sampel yaitu X-RD dan permagraf. X-RD digunakan untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk karena sinar-X memiliki panjang gelombang yang hampir sama dengan jarak antar atom dalam kristal sekitar 0,1 nm [9]. Karakterisasi menggunakan permagraf akan menghasilkan kurva histerisis. Alat permagraf yang digunakan pada karakterisasi adalah Magnet-Physik Dr. Steingroever GmBH Permagraf C. Pada saat pengukuran berlangsung terjadi proses magnetisasi sampel di mana setelah pengukuran sampel sudah memiliki sifat bahan magnet permanen [5].

Gambar 1. Skema sintering bertingkat pembuatan manganese

ferrite.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Serbuk Fe3O4 diperoleh dari pasir pantai di kecamatan Binangun. Proses pemisahan pasir besi dengan pengotor pada pasir pantai dilakukan secara sederhana. Serbuk Fe3O4 kemudian diubah menjadi Fe2O3 melalui proses annealing. Bahan Fe2O3 kemudian didoping MnO2 yang selanjutnya melalui proses kompaksi, presintering dan sintering 1100°C menghasilkan sampel yang siap dikarakterisasi.

Karakterisasi menggunakan X-RD dilakukan untuk mengetahui fasa apa saja yang terbentuk pada sampel. Alat X-RD yang digunakan dalam penelitian memiliki radiasi Cu-kα (λ= 1,5418 Å). Gambar 2 merupakan

analisis hasil karakterisasi XRD di mana data yang diperoleh kemudian diolah menggunakan Software

Origin Pro 7,0. Gambar 2 menunjukkan bahwa fasa kristal MnFe2O4

pada sampel MnF4 paling banyak muncul yaitu dengan ukuran kristal sebesar 42,75 nm pada bidang (220), 48,21 nm pada bidang (311), 40,88 nm pada bidang (440) dan 6,49 pada bidang (511). Fasa kristal manganese ferrite

atau MnFe2O4 muncul pada bidang (220), (311), (221), (400), (422), (511) dan (440) [10]. Hal ini menunjukan jika penelitian yang telah dilakukan sudah sesuai dengan referensi. Semakin banyak MnO2 yang ditambahkan pada Fe2O3 sebanding dengan sebaran banyaknya kristal MnFe2O4 yang terbentuk. Sebaran ukuran kristalit yang terbentuk pada ketiga sampel ditunjukkan Gambar 3.

Gambar 3 menunjukkan ukuran kristalit MnFe2O4 dengan puncak intensitas tertinggi pada hasil XRD. Grafik warna biru menunjukkan ukuran kristalit pada sampel MnF2, grafik warna hijau menunjukkan ukuran kristalit MnFe2O4 pada sampel MnF3 sedangkan grafik warna merah menunjukkan ukuran kristalit pada sampel MnF4. Penambahan MnO2 pada Fe2O3 menyebabkan ukuran kristalit semakin tinggi yaitu terlihat pada grafik warna merah dengan ukuran kristalit sebesar 48,21 nm.

Karakterisasi permagraf menghasilkan kurva histerisis yang dapat memberikan informasi nilai remanensi dan koersivitas. Informasi kurva histerisis yang diperoleh menggambarkan karakteristik dari berbagai parameter dalam pembuatan material magnet [11].

Gambar 2. Pola XRD sampel ferit pada sintering 1100 °C

dengan doping variasi konsentrasi MnO2.

Gambar 3. Histogram ukuran kristalit MnFe2O4 pada sampel

MnF2, MnF3 dan MnF4.

270 Nur Afifah Zen / Karakterisasi Struktur dan Sifat Magnetik Manganese Ferrite sebagai Bahan Magnet Permanen Isotropik

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014

ISSN : 0853-0823

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 4. Kurva histerisis sampel ferit dengan variasi doping MnO2 : (a) Sampel MnF1. (b) Sampel MnF2. (c) Sampel MnF3. (d) Sampel MnF4.

Gambar 4 menunjukkan bahwa pada sampel MnF1 belum terbentuk kurva histerisis karena tidak ada dopingan MnO2 sehingga sampel MnF1 belum mempunyai sifat magnetik. Data yang diperoleh dari hasil karakterisasi permagraf dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 . Data hasil analisis permagraf.

Sampel Br (G) HcJ (kOe) BHmaks (MGOe)

MnF1 20 13,98 0,0699 MnF2 20 4,81 0,02405 MnF3 60 0,29 0,00432 MnF4 100 0,18 0,00455

Tabel 2 menunjukkan bahwa koersivitas keempat sampel mengalami penurunan terhadap penambahan doping MnO2. Hal ini disebabkan karena Mn2+ merupakan logam kation yang memiliki kestabilan kompleks kation organik lebih kecil dibandingkan Fe2+

.

Koersivitas pada sampel MnF1, MnF2, MnF3, dan MnF4 mempunyai data lebih dari 120 Oe itu berarti magnet sudah cukup baik disebut bahan magnet permanen [12]. Remanensi pada keempat sampel berbanding terbalik dengan nilai koersivitas. Penelitian sebelumnya menyatakan bahwa nilai magnetisasi semakin besar ketika konsentrasi doping MnO2 semakin besar [13]. Data hasil analisis permagraf menunjukkan bahwa nilai koersivitas, remanensi dan produk energi maksimum yang lebih kecil jika dibandingkan dengan penelitian sebelumnya yang mengkaji ferit keras [5]. Data tersebut membuktikan bahwa manganese ferrite termasuk dalam kelompok magnet lunak atau soft magnetic. IV. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa bahan magnet permanen manganese

ferrite telah berhasil dibuat dengan Fe2O3 yang didoping MnO2. Semakin banyak konsentrasi doping MnO2 pada Fe2O3 maka semakin banyak fasa MnFe2O4 atau manganese ferrite dengan struktur kristal jacobsite yang terbentuk. Ukuran kristalit terbesar terdapat pada sampel dengan konsentrasi doping MnO2 sebanyak 30%. Manganese ferrite merupakan magnet lunak yang memiliki medan koersivitas, induksi remanen dan produk energi maksimum yang kecil.

PUSTAKA [1] F. Mufit, Fadhillah, H. Amir, S. Bijaksana, Kajian

Tentang Sifat Magnetik Pasir Besi dari Pantai Sunur, Pariaman, Sumatra Barat, Jurnal Geofisika, vol.1, 2006, hal. 2-5.

[2] W. Widanarto, M. R. Sahar, S.K. Ghosal, R. Arifin, M.S. Rohani, K. Hamzah, Effect Of Natural Fe3O4 Nanoparticles On Structural and Optical Properties Of Er3+ Doped Tellurite Glass. Journal Of Magnetism and

Magnetic Materials , vol 326, 2013, hal 123-128. [3] Priyono, Y. Astanto, H. Traningsih, A. Khuriati, Efek

Aditif Al2O3 Terhadap Struktur dan Sifat Fisis Magnet Permanen BaO.6(Fe2O3), Berkala Fisika, vol.7, no.2, 2004, hal.69-73.

[4] N. Idayanti dan Dedi, Pembuatan Magnet Barium Heksaferrite Anisotrop, Jurnal Sains Materi Indonesia, vol.5, no.1, 2003, hal. 34-38.

[5] A. Qomariyah, Pembuatan dan Karakterisasi Magnet Permanen Barrium Ferrite Melalui Reaksi Padatan, Skripsi, Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto, 2012.

[6] M.A. Muhajir, Sintesis dan Karakterisasi Bahan Magnet Barium Heksaferrite (BaO.Fe12O18) Menggunakan Bahan Dasar Barium Karbonat (BaCO3) dan Pasir Besi Dari Daerah Pesisir Selatan Pandeglang-Banten, Skripsi, Universitas Lampung, Bandar lampung, 2013.

[7] H. Setyawan, Pengaruh Doping Fe Terhadap Perubahan Nilai Magnetisasi dan Rasio Magnetoresistansi Pada Sampel La0,67Sr0,33Mn1-xFexO3(x=0; 0.05 ; 0.10 ; 0.15 dan

0.50), Tesis, Universitas Indonesia, Depok, 2012. [8] D. E. Putra, Sintesis Serbuk Mn Ferrite Dengan Metode

Kalsinasi Pada Temperatur Rendah, Skripsi, Universitas Negeri Semarang, Semarang, 2011.

[9] P. A. Tipler, Fisika Untuk Sains dan Teknik, Alih Bahasa oleh Dr. Bambang Soegijono, Edisi Ketiga Jilid 2, Erlangga, Jakarta, 1996.

[10] N.Y. Mostafa, Z.I. Zaki, Z. K. Heiba, Structural and Magnetic Properties Of Cadmium Subtituted Manganese

Nur Afifah Zen / Karakterisasi Struktur dan Sifat Magnetik Manganese Ferrite Sebagan Bahan Magnet Permanen Isotropik 271

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014

ISSN : 0853-0823

Ferrite Prepared By Hydrothermal Route, Journal Of Magnetism and Magnetic Materials, vol.329, hal. 71-76.

[11] B. Hermanto dan A. S. Wismogroho, Studi Awal Pengembangan Alat Ukur Histerisis Magnet Menggunakan Efek Hall Tunggal Secara Manual, Seminar Nasional 2nd Lontar Physic Forum, Pusat penelitian Fisika-LIPI, Serpong, 2013.

[12] MMPA STANDARD 0100-00, Standard Specifications

For Permanent Magnet Materials, Magnetic Materials Producers Association

[13] S. Daulay, Pengaruh Subtitusi Mn pada Sifat Magnetik Barium Heksaferit, Skripsi, Universitas Indonesia, Depok, 2012.

TANYA JAWAB

Bambang Murdaka, UGM ? 1). Mohon informasi, bagaimana cara memagnetisasi

bahan hasil cetakan tersebut? 2). Adakah pemerosotan kuat medan magnet tersebut

sebagai fungsi waktu?

Nur Afifah Zen, UNSOED @ 1). Magnetisasi bahan dilakukan pada saat

karakterisasi. Pada saat pengukuran dengan termograf terjadi proses megnetisasi pada sampel di mana setelah pengukuran sampel sudah memiliki sifat bahan magnet permanen.

2). Kuat medan magnet mengalami penurunan/pemerosotan dikarenakan kation Fe3+ memiliki kestabilan kation organik yang lebih tinggi dibandingkan kation Mn2+ sehingga semakin banyak MnO2 yang ditambahkan maka Hc semakin turun.

Agus S. W., LIPI

? 1). Bagaimana ekstraksi PB jadi FeO3? 2). Sintering di suhu berapa? 3). Warnanya sudah hitam?

Nur Afifah Zen, UNSOED @ 1). Fe3O4 yang digunakan diberikan proses annealing

dapat menghasilkan Fe2O3 di mana pada suhu 800oC sudah terbentuk Fe2O3

2). Sintering dilakukan secara bertingkat pada suhu 800oC dan 1100oC.

3). Iya warna hasil sampel berwarna hitam.

Candra K, LIPI ? 1). Apa fasa magnetik utama dari sistem Na Ferrite?

2). Berapa polarisasi magnetik total dari bahan Na Ferite? Bukankah dia bahan soft magnet? Mengapa menargetkan untuk dibuat megnet permanen?

Nur Afifah Zen, UNSOED @ 1). Fasa yang terbentuk pada sampel dengan doping

MnO2 10% dan 20% yaitu fasa minor MnFe2O4 dan fasa mayor Fe2O3 sedangkan pada doping MnO2 30 %. Fasa dominan yang terbentuk yaitu MnFe2O4.

2). Bahan soft magnetik dapat diaplikasikan sebagai bahan magnet permanen pada bidang instrumentasi yaitu transformator, recording head, dan lain lain.