Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PEMBUA TAN DAN KARAKTERISASI GELAS KERAMIK BERBASISSISTEM : MgO -AlzO3 -SiOz1

Muljadi2 , Perdamean Sebayang2

ABSTRAK

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI GELAS KERAMIK BERBASIS SISTEM : MgO -AI2O) -SiO20

Telah dimanfaatkan bahan baku lokal seperti : Kaolin, Talk daD Kuarsa sebagai sumber oksida utama pembentuk gelas yaituMgO, AI2O3 daD SiOz' Preparasi gelas keramik berbasis sistem MgO -AlzO3 -Sial daD penambahan TiOz, LizO, ZnO dan zrOz 'Pembuatan gelas keramik diawali dengan proses peleburan dalam tungku listrik pada kisaran suhu 1450 -1570"C. Hasilpeleburan berupa gelas (amort) dan dilanjutkan proses pemanasan sehingga diperoleh gelas keramik (polikristalin). Perbedaansifat fisis gelas dan gelas keramik yang diperoleh akan diperlihatkan dalam penelitian ini. Hasil karakterisasi menunjukan bahwarapat masa gelas keramik berkisar antara 2,72 -2,96 gram I cm3, kekerasan : 6703,63 -7116,08 Mpa , koefisien termal ekspansi2,95 -3,16 x 10 -6oc -1. Fasa kristal yang terbentuk adalah j3-kuartis, cordieirte,protoenstatit daD tridimit

ABSTRACTSYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF GLASS CERAMICS BASED ON THE SYSTEM: MgO -

AI2OJ -SIOv The use of local raw materials for example: Kaolinite, Talc and Quartz as resources of oxide forming glass

materials: MgO , AI2O3 and SiO2. The preparation of glass ceramic system MgO -AI2O3 -SiO2 and additive TiO2, Li2O , ZnOand zrO2 have been done by melting process in the electrical furnace at temperature range: 1450 -l570°C. The melting of rawmaterials produces glass ( amorph ) and furthermore by conntrolling of heat tIeatrnent process glass ceramic was formed(policrystalline). The diffrent of physical properties betwen glass and glass ceramic would be presented in this report. The resultsof characterization were: the density of glass ceramic is about 2.72 -2.96 gram / cm3, Hardness 6703,63 -7116,08 MPa, thermalexpansion coefficient 2.95 -3.16 x 10 -6 °C -I .The dominant phases of the crystals were l3-quartz, cordierite, protoenstatit,

tridimit.

perlakuan panas dari masing-masing sampelmaka perlu dilakukan analisa DiffrentialThermal Analysis ( DT A ) dari bahan gelasterse but. Dalam tulisan ini juga dibahasperbedaan antara gelas clan gelas keramikbeserta sifat-sifat fisisnya. Adapun pengukuransifat-sifat fisis yang dilakukan meliputi : rapatmasa, kekerasan, koefisien termal ekspansi clananalisa struktur dengan difraksi sinar X.

METODOLOGIPENELITIANPembuatan cuplikan antara lain

meliputi : preparasi bahan baku ,peleburan daDproses perlakuan termal. Diagram alir prosespembuatan gelas keramik diperlihatkangambar I. Bahan baku untuk pembuatan gelaskeramik tersebut adalah sebagai berikut : pasirkuarsa (SiOJ berfungsi sebagai pembentukjaringan utama, Kaolin [AI2Si2Os(OH)4]sebagai sumber alumina daD silika, Talk[Mg3Si4Olo(OH) 2] sebagai sumber SiO2 daDMgO yang mana MgO ini berfungsi untukmenurunkan nilai koefisien termal ekspansi,zirkonium silika ( ZrSiO4 ) sebagai sumberSiO2 daD zrO2, zrO2 berfungsi meningkatkansifat mekanik, oksida seng ( ZoO ) berfungsiuntuk memperbaiki peleburan ( refming ) padagelas. Bahan aditif yang digunakan adalah:TiO2 daD Li2CO3sebagai sumber Li2O, yangberfungsi untuk membantu proses pengintian,mempercepat daD meningkatkan homogenitas

peleburangelas.

PENDAHULUANPembuatan gelas keramik dengan

sistem MgO -Al2O3 -SiO2 daD penambahancampuran TiO2, Li2O, ZoO daD zrO2 telahdilakukan untuk menghasilkan gelas keramikberbasis l3-kuartis [1] .Bahan baku utama yang

digunakan untuk menghasilkan oksida-oksidapembentuk gelas diperoleh dari : Kaoilin, TalkdaD Kuarsa yang umumnya berlimpah diIndonesia daD belum dioptimasi dalampemanfaatannya [2]. Bahan tambahan bersumberdari Li2CO3, ZoO daD ZrSiO4. Adapunkeunggulan gelas keramik berbasis sistem MgO-Al2O3 -SiO2 antara lain [3]: mempunyaikoefisien termal ekspansj yang rendah yaitu a=0 -5 x 10 -6 °C -I sehingga tahan terhadap

kejutan suhu ( thermal shock resistance ).Disamping itu gelas keramik ini juga memilikikekuatan mekanik relatif cukup tinggi misalnyakekerasnnya [3]. Gelas keramik berbasis sistemMgO -Al2O3 -SiO2 dapat diperoleh berbentuktransparan ataupun opaque tergantung dari

komposisi pembentuknya maupun prosesperlakuan termal yang diberikan. Aplikasi gelaskeramik sistem tersebut dapat dipergunakansebagai [4] : tabung pemanas, komponen

optik (telescope mirrors ), dudukan lensa laserdaD jendela subu tinggi (high temperaturewindow). Dalam penelitian ini telah dicoba 4komposisi bahan pembentuk gelas keramikyang kemudian dilebur dalam tungku listrikpada subu tinggi. Untuk mengetahui suhu

1 Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962 Puslitbang Fisika Terapan -LIPI, PUSPIPTEK, Serpong.

426

Karakterisasi~

Karakterisasi-+

Diagram alir pembuatan gelas keramik berbasissistem MgO -AI2O] -SiO2.

Gambar

Reaksi dekomposisi termal dari Kaolin selamaproses pembakaran berlangsung sekitar 650°C,sehingga terjadi pelepasan air sebagai gugushidroksit ( OR ) daD pembentukan meta kaolinsebagai berikut:

Sedangkan Talk akan terurai dan melepaskanair ( gugus hidroksit ) pada suhu sekitar900 °C, dengan reaksi sebagai berikut :

900 °CMg]Si4Olo(OH)z ~ 3 MgSiO] + SiOz

+HzO3 MgSiO] akan terurai pada suhu sekitar 1300°C dengan reaksi sebagai berikut :

1300 °C

650°CAI2Si2Os(0H) 4 ~ Al2Si2O7 ( meta kaolin)

+ 2 H2OMeta kaolin akan terdekomposisi pada suhuyang lebih tinggi, dengan reaksi sebagaiberikut:

3 MgSiO) , 3 MgO + 3 SiO2

Komposisi bahan pembentukdiperlihatkan pada tabell

gelas

>

1300 °C~Al2Si2O7 AI2OJ + 2 SiO2

Tabel I. :~omnosisi bahan nembentuk gelas keramik.

bahan gelas dilakukan pengukuran meliputi :rapat massa dengan metoda Archimedes,kekerasan diukur dengan Microhardness Tester( Matsuzawa, MXT -50 ), koefisien termalekspansi diukur dengan Dilatometer ( Harrop,T A -700 ) clan analisa rasa dengan difraksisinar X. Sedangkan untuk karakterisasi daTibahan gelas keramik : rapat massa, kekerasan,koefisien termal ekspansi clan analisamikrostruktur dilakukan dengan difraksi sinarX ( Rikagu D/max -II C ).

Proses peleburan dilakukan didalam tungkulistrik dengan suhu peleburan bervariasi antara] 450 -] 570 °C, suhu peleburan ini sangattergantung pada sifat bahan campuran yangdigunakan. Hasil peleburan berupa cairan gelasyang siap dituang dalam cetakan grafit. Prosesselanjutnya adalah proses perlakuan panas (heat treatment ). Untuk mengetahui suhuperlakuan panas dapat dilacak denganmenggunakan Diffrential Thermal Analysis (DTA, Harrop -DT. 7]2 ). Adapun karakterisasi

427

tennal .Dari kurva DT A tersebut dapatdiketahui suhu kristalisasi dari masing-masingsampel yaitu : untuk sampel A = 850DC, untuksampel B = 980 DC , untuk sampel C = 1050 DCdaD untuk sampel D = 1150 DC. Diatas suhu

kristalisasi tersebut merupakan suhu defonnasi.

BASIL PERCOBAAN DANPEMBAHASAN.

Hasil pelacakan suhu perlakuan panasdari bahan gelas diperlihatkan pada ganlbar2a,b,c daD d. Kurva DT A ini memperlihatkanperbedaan komposisi bahan baku pembentukgelas sangat mempengaruhi proses perlakuan

( 2.a)e.

-I .

.r

..I ~::

~

~

-11/1

-t.

00.00 00 '. ,~ C~~:::~~ ~~.,...!'==" 0 00 ..00 00 , .'.1_.~.,

( 2.c ) ( 2.d )Gambar 2. Kurva DTA untuk cuplikan gelas A, B, C dan D.

Berdasarkan dari kurva DTA tersebut maka diperlihatkan pada tabel 2, 3, dan 4. Temyatadilakukan proses perlakuan panas dari masing- setelah dilakukan perlakuan panas pada suhumasing sampel A, B ,C daD D pada suhu kristalisasinya maka terjadi kenaikan nilaikristalisasinya. Hasil pengukuran rapat massa, densitas. Nilai kekerasan dari gelas yang telahkekerasan, koefisien termal ekspansi dari dikenai perlakuan panas juga meningkatmasing-masing gelas daD gelas keramik sepertihaIny.a pada densitas.

Tabel 2. Hasil oengukuran rapat massa gelas dan gelas keramik.

Tabel3. Hasil pengukuran kekerasan gelas dan gelas keramik.KODE

SAMPELKEKERASAN, Hv GELAS

I MPa}KEKERASAN, Hv GELAS KERAMIK

Mpa

4535,754895,605540,254976,25

6703,636985,207116,087027,35

ABCD

428

( XRD) untuk gelas (amorf) ditunjukanpada gambar 3 daD gelas keramik (polikristalin ) diperlihatkan pada gambar 4a,b,c daD d.

Begitu juga sampel gelas yang telah dikenaiperlakuan panas pada suhu kristalisasinyaterjadi penurunan nilai koefisien termal

ekspansinya.Hasil analisa dengan difraksi sinar -X

,...-

Gambar 3. Pola difraksi sinar X dari sampel Gelas

kristal yang taj am , bearti pacta sampel gelasstruktumya masih amorf.

Dari pola difraksi sinar X yang ditunjukan padagambar 3 temyata tidak ada puncak-puncak

(a) Gelas Keramik A (b) Gelas keramik BGambar 4 .Pola difraksi sinar X daTi Gelas Keramik A dan B

(c) Gelas Keramik C (d) Gelas Keramik DGambar 4. Pola difraksi sinar X dari Gelas keramik C dan D.

429

yang opaque adalah sampel C clan D. Fasagelas keramik yang terbentuk adalah j3-kuartis, cordierite, protoenstatit clan tridimit .Penelitian lebih 1anjut perlu diteliti analisastruktur mikro dengan SEM akibat pengaruhtemperatur clan waktuperlakuan.

Dari basil pengukuran menunjukan bahwa gelassetelah "diberikan'"p~rlakuantermal akanmemiliki sifat flsis y~g Iebih baikantara lain:rapat massa, kekerasan merijadi tebih tinggi dankoefisien termal ekspansi menjadi lebih kecilsehingga lebih tahan terhadap kejutan suhu (thermal. shock ). Gelas keramik yang dihasilkandapat dibuat transparan maupun opaquetergantung pada komposisi dan perlakuantermal y~gdib~rikan, P9.Ia diftaksi sinar -Xmenunjukan bahwa rasa yang terbentuk adalah:j3-kuartis , cordierite, protoenstatit dan tridimit.Dari keempat sattlpel yang dibuat temyatasampel A dan Sattlpel B adalah transparan,sedangkan sampe.I C dan sampel D adalahopaque.

KESIMPULAN DAN SARANPembuatan gelas dengan bahan baku

lokal ( kaolin, talk daD kuarsa ) daD bahan aditifTiO2, Li2O, ZnO daD zrO2 telah berhasil dileburdalam tungku listrik dengan range temperatur1450 -1570 DC. Hasil leburan berupa gelassetelah diberi perlakuan termal akanmenghasilkan gelas keramik dengan sifat fisisyang dimilikinya jauh lebih tinggi dari gelasawal. Hasil yang diperoleh geJa~ kerarniktransparant adalah sampel A daD B, sedangkan

DAFTARPtJSTAKA1. INOUE S.., Introduction to Glass Ceramic,

NIRIM, Japan, 1990.2. SEBA YANG P. dkk; Penelitian Gelas

f(eran;1ik di Puslitbang Fisika TerapanLIPI, KJPNAS VI, Serpong, 11 -15

SepteIJ\;berJ9~5.3. ZDENEK S ; Glass Ceramic Materials,

Glass Science ~,T~chnology 8, Elsevier,Amsterdam,1986.

4. MC.MILAN P. W; Glass Ceramic,Academic ~ess, INC, London, 1969.

5. SEBA YANG P., dkk; Studi KristalisasiGelas Keramik Berbasis Cordierite,Simposium Fisika Nasional XV, Surabaya,1994.

6. SEBA YANG P., dkk; Preparation andCharacterizatiQn of4L~O3.24AI2O3.54SiO3.xMgO(18-x) MgF2Glass Ceramic, Simposium Fisika NasionalXIV, Medan, 1993.

,.

..

430