Prosidin.!? Pertemuan /lmiah Sains Materi 1997 lSSN 1410 -2897

KONDUKTIVIT AS LISTRIK BAHAN ZIRKONIA YANG TELAHDISTABILISASI YTTRIA PADA SUHU 1073-1273 K1

Djusman Sajutr daD Sudarjaf

ABSTRAKKONDUKTIVITAS LISTRIK BAHAN ZIRKONIA YANG TELAH DlSTABILISASI YTTRIA PADA SUHU

1073-1273 K. Telah dilakukan pengukuran konduktivitas listrik dari bahan zirkonia yang telah distabilisasi yttria pada suhu 1073-1273 K, sebagai fungsi dari komposisi yttria dan suhu sintering. Sintesis bahan zirkonia tersebut dilakukan dengan metode sinteringlangsung terhadap campuran oksida-oksida zirkonia dan yttria pada komposisi tertentu. Seluruh contoh setelah dibuat bentuk pelet,disinter dalam suasana atmosfer oksigen. Analisis dari pola difraksi sinar-X memperlihatkan bahwa dengan penambahan yttria akanterjadi perubahan struktur kristal terhadap seluruh produk sintering, dari struktur zirkonia monoklinik ke dominasi fase tetragonal.Hasil percobaan menunjukkan bahwa konduktivitas listrik maksimum diperoleh pada jumlah kandungan yttria sekitar 8-9% molY 203. Untuk komposisi yttria tertentu, konduktivitas listrik akan meningkat dengan naiknya suhu sintering dari 1723-1823 K.Konduktivitas listrik tertinggi untuk suhu pengukuran 1273 K adalah sebesar 2,83 (S/m), yaitu pada komposisi 8% mol Y2O3 dansuhu sintering 1823 K. Energi aktivasi pada komposisi tersebut adalah sekitar 26,2 kJ/mol.

ABSTRACTELECTRICAL CONDUCTIVITY OF YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA AT TEMPERATURES OF 1073-

1273 K. The electrical conductivity of yttria stabilized zirconia (YSZ) at temperatures of 1073-1273 K was measured as thefunction ofyttria contents and sintering temperatures. The YSZ was synthesized by using direct sintering method for oxides mixtureof zirconia and yttria at certain composition. All of the samples are in pellet form, and then sintered in oxygen atmosphericcondition. The x-ray diffraction (XRD) patterns analysis showed that after doping of yttria, the crystals structure for all of thesintered products changed from monoclinic structure to the domination of tetragonal phase. The experiment results indicated thatthe maximum value of electrical conductivity obtained at yttria contents about 8-9% mole Y 203. For certain yttria content, theelectrical conductivity increased with the rising of sintering temperatures from 1723-1823 K. The highest electrical conductivity formeasurement temperature of 1273 K is 2.83 (S/m), it obtained at 8% mole y 203 and sintering temperature of 1823 K. The activationenergy at its composition is about 26.2 kJ/rnole.

KEY WORDSintering, Yttria Stabilzed Zirconia (YSZ), Electrical Conductivity, Activation Energy.

PENDAHULUAN Tulisan ini menyajikan basil pengukuranbesaran konduktivitas listrik daTi bahan zirkoniayang telah distabilisasi yttria pada selang suhu1073-1273 K. Jumlah kandungan yttria clan suhusintering akan dibahas pengaruhnya terhadap sifatkonduktivitas listrik clan struktur kristal daTiproduk sintesisnya. Selanjutnya, daTi datakonduktivitas listrik tersebut, dilakukanperhitungan clan analisis terhadap nilai energi

aktivasinya.

PROSEDURPERCOBAAN

Belakangan ini konduktor ionik berbasiszirkonia seperti partially stabilized zirconia (PSZ)telah dipilih sebagai elektrolit padatan untuk selkonsentrasi gas oksigen. Hal ini karena beberapafaktor, seperti sederhana, ekonomis, quickresponse, dan cukup stabil pada suhu operasi yangrelatif tinggi (sekitar 1273 K). Bahan keramikzirkonia tersebut akhir-akhir ini juga telahdikembangkan untuk komponenfuel cell, produksigas hidrogen dengan elektrolisis uap air, kontrolgas buang dari mesin otomotif, di samping untukkeperluan sensor gas oksigen dalam industripembuatan baja [1-7].

Umumnya konduktor ionik padatan inimempunyai nilai konduktivitas listrik yang sangattinggi, sebanding dengan konduktivitas dari garam!ebur (molten salt), yaitu dengan harga cr > 1

(S/m).

Sintesis dilakukan dengan menggunakanmetode sintering langsung terhadap campuranoksida-oksida zirkonia {zrOJ clan yttria (Y 203)pada beberapa komposisi tertentu.

Bahan baku yang dipakai adalah zrO2p.a. kemumian ;?: 99% Kanlo Chemical clan Y2O3p.a. kemumian ;?: 99,99% Aldrich Chemical.

Pencampuran bahan baku dilakukandalam suatu tabung gelas dengan menggunakanmedia aseton clan dikocok selama tiga jam,kemudian disaring clan dikeringkan pada suhu 323K.

Akan tetapi bahan konduktor ion oksigentersebut mempunyai nilai konduktivitas listrikyang tinggi pada suhu yang relatif tinggi, daDharganya sangat bergantung pada jenis clan jumlahbahan penstabil yang ditambahkan. Bahanpenstabil yang umum digunakan pada pembuatankeramik PSZ adalah seperti kalsia, magnesia, atau

yttria [8].

Seluruh contoh dibuat bentuk pelet dalamsuatu die dengan ukuran diameter 10 mm dan

I Dipresentasikan pada Pertemuan IImiah Sains Materi 1997

2 Puslitbang Metalurgi -LIPI

312

Pros;d;nf! Pertemuan I/m;ah Sains Mater; J 997 ISSN J 4 J 0 -2897

ketebalan 3 mm, menggunakan penekan hidraulik untuk komposisi 8% mol Y1O3 ditunjukkan padadengan tekanan sekitar 3'-4 ton. Pelet-pelet tersebut Tabel3.kemudian disinter dalam suasana atmosferoksigen. Sintering dilakukan dua kali Tabel I : Data resistivitas pada suhu pengukuran 1073,ulang, yang pertama pada suhu 1323 K selama 2 1173, clan 1273 K sebagai fungsi darijam dan yang kedua dilakukan pada suhu yang komposisi yttria.divariasikan 1723, 1773, atau 1823 K selama 3jam. Sintering secara berulang tersebutdimaksudkan untuk memperoleh homogenitas dari

produk pencampurannya.Diagram alir dari preparasi contoh relet

melalui jalur sintering langsung ini, ditunjukkanpada gambar 1.

Suhupengukuran(K)

Res~s (ohm.m)I 243!!,~

Komposisi yttria(% mol Y 203)

1073rP;3~

12736

I

950,739

I 474,239

107311731273

382,690152:98781,1984

8x~~zrO2

Pencampuran 1073m3~

526,642'219:648Tr8Jf2

10

~~~

Pengeringan Tabel 2 Data resistivitas pada suhu pengukuran 107.1;1173, clan 1273 K untuk komposisi 6% moly 203 sebagai fungsi dari suhu sintering.Pembuatan relet I

Suhusintering (K)

Subu pengukuran(K)

Kalsinasi

1073

Resistivitas(ohm.m)2430,69950,739474,239

i-Penggerusan 1723 11731273

Pembuatart

Pelet II

.1073iT731273

Si~t~!~ Tf13520,615199,021105,708Contoh relet

1073iT73Ii73

1823Diagram alir preparasi contoh pelet melalui

jalur sintering langsung.

Garnbar

159,1826i,896730,5117

Struktur kristal dari produk sinteringditetapkan berdasarkan analisis dari pol a difraksisinar-X, clan konduktivitas listrik dihitung dariharga resistivitas. Pengukuran besaran resistivitasini dilakukan dengan AC impedance spectroscopypada selang suhu pengukuran dari 1073-1273 K.

Tabel3 : Data resistivitas pada suhu pengukuran 1073,1173, dan 1273 K untuk komposisi 8% moly 203 sebagai fungsi daTi suhu sintering.

-SUhii

sintering(K)

Suhu pengukuran(K)

Resistivitas(ohm.m)

nAS.IL P~RCOBAAN107311731273

382,690T52:ffi81,i984

1723

1073TffiI2n

1773

389,242150,427 I

i__- 76,41041

Data basil pengukuran resistivitas dariproduk sintering pada suhu pengukuran 1073,1173, dan 1273 K sebagai fungsi dari komposisiyttria, ditunjukkan pada Tabel 1. Sinteringdilakukan pada suhu 1723 K dalam suasanaatmosfer oksigen selama 3 jam. Selang jumlahkandungan yttria dari 6-10% mol Y 203.

Data hasil pengukuran resistivitas padasuhu pengukuran 1073, 1113, dan 1273 k sebagaifungsi dari suhu sintering, untuk komposisi 6%mol Y 2G3 ditunjukkan pada Tabel 2 clan yang

10731173~

1823

I

0,86374

0,525360,35337

313

0.035

E O.a28-~o. CT21

0.014

0.007

InIV...'>;~~'gc0~

Garnbar 3 Hubungan antara suhu sintering dengankonduktivitas pada suhu pengukuran 1273,1173, dan 1073 K untuk bahan YSZdengan komposisi 6% mol Y 2°3'

Gambar 2 Hubungan antara komposisi yttria dengankonduktivitas pada suhu pengukuran 1273,1173, dan 1073 K. 3.5

-2.9E'@. 2.3II)co~ 1.7~~~ 1.1'gc~ 0.5

-Q.1 I , ,I I

1673 1723 1m 1t:r23 1873

SIJ1U sirtm~ (K)

Gambar 2 memperlihatkan bahwa padasemua suhu pengukuran clan selang jumlahkandungan yttria dari 6-10% mol Y 203, makakonduktivitas listrik akan naik sampai mencapainilai maksimum clan selanjutnya turun kembali.

Konduktivitas listrik maksimumdiperoleh pada komposisi sekitar 8-9% mol Y 203.Tetapi pada jumlah kandungan yttria lebih dari 8%mol Y 203 maka produk sintering kurang stabil clanmudah retak. Akibatnya akan sulit untukmenetapkan harga shape factor (rasio dari luaspenampang terhadap ketebalan). Hal ini sesuaidengan hasil penelitian yang telah dilaporkan olehpeneliti terdahulu [8].

Untuk itu, pada percobaan selanjutnyavariasi dari jumlah kandungan yttria dilakukanpada komposisi 6 clan 8% mol Y 2°3.

Garnbar 4 Hubungan antara suhu sintering dengankonduktivitas pada subu pengukuran 1273,1173, daD 1073 K untuk bahan YSZdengan komposisi 8% mol Y 2030

Struktur Kristal Zirkonia Setelah StabilisasiYttria

Gambar 5 memperlihatkan pola difraksisinar-X untuk produk sintering daTi zirkonia yangtelah distabilisasi yttria pada komposisi 8% molY203' Sintering dilakukan pada suhu 1823 Kdalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam.

Hasil analisis daTi pola difraksi sinar-Xtersebut menunjukkan bahwa pada bahan YSZdengan komposisi 8% mol Y 20], telah terjadiperubahan struktur kristal terhadap produksinteringnya daTi struktur zirkonia yangmonoklinik ke dominasi rase tetragonal. Puncak-puncak daTi rase tetragonal yang muncul, itu dalam

Pengaruh Suhu Sintering8elang suhu sintering daTi 1723-1823 K.

Percobaan dilakukan dalam suasana atmosferoksigen selama 3 jam.

Dari gambar 3 clan 4 dapat dilihat bahwauntuk komposisi 6~/o mol y 203 maupun padakomposisi 8% mol Y 203, konduktivitas listrikakan meningkat dengan naiknya suhu sinteringdaTi 1723 -1823 K. Pada suhu sintering 1823 Kdiperoleh kenaikan yang cukup drastis.

Konduktivitas listrik tertinggi yangdicapai daTi percobaan ini adalah sebesar 2,83(81m), yaitu diperoleh pada komposisi 8% molY 203 clan suhu pengukuran 1273 K. Harga inisekitar dua orde lebih besar dibanding denganpengukuran pada komposisi 6% mol Y 2°3. Hal inimenunjukkan bahwa pada komposisi 8% mol

314

Pros;d;nJ! Perlemuan //m;ah Sa;ns Maler; /997 /SSN /4/0 -2897

PEMBAHASAN Y 203 tersebut, produk sintesis te\ah

0 ,f'::: =:::==+ I1673 1723 1m 1fr23 1873

Slj1J sirmi~ (K)

ProsidinQ Pertemuan Ilmiah Sains Materi /997

persesuaian yang baik dengan JCPDS file nomor42-1164 [9J.

Masih munculnya puncak-puncak daristruktur zirkonia yang monoklinik tersebut,walaupun dengan intensitas yang sudah rendah(tidak lebih dari 10%), ini dikarenakan waktusintering tiga jam mungkin masih belum cukupmemadai. Puncak-puncak tersebut diperkirakan

rIJ~:=rIl

=Qi

~

6020 4028 ( Deg. )

Gambar 5 : Pola difraksi sinar-X daTi bahan YSZ dengan komposisi 92% mol zrO2 -8% mol Y 20] setelah disinterpada suhu t 823 K dalam suasana atmosfer oksigen selama 3 jam. (Zt : zirkonia tetragonal, Zm : zirkonia

monoklin).

Hubungan Konduktivitas dengan SuhuSeperti telah disebutkan di muka bahwa

konduktivitas listrik bergantung pada suhu,dimana nilainya akan naik pada suhu yang lebih

tinggi.Di samping itu, apabila dari hubungan

konduktivitas listrik tersebut dengan suhu telahdiketahui, maka harga Ea dapat dihitung. Eaadalah energi aktivasi yang diperlukan ion didalam padatan untuk berpindah, clan inimerupakan salah satl1 parameter yangmenunjukkan kemudahan ion untuk bergerak didalam padatan. Semakin kecil harga Ea, maka ionsemakin mudah untuk berpindah atau proses akanlebih cenderung untuk dikendalikan secara difusi.

Pada umumnya, hubungan konduktivitaslistrik 0' (81m) dengan suhu T (K) yang

berdasarkan ion di dalam padatan, dapat dituliskanseperti persamaan (1) berikut [II].

cr =.Q:~ exp.(-.£!) (I)T RT

Jika dituliskan dalam bentuk logaritma, menjadi

persamaan (2).

log [cr.T] = -.£! + C (2)

RTDisini, Ea (J/mol) adalah energi aktivasi,

R (J/mol.K) adalah konstanta gas, T (K) adalahsuhu Kelvin, 0"0 clan C adalah konstanta.

Dengan memakai persamaan (2), daTikonduktivitas listrik 0" (81m) yang diukur padasuatu suhu tetap T (K), jika nilai log [(f. T] di plotterhadap kebalikan daTi suhu (lIT), maka akandiperoleh suatu garis lurns. Dari kemiringan garis

315

/SSN /4/0-2897

akan hilang dengan penggunaan waktu kalsinasiatau sintering selama 24 jam [10].

Tetapi karena kemampuan peralatan yangbelum mendukung, maka untuk saat ini tidak dapatdilakukan kalsinasi maupun sintering pada suhu1823 K dengan waktu yang lebih lama daTi tigajam tersebut.

Pros;d;nJ! Pertemuan llm;ah Sa;ns Mater; 1997

turns tersebut, dapat dihitung nilai energi aktivasi.Kurva garis turns seperti ini, lazim

dikenal dengan nama Arrhenius plot, sepertiditunjukkan pada gambar 6.

5 .~t.t ,~

~ 4~E~ 3

~ 2CI9. 1

0

0.7 0.8 0.9

10CX)1T (1/K)

1.0 1.1

Gambar 6 : Arrhenius plot untuk hubungan antara log[<J.T] terhadap looorr.

Dari gambar 6 terse but, misalnya padakode (8Y, 1.823 K) untuk komposisi yttria sebesar8% mol Y 203 yang telah disinter pada suhu 1823K, akan diperoleh suatu kurva garis lures sepertiditunjukkanpadapersamaan (3) berikut.

log [cr.T] = -~ + 6,04

KESIMPULANTelah dipelajari pengaruh komposisi

yttria clan suhu sintering terhadap sifatkonduktivitas listrik clan struktur kristal dariproduk sintesis Y8Z. Oari serangkaian percobaanyang telah dilakukan, dapat ditarik beberapakesimpulan berikut.

.Bahan zirkonia yang telah distabilisasi yttria,akan terjadi perubahan struktur kristalterhadap produk sinteringnya dari strukturzirkonia yang monoklinik ke dominasi rase

tetragonal..Konduktivitas listrik maksimum diperoleh

pada jumlah kandungan yttria sekitar 8-9%mol Y 203.

.Untuk komposisi yttria tertentu, konduktivitaslistrik akan meningkat dengan naiknya suhusintering dari 1723-1823 K.

.Konduktivitas listrik tertinggi untuk suhupengukuran 1273 K adalah sebesar 2,83(81m), yaitu pada komposisi 8% mol Y 203clan suhu sintering 1823 K.

.Energi aktivasi pada komposisi tersebut,setelah dihitung dari harga kemiringanArrhenius plot untuk hubungan antara log[{J.T] terhadap 1000/T, adalah sekitar 26,2kJ/mol.

T

(T: lO73-l273K) (3)

Dengan mempersamakan hubunganantara fog [<J.T] terhadap (lIT) dari persamaan (2)daD (3), maka nilai energi aktivasi dapat dihitungdaD diperoleh harga sekitar 26,2 kJ/mol.

Nifai energi aktivasi dari bahan zirkoniayang telah dismbifisasi yttria untuk beberapavariasi komposisi yttria clan suhu sinteringdiperlihatkan pada Tabel 4.

UCAPAN T}:RIMA KASIH

Sebagian dari percobaan ini (dalampenggunaan peralatan A C impedancespectroscopy) telah dilakukan oleh kedua penulisdi Jepang, dalam rangka program kerja sarnadengan Japan Society for the Promotion of Science(JSPS).Tabel 4 : Nilai energi aktivasi bahan zirkonia yang telah

distabillsasi yttria untuk beberapa variasi darikomposisi yttria clan sub" sintering.

No.contoh

Komposisiyttria (% mol

~20~)

Energiaktivasi(kJ/mo!)

26,2868"6

Suhu

sintering(K)18231823 45,0

4"44,43;6

234

17731773

DAFfARPUSTAKA[1] OLIVIER TILLEMENT : Review, Solid Statl!

/onics Electrochemical Devices, Solid StateIonics, 68 (1994), 9-33.

[2] MARSONGKOHADI : KonduktorSuperionik , Sifat-sifat jisis danPenggunaannya dalam Teknologi, Prosiding,Pertemuan Ilmiah Sains Materi, Serpong,Oktober(1996),6-14.

[3] LIU, M. AND KHANDKAR, A. :Considerations in Design andCharacterization of Solid Statl!Electrochemical Systems: Solid State Ionics,52 (1992),3-13.

Energi aktivasi terkecil diperoleh padakomposisi 8% mol Y 203 clan suhu sintering 1823K. Hal ini sesuai dengan pembahasan yang telahdiberikan sebelumnya.

316

/SSN 1410 -2897

Kalau nilai Ea lebih kecil dari 30 kJ/moldapat diambil sebagai patokan untuk proses-prosesyang dikendalikan secara difusi, maka reaksi akanlebih cenderong dikendalikan secara kimia untukkomposisi yttria yang kurang dari 8% mol Y 203atau suhu sintering yang lebih rendah dari 1823 K.

Pros;d;nf! PertemuanIlm;ah Sa;ns Mater; 1997 /SSN /4/0 -2897

[4] FILAL, M., PETOT, C., MOKCHAH, M., Ironmaking and Steelmaking in Japan, SolidCHATEAU, C., AND CARPENTIER, J.L. : State Ionics, 9 & 10 (1983),1249-1256.Ionic Conductivity of Yttrium-doped Zirconia [8] Techno Japan, 26, 11, November (1993), 34-and the Composite Effect, Solid State Ionics, 40.80 (1995), 27-35. [9] : JCPDS, International Centre for

[5] ZHANG, Y.C., NARITA, H., ~IZUSAKI, J., Diffraction Data, 1601 Park lane, Swarthmore,AND TAGA WA, H. : Detection of Carbon PA 19081, USA, (1986), No. 42-1164.Monoxide by Using Zirconia Oxjlgen Sensor, [10] Phase Diagrams for Ceramists, AmericanSolid State Ionics, 79 (1995), 344-348. Ceramic Society, Two Oxides, Figs. 6504-

[6] HUANG, K., XIA, Y., AND LIU, Q. : Solid 6505,182-184.State Ionics, 73 (1994), 41-48. [11] HE GANG: Gas Sensor Using Solid State

[7] NAGATA, K. AND GOTO, K.S. : New Electrolyte with Cationic Conduction,Applications of Oxygen Sensors to Tohoku University, Dept. of Metallurgy,

Master Thesis (in Japanese), (1996).

317