Bahan-Bahan Magnetostriktif Berbasis Logam Tanah Jarang, Suatu Tinjauan Singkat (ML Maya Febri)

BAHAN-BAHAN MAGNETOSTRIKTIF BERBASISLOGAM T ANAH JARANG, SUATU TINJAUAN SINGKAT

S3iM.I. Maya FebriPusJitbang Iptek Bahan, BATAN, Kawasan PUSPIPTEK Serpong, 15314

ABSTRAK

BAHAN-BAHAN MAGNETOSTRIKTIF BERBASIS LOGAM TANAH JARANG, SUATU TINJAUANSINGKAT. Makalah ini memberikan tinjauan singkat tentang bahan-bahan magnetostriktifberbasis logam tanah jarang. Unjukkerja bahan tersebut, ditinjau dari segi anisotropi magnetostriksi, dibandingkan dengan bahan magnetostriktifyang berkembang

sebelumnya, yaitu feromagnet lunak berbasis logam transisi 3d. Terlihat bahwa bahan yang berbasis logam tanah jarang (R),mempunyai magnetostriksi yang jauh lebih tinggi daripada bahan berbasis logam transisi 3d, meskipun suhu Curie-nya lebihrendah. Pada saat ini, beberapa paduan daTi keluarga RFe2 adalah yang terbaik untuk aplikasi magnetostriktif pada suhu kamar,sebab sekaligus memiliki magnetostriksi yang tinggi, suhu Curie yang cukup tinggi dan anisotropi magnetokristalin yangrendah.

Kala Kunci : Magnetostriktif, logam tanah jarang, anisotropik, feromagnet lunak, suhu curie

ABSTRACT

MAGNETOSTRICTIVE MATERIALS BASED ON RARE-EARTH METALS, A SHORT REVIEW. This articlereviews briefly some magnetostrictive materials based on rare-earth (RE) metals. The performance of these materials iscompared to their predecessors, i.e. 3d transition-metal-based soft ferromagnets, from the magnetostriction point of view. Itis shown that the RE-based materials have much higher magnetostriction and generally lower Curie transition temperature thanthe 3d-based materials. Today, some of alloys from RFe2 family are still the best materials for room-temperature applications,because they have the combinaison of high magnetostriction, sufficiently high Curie temperature and low magnetocrystalline

anisotropy.

Key Word: Magnetostrictive, rare-earth metals, soft feromagnets, curie transition temperature

PENDAHULUAN

pertengahan abad ke-19, namun perkembangannyasangat lambat. BarQ pacta awal abad ke-20, denganditemukannya INVAR (paduan 36,4%at Fe-Ni) yangmempunyai magnetostriksi volume besar, acta sedikitkemajuan dalam penelitian tersebut, khususnya yangmenelaah sifat magnetostriktif. Pacta sekitar tahun 1930-1940 (perang Dunia ll), aplikasi-aplikasi teknologi bahan-bahan magnetostriktif feromagnet lunak mulai dikenal,seperti untuk komponen osci/ator, torquemeter dansonar. Namun segera sesudah itu, aktivitas litbang bahanmagnetostriktif feromagnet lunak menurun, karenaditemukan bahan-bahankeramik piezoelektrik yang lebihunggul. Baru pacta tahun 1960-an, aktivitas tentangmagnetostriksi meningkat kembali ketika diamatimagnetostriksi sangat besar pacta DY dan Tb di suhurendah [1 ]. Magnetostriksi tersebut 100 -10.000 kaliyang dikenal sebelumnya pacta saat itu, dan melebihiunjuk kerja bahan piezoelektrik. Sejak itu, terjadipeningkatan besar-besaran ctalam aktivitas riset dibidang magnetostriksi (dari 50 publikasi/tahun pacta th1965 menjadi ~250 publikasi/tahun pacta th 1990 [2].

Suatu bahan yang bersifat magnetostriktifmengalami deformasi ketika keadaan magnetiknya(' magnetic state') berubah, misalnya terjadi perubahanmagnetisasi akibat pengaruh medan magnet luar.Sebaliknya, ketika bahan tersebut diberi perlakuanmekanik ('stress), maka proses magnetisasinya akanberubah. Magnetostriksi bisa didefinisikan sebagaideformasi segala jenis bahan yang diakibatkan olehmagnetisme. Asal mula timbulnya magnetostriksi adalah,adanya interaksi antara energi 'exchange' magnetik (atauenergi ion) dengan energi elastis kristal (bonding).lnteraksi ini dapat terjadi karena tidak ada satu bahanmagnet-pun yang seratuspersenkaku atau 'rigid', semuabahan mempunyai elastisitas. Magnetostriksi merupakansuatu manifestasi dari fenomena magnetoelastisitas, yangpengertiannya sendiri mencakup hal yang lebih luas.Fenomena magnetoelastisitas telah diamati pada bahanferomagnet, ferimagnet, paramagnet, bahkan diamagnetdan superkonduktor.

Penelitian tentang sifat-sifat magnetoelastisitasdimuiai pada bahan-bahan feromagnet lunak sejak

67

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

Peningkatan tersebut diikuti oleh penemuan-penemuanbahan baru yang berbasis logam-logam tanah jarang R,khususnya logam tanah jarang berat. Tujuan uraianmakalah ini adalah untuk memberikan gambaran singkattentang bahan-bahan tersebut, khususnya bahanberbasis logam tanahjarang, daD menunjukkan bahwapaduan RFe2 merupakan bahan magnetostriktifunggulpada suhu kamar sampai saat ini.

INVAR. Bahan-bahan tersebut dikategorikan feromagnetlunak karena konstanta anisotropinya rendah,sebagaimana ditunjukkan pacta Tabell.Koefisien magnetostriksi bahan-bahan tersebut dapatdilihat pacta Tabe12.

Tabel 2. Koefisien Magnetostriksi Beberapa Bahan FeromagnetLunak.

-;;:;;{jO6f~~)

BahanPEMBAHASAN

FeFeFe(Fei-. -1 wmrt;x<20%Ni Jf~.c}rp.l

),,100 (.106/

di 300K)

20...26,4

-40[91-70 [9]

--'):11-1 (W6/-

di300K)-21 19,2

-8,8 [9]-2,9191

-45 1-11,5 10-26 10

-33 [11,12J

1. Beberapa Definisi

a. Magnetostriksi Joule

Ketika cuplikan magnetostriktif diberi medanmagnet luar, teIjadi deformasi tambahan 81 menurnt arabmedan magnet luar tersebut.. Efek ini ditemukan oleh J.P.Joule [3 ] dan disebut magnetostriksi Joule. Regangan11,=81/1 bersifat anisotrop dan besarnya tergantung datiintensitas medan magnet luar. Regangan tersebutmaksimal ketika medan magnet luar jenuh. Reganganpositif apabila cuplikan membesar dari ukuran semula

(81>0), regangan negatif apabila cuplikan mengecil (81<0).Efek Joule adalah yang paling berguna di antara efek-efek magnetoelastis lainnya.

-50.8 -22.6 -34

3. Bahan-Bahan Magnetostriktif Berbasis LogamTanah J arang

Logam-logam tanahjarang beratkhususnyaDys-prosium, Terbium daB Holmium mempunyaimagnetostriksi yang sangat tinggi pada suhu di bawahsuhu Curie. Namun karena suhu Curie yang sangatrendah, maka logam-logam tanah jarang murni tersebuttidak dapat digunakan sebagai komponen pada suhukamar. Kemudian Clark [4] dari Naval Research Labora-tory daB Verhoeven [5] dari Iowa State University,mempelajari paduan antara logam tanahjarang R danbesi (Fe). Mereka menemukan bahwa pada paduan RFe2,(terutama R = Sm, Th, Er, Tm) terdapat magnetostriksi

yang tinggi pada suhu kamar, yang disertai suhu Curieyang, meskipun lebih rendah daripada suhu Curie logamtransisi 3d, cukup tinggi, yaitu beberapa latus derajat diatas suhu kamar. Keluarga paduan yang lain juga diteliti,seperti RFe3, R2Fe17 dan R6Fe23' namunmagnetostriksinya tidak ada yang setinggi RFe2,Koefisien magnetostriksi bahan-bahan berbasis logamtanah jarang ditampilkan dalam Tabe13 .

b. Magnetostriksi Jenuh, A,

Apabila sebelum diberi medan magnet luar,cuplikan terdemagnetisasi secara isotrop (= momen mag-net atomik terarah secara acak), maka harga maksimalregangan yang terukur sejajar dengan arah medin mag-net luar (AJ disebut magnetostriksi jenuh, As' Di lainpihak, hargamaksimal yang dapat terukur dalam arahtegak lurus medan magnet luar (A.l) adalah -A,/2. Dalamprakteknya, sulit membuktikan bahwa cuplikan yangakan diukur benar -benar dalam kondisi terdemagnetisasi.Oleh karena itu, dilakukan pengukuran regangan duakali, pada arah sejajar dan tegak lurns medan magnetluar, sehingga diperoleh rnmus :

1..=2/3(1...1...II. (1)

2. Bahan-Bahan Magnetostriktif Feromagnet LunakBerbasis Logam Transisi 3d

Beberapa bahan magnetostriktif berupaferomagnet lunak yang dikenal di pertengahan pertamaabad 20 adalah Fe, Ni clan Co murni, paduan-paduanamorf kaya akan Fe atau Co, termasuk di antaranya

Dari Tabel 3 terlihat bahwa bahan-bahan yangmempunyai suat magnetostriktifunggui (disebut GiantMagnetostrictive Materials (GMM) pada suhu kamaradalah paduanRFe2, di manaRadalahlogam tanahjarangbemt. Hal ini disebabkan oleh: (1) suat anisotropi tinggi

68

Bahan-Bahan Magnetostriktif Berbasis Logam Tanah Jarang, Suatu Tinjauan Singkat (Ml Maya Febri)

b. Motor

Bahan magnetostriktif juga digunakan untukmembuat motor-motor berukuran kecil, yang memiliki

torque yang besar, resolusi tinggi (beberapa nanometerataumikrometer), kecepatanrendah(beberapamm/s) [25,26], suatuhal yang sangat sulit diperoleh dengan motorelektromagnet biasa. Motor-motor tersebut dapatdigunakan dalam bidang kedokteran (fine too/-positioning), automotiv dan lain-lain.

C. Transduser

Bahan Tenenol-D yang memiliki regangan dinamisyang tinggi, sesuai untuk penggunaan sebagaitransduser, akustikmaupunmekanik, contohnya: sonar,vibrator, pengeras suara, alat welding, machining,cutting, cleaning, dan lain-lain. Dibandingkan denganbahan piezoelektrik, Terfenol-D mempunyai daya yanglebih tinggi pada frekuensi rendah «20 kHz) [27].Sedangkan untuk penggunaan pada frekuensi tinggiperkembangannya lebih lambat karena adanya masalaheddy-current loss yang hams diatasi. Salah satu caramengatasinya adalah dengan dibuat komposit Terfenol-D berperekat bahan non-metal, seperti bahan polimer [28 ,

29], meskipun unjuk kerjanya lebih rendah dibandingkanbahan sinter. Bahan-bahan magnetostriktif kompositmasih terns dikembangkan untuk meningkatkan sifatmekanik dan unjuk kerjanya [30], dan juga untuk

pembuatankomponen transduser [31,32].

5. Teknologi Sintesis Bahan

yang dimiliki oleh ion logarn-iogarn tersebut (khususnyaTh dan 8m yang awan elekuonnya berbentuk oblat

seperti piringan danprolat seperti cerutu berdiri) -(2)adanya interaksi 'exchange .yang tinggi antara ion-ionFe-Fe dan R-Fe, yang menjaga agar magnetostriksi tidak1:urun drastis seiring naiknya temperatur ke suhu kamar.

Namun, bahan-bahan seperti TbFe2 dan 8mFe2mempunyai anisouopi magnetokristalin yang tinggi yaituK1(TbFe2) = -7,6.106 J/m3 danK1(8mFeJ = 2, 1. 106 J/m3,

sehingga diperlukan intensitas medan yang tinggi untukmenghasilkan regangan tersebut. Clark [14,1'9] telahberhasil menurunkan anisouopi magnetokrist.alin denganmensubstitusikan sebagian Th atau 8m berturut-turutdengan Dy atau Er. Paduan yang terkenal adalab Terfenol-D, yaitu dengan komposisi nominal Tho 3Dy 0 7Fe2. Paduanini kemudian banyak dikembangkan karena anisotropi

magnetokristalinnya rendah (mendekati nol) sedangkan

magnetostriksinya tinggi (TabeI3).Magnetostriksi paduan RFe2 selain tinggi juga

bersifat sangat anisotrop, comohnya, pada paduanTbFe2, /vIII » /v100. Beberapa model mencoba

menerangkan asal-usul anisouopi magnetostriksi yangtinggi pacta paduan RF e2, antara lain yang dikembangkanoleh Cullen dan Clark [20] juga oleh Hathaway dan Cullen[21 ]. Mereka mengatakan bahwa anisouopi disebabkanoleh distorsi internal akibat adanya interaksi elektrostatikyangtidak sarna antara arab [Ill] dan arab [100]. Pactaarab [111] distorsi tersebut jauh lebih besar dibanding

padaarah [100]. Distorsiintemal tersebut yangkemudianmenyebabkan timbulnya regangan makroskopis yanganisotrop.

Model lain yang lebih barn dikemukakan olehBuck dan Fahnle [22 ], yang menyatakan babwa anisouopimagnetostriksi tersebut sudah intrinsik dalarn paduanRFe2, yang merupakan akibat daTi distribusi muatan(awan elektron) yang aspherical daTi ion R dalarn paduantersebut, bukan merupakan akibat daTi distorsi internal.

Pad a skala laboratorium, pembuatan bahanmagnetostriktif berbasis logam tanah jarang dapatdilakukan dengan metode-metode yang umum, sepertiarc-melting, induction melting, penumbuhan kristaltunggal atau metalurgi serbuk. Namun untuk pembuatanpada skala produksi, ternyata perkembangannyamengalami hambatan-hambatan. Salah satunya adalahkurangnya metode produksi massal yang dapat menjamin

pembuatansilinder-silinder, misalnya Terfenol-D, denganukuran bervariasi sesuai pesanan, daD yang memenuhi

spesifikasi unjuk kerja magnetostriktif. Umumnyadiperlukan silinder homogen dengan orientasi butir,kondisi strain daD kondisi permukaan tertentu. Beberapametode yang digunakan pacta skala mendekati skalaproduksi, adalah: free stand zone melting, brigdman,sinter dari serbuk, daD pembuatan komposit berperekat

polimer, masing-masing dengan kelebihan daDkekurangannya. Saat ini, yang dilakukan adalahmemodifikasi atau mengembangkan metode-metodetersebut agar diperoleh bahan sesuai keperluannya(tailoring) atau untuk meminimalkan biaya produksi.Contohnya, produsen besar seperti ETREMA telahmemodifikasi metode Brigdman untuk mengoptimalisasiproses pembuatan silinder-silinder Terfenol-D, sehinggamampu mensuplai bahan dengan berbagai ukuran,

4. Beberapa Kemungldnan Aplikasi

Sampai saat ini banyak sekaii publikasi maupunpaten tentang penggunaan bahan Tenenol-D alanturonannya, tennasuk berbagai desain dan simulasi.Berikut ini beberapa contoh aplikasi [23 , 24] :

a. Aktuator linear clan 'drivers'

Aktuator linear dikembangkan untuk micro-positioners, fuel injectors, fast hydraulic drivers, highpressure controls, helicopter blade control, clan lain-lain. Keunggulan GlvIM terhadap bahan piezoelektrikdalam hal ini adalah kekuatan yang lebih tinggi (largeforce atau high power) clan large displacement padavoltase rendah. Kekurangannya adalah dibutuhkannyasumber daya listrik yang relatif tinggi. Bidang-bidangpenggunaannya antara lain adalah kedokteran, robotikclan automotiv.

69

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411- 7630

[8]. W.J. CARR and R SMOLUCHOWSKI, Phys. Rev.,83 (1951) 1236.

[9]. RC. HALL,J Appl. Phys., 30 (1959) 816.[10]. Y MASIYAMA, Sci. Rep. Tohoku Univ., 21 (1932)

394.[\1]. T. JAGIELIENSKI, K.I. ARAI, N. TSUYA,

S. OHNUMA and T. MASUMOTO, IEEE. Tans.Magn., MAG-13 (1977) 1553.

[\2]. RC. O'HANDLEY,SolidStateCommun.,21 (1977)1119.

[\3]. RN.BOZORlli andR W. HAMMrNG, Phys. Rev.,89 (1953) 865.

[\4]. CLARK,A.E.,AIPConjProc., 18.(1974) 1015.[\5]. VERHOEVEN,JD., GIBSON, ED., MC. MAS1ER

OD.,andBAKER,H.H.,MetaIITrans.,18A(1987)223.

[\6]. BOZORTH, R.M., Ferromagnetism, VanNostrand, Princeton, (1951), Bab 13.

[\7]. SMIT, J.. and WIJN, H.P., Ferrites, Wiley, New

Yolk, (1959).[\8]. KOON,N., eta.I.,J.Appl. Phys., 45(1974) 5389.[\9]. CLARK, A.E. US Patent no. 4,378,258 (1983)[20]. CULLEN, J.R., CLARK, A.E., Phys. Rev., B15

(1977) 4510

[21]. HATHAWAY,K.B., CULLEN,J.R,J.Appl. Phys.,49(1978) 1975

[22]. BUCK, S., F AHNLE, M., J. Magn. Magn. Mater.,204 (1999) LI-L4.

[23]. KOON, N.C. et al., US Patent no 4,375,372 (1983);Savage, H.T. etal., US Patent no 4,308,474 (1981);Yoshikawaet al. US Patent no 5,355,351 (1994);Hartman,G.A.,etal. US Patent no 5,877,432(1999)

[24]. F. CLAEYSSEN, J.A/loysComp., 258 (1997)61dan acuan di dalamnya.

[25]. MJ. GERVER,J.H GOLDIE, W.J.K]M.J.KJLEY,J. R. Swenbeck, "Force Capability ora planar peri-staltic Terfenol-D inchworm motor", SYMPO-SIUM LL, Smart Materials November 30 -Decem-

ber2,1999.http://www.mrs.org/meetings/falI99/progbook/ProgramBookLL .html

[26]. CLAEYSSEN, F. , IEEE Trans. Mag. 32-5 (1996)

part2.pp.4749-475l[27]. DHILSHA, K.R., MARKANDEYULU,

G., SUBRAH-MANYESWARA RAO, B.V.P.,

RAMARAO,K.YS., J.A/loysComp.,258(1997)53 .

[28]. SANDLUND, L., FAHLANDER, M., CEDELL,T., CLARK. AE., RESTORFF, J.B., WUN-FOGLE,M.,J. Appl. Phys. 75-10 (1994) 5656.

[29]. TAKAGI FUMIO, Japanese Patent Application

No.10242543A(1998)[30]. Magnetostrictive composites

http://cad.ucla.edu/amVmagstrict.html[31]. G. P. CARMAN, G. Mcknight and T. Duenas,

"Evaluating the response of magnetostrictivecomposite systems analytical and experimental ",

temlaSuk silinder berukuran besar, mencapai diameter 65mm dan panjang 175 mm [33 ] yang sulit diperoleh denganmetode yang lain tanpa penurunan unjuk kerja.

6. Litbang Bahan Magnetostriktif di Indonesia

Dimulai pada tahun 1997, penelitian danpengembangan bahan magnetostriktif di Indonesiadilakukan di P31B-BATAN, bekerjasama dengan JurusanFisika FMIPA-UI, dalam rangka program RUT V [34 ].Litbang tersebut difokuskan pada pengembangan suatumetode altematif, disebut metode Reduksi-Difusi (RD),untuk pembuatan bahan Terfenol-D berupa setbuk yangmempunyai potensi untuk diaplikasikan di Indonesia,lebih-lebih dengan dukungan potensi sumber daya alamyang tersedia (pasir tambang yang mengandung logamtanahjarang berat). Telah dibuktikan bahwa metode RDmampu menghasilkan bahan Terfenol-D berfasa tunggal,dengan karakteristik magnetik dan magnetostriktifyangbaik. Untuk pengembangan selanjutnya, diperlukan suatutim multidisiplin, yang berkompeten, mempunyaikomitrnen dari keIjasama yang kokoh.

KESIMPULAN

Kontribusi sifat magnetik logam-logam tanahjarang berat sangat besar pacta sifat magnetostriktifpaduan RFe2, Terlihat bahwa bahan tersebutmengungguli bahan feromagnet lunak berbasis logamtransisi 3d yang berkembang di awal abad ke-20, dansampai sekarang masih merupakan bahan magnetostriktifyang unggul pada suhu kamal, khususnya Terfenol~D,

dengan aplikasi yang beragam, multidisiplin, strategisdan sarat teknologi, Oleh karena itu bahan

magnetostriktifpatut mendapat perhatian difudonesia,dan untuk litbangnya diperlukan dukungan SDAyangmemadai dan SDM yang kompeten daD berkomitmenserta kerjasama yang kokoh,

DAFTARPUSTAKA

[1].[2].

[3}.

DARNELL, F.J., Phys. Rev., 132-1 (1963) 128.DE LACHEISSERIE, E. T., Magnetostriction,Theory and Applications, CRC Press, 1993,Appendix IVJOULE, J.P., 1842. On a new class of magneticforces, Sturgeon s Annals of Electricity, 8, 219.On the effects of magnetism upon the dimensionsof iron and steel bars, Phil Mag (3), 30, 76 &225,1847.KNELLER, In : Austausch-Energie, Blochwand-Energie und Blochwanddicke, Landolt-BomsteinSeries, 11-9. Magnetic properties I, Berlin,Springer-Verlaged., (1962)p. 1-114.L. W. MCKEEHAN, Phys. Rev., 51 (1937) 136 ;J.W. Shih,Phys.Rev., 46 (1934) 139.RC. HALL,J.Appl. Phys.,30(1959)816.H. TAKAKI,Z. Physik, 103 (1937)92.

[4].

[5].

[6].[7].

70