Mengenal Keramik Oksida sebagai Alternatif Material pada Kehidupan yang Modern

B. Zirkonia

Selain keramik alumina oksida, keramik jenis oksida juga memiliki jenis lainnya, yaitu keramik zirkonia. Keramik zirkonia (ZnO2) merupakan bahan keramik yang memiliki tingkat kekerasan, ketangguhan, dan ketahanan korosi yang sangat baik tanpa kerapuhan yang biasa terjadi pada bahan keramik lainnya. Pada bagian ini, kita akan membahas pula jenis dan karakteristik, preparasi, aplikasi dan pengembangan, serta kelebihan dan kekurangan keramik zirkonia. Untuk itu, mari kita beda satu per satu.

1. Jenis dan Karakteristik

Tidak seperti keramik alumina, keramik zirkonia memiliki bermacam-macam jenisnya. Berikut merupakan jenis-jenis keramik zirkonia.

• Ceria Stabilized Zirconia (CSZ) memiliki kekuatan dan ketangguhan terhadap lingkungan yang lembab. Jenis CSZ juga memiliki kekuatan tekan yang tinggi sehingga dapat digunakan untuk produksi sensor, pompa, dan sistem kontrol fluida. CSZ memiliki kerentanan yang kecil terhadap air karena dapat menahan kondisi suhu yang tinggi.
• Fully Stabilized Zirconia (FSZ) memiliki ketahanan korosi dan kekuatan tekan yang tinggi sehingga mudah diaplikasikan pada suhu yang tinggi. FSZ ini distabilkan dengan yttrium agar mampu bertahan dalam kisaran suhu yang luas karena apabila tidak distabilkan dengan yttrium akan menyebabkan retakan pada keramik.
• Partially Stabilized Zirconia (PSZ) memiliki ketangguhan yang tinggi bahkan pada suhu tinggi karena struktur butir mikrokristalinnya. PSZ tahan terhadap korosi saat terkena aliran fluida suhu tinggi. PSZ banyak dimanfaatkan sebagai segel pompa untuk bahan kimia kaustik dan bantalan rol tekanan gesekan.
• Tetragonal Zirconia Polycrsytal (TZP) memiliki ketangguhan retak dan kekerasan yang baik serta ketahanan korosi. TZP biasa digunakan sebagai lapisan penghalang termal, bahan utama medis, seperti penggantian pinggul dan rekonstruksi gigi.
• Transformed Toughened Zirconia (TTZ) disebut baja keramik karena respon tegangannya saat ditekan mirip dengan baja dibandingkan keramik yang rapuh. Penggunaan TTZ yang umum adalah pisau keramik.
• Zirkonia Toughened Alumina (ZTA) memiliki stabilitas termal dan kekuatan yang baik. Regangan diterapkan pada zirkonium yang menyebabkan partikel zirkonium berberak bebas dengan partikel alumina. Hasil regangan tersebut berupa bahan keramik dengan kekuatan yang meningkat

2. Preparasi

Bagi kalian yang tertarik untuk membuat keramik zirkonia, proses pembuatan keramik zirkonia ini sama halnya dengan keramik alumina. Pembuatan keramik zirkonia juga melalui proses kalsinasi zirkonium, meliputi pemanasan hingga suhu tinggi. Persiapan serbuk zirkonia menjadi tahapan awal pembuatan keramik zirkonia melalui pencampuran dalam berbagai bentuk, seperti pencampuran mekanik yang menghasilkan porositas tinggi, pencampuran multifase dengan menyiapkan suspensi satu fase dengan komponen terdispersi dan menentukan kondisi agar partikel terdispersi secara seragam, suspensi sol dengan pengadukan atau pemanasan sehingga menghasilkan keramik komposit nano campuran tinggi, serta sol gel yang menghasilkan bahan padat berupa bubuk nano campuran seragam. Proses selanjutnya adalah penggilingan dan pemadatan dimana campuran digabung dengan penstabil dan pengikat lalu dikompresi di bawah 60-100 MPa. Proses pemadatan digunakan untuk membuat bubuk zirkonia oksida.

Jika kalian masih ingat, pada awal artikel ini dibahas sedikit tentang proses sintering.  Proses sintering menjadi proses yang menentukan keramik zirkonia berkualitas melalui pemanasan bubuk zirkonia yang telah distabilkan sebelumnya dengan beberapa cara, seperti listrik, tekanan tinggi, aktivasi, dan pengopresan panas. Sintering merupakan metode untuk mengkonsolidasi bubuk keramik dengan pemanasan di bawah titik leleh sehingga partikel zirkonia berdifusi. Sintering ada berbagai jenisnya, yaitu sintering medan listrik, sintering tekanan tinggi, sintering aktivasi, sintering tekan panas, dan sintering dingin. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas lebih lanjut.

Sintering medan listrik menggunakan arus listrik searah (DC) dimana pemanasan dilakukan langsung dengan elektroda tungku sehingga densifikasi terjadi dan mengurangi suhu sintering. Sintering tekanan tinggi, bubuk keramik zirkonia disinter pada tekanan ratusan ribu atm agar kepadatan keramik tinggi dan kristal halus tanpa pori. Keberhasilan teknik ini bergantung pada cara mencetak bahan, menyegel dengan vakum, dan menggunakan bahan zirkonia murni. Sintering aktivasi menggunakan metode fisika (medan listrik, medan magnet, ultrasonik, radiasi) atau kimia (reaksi redoks, halida, hidroksida, disosiasi oksida) dengan prinsip memaksa molekul reaktan ke keadaan energi tinggi selama dan sebelum sintering. Sintering tekan panas memiliki prinsip keadaan aktif reaktan dari sintering aktivasi dan menggunakan energi yang lebih tinggi selama perubahan fase dekomposisi. Sintering dingin melalui pengurangan suhu untuk mengurasi emisi karbon dari industri dengan menggunakan cairan dan interdifusi partikel. Bahan bubuk dicampur dengan cairat yang larut. Saat panas dan tekan diterapkan, bahan padat mengendap.

Itulah proses pembuatan atau preparasi untuk memperoleh keramik zirkonia. Prosesnya memang cukup banyak, tetapi dengan proses tersebut akan dihasilkan material yang berkualitas dan bermanfaat bagi berbagai aplikasi industri. Untuk mengetahui aplikasi di berbagai industri dan pengembangannya, mari kita bahas di bawah ini.

3. Aplikasi dan Pengembangan

Penggunaan keramik zirkonia yang beragam menjadikannya bahan yang berguna dalam menciptakan desain baru karena kekerasan dan kekuatannya. Keramik zirkonia banyak ditemukan bidang kesehatan, khususnya kedokteran gigi dan pengganti tulang. Zirkonia memiliki keestetikan dan kekuatan yang dibutuhkan sebagai pasak, implan, serta mahkota dan jembatan gigi. Pasak gigi dari keramik zirkonia berfungsi sebagai pengganti logam dalam merestorasi bagian depan gigi. Penggunaan logam sebagai pasak gigi menyebabkan perubahan warna menjadi abu-abu sehingga keramik zirkonia dapat digunakan sebagai penggantinya karena dapat menghilangkan sifat korosif di mulut yang berbahaya.

Pernahkah kalian mengunyah makanan secara kuat dan menyebabkan kerusakan pada mahkota gigi? Jika kalian pernah, keramik zirkonia dapat digunakan sebagai alternatif untuk mahkota pada gigi karena kekuatannya sehingga cocok dipakai bagi pasien terbiasa mengunyah secara kuat. Selain itu, zirkonia memiliki kemampuan beradaptasi pada lingkungan tertentu sehingga dapat dipasang dengan mudah menggunakan sekrup di dalam mulut dan dipakai sebagai penyangga untuk menghalangi cahaya masuk ketika ada jaringan gingiva tipis tanpa mengurangi penampilan estetikanya.

Bagi kalian yang memakai braket atau penahan gigi yang berfungsi untuk menjaga kabel kawat gigi tidak terlepas dari gigi dapat menggunakan keramik zirkonia sebagai alternatif pengganti braket logam. Selain itu, keramik zirkonia juga dapat digunakan sebagai implan gigi karena baik bagi kesehatan gusi daripada menggunakan logam. Itulah aplikasi dan pengembangan keramik zirkonia di bidang kesehatan gigi.

Aplikasi dan pengembangan lain dari keramik zirkonia ada di bidang ortopedi sebagai sambungan sendi pinggul ketika ada kerusakan yang menyebabkan tulang melemah dan runtuh sehingga perlu diganti oleh suatu baja atau titanium. Keramik zirkonia dapat dijadikan sebagai alternatif pengganti karena kekuatan dan keausannya yang lama. Selain pinggul, penggantian lutut juga dapat menggunakan keramik zirkonia diperlukan ketika terjadi artritis pada sendiri dan terasa nyeri.

Selain di bidang kesehatan, keramik zirkonia juga berguna di bidang mekanik, seperti pisau pemotong, bantalan keramik, katup keramik, krusibel, dan pelat filter. Pisau pemotong dari keramik zirkonia digunakan karena sifat kekerasan dan kekuatan yang baik seperti baja dengan butiran yang halus membuatnya tahan lama. Bilah pisau yang digunakan pun tahan aus dan korosi sehingga mampu bertahan di berbagai lingkungan. Bantalan keramik membutuhkan bahan yang tahan aus, korosi, dan berbagai suhu yang ekstrim. Salah satu bahan tersebut adalah keramik zirkonia. Bantalan keramik zirkonia tidak membutuhkan pelumas oli sehingga dapat digunakan dalam kipas pendingin pada komputer karena stabilitas kebisingannya rendah. Selain itu, keramik zirkonia juga dimanfaatkan sebagai katup keramik saluran pipa karena ketahanannya terhadap aus, korosi, suhu, dan panas yang tinggi menjadi sifat yang sempurna untuk katup keramik. Saluran pipa yang dilewati oleh berbagai bahan kimia, seperti CO2, minyak, hidrogen sulfida, dan air limbah memerlukan bahan yang tidak menyebabkan kerusakan yang cepat sehingga keramik zirkonia menjadi pilihan yang tepat.

Selain itu, krusibel atau wadah tahan api untuk melelehkan logam mulia yang biasa terdapat di dalam laboratorium dapat menggunakan keramik zirkonia yang distabilkan oleh yttrium agar tahan terhadap korosi dan aus dengan berbagai kapasitar ukuran krusibel. Pengembangan lainnya dalam bidang mekanik dari keramik zirkonia adalah pelat filter. Pelat filter memerlukan bahan yang tahan terhadap goncangan, kekuatan terhadap suhu, dan porositas yang tinggi. Keramik zirkonia memenuhi persyaratan tersebut sehingga dapat digunakan sebagai pelat filter.

4. Kelebihan dan Kekurangan

Sama halnya dengan keramik alumina, keramik zirkonia pun memiliki kelebihan dan kekurangan. Penggunaan zirkonia sebagai bahan baku pembuatan keramik memiliki beberapa kelebihan, diantaranya memiliki tingkat kekerasan, ketahanan korosi yang baik, dan tidak rapuh seperti bahan keramik lainnya. Adapun kekurangan penggunaan keramik zirkonia, yaitu memiliki translusensi yang tidak baik dibandingkan dengan glass ceramic dan dapat mengalami degradasi pada suhu rendah atau low temperature degradation.

C. Magnesium Oksida (MgO)

Magnesium oksida (MgO) merupakan perpaduan antara logam alkali tanah dan oksida yang diproses dari kalsinasi bahan alami, yaitu magnesit (MgCO3). Magenisum oksida memiliki titik leleh yang hampir sama dengan zirkonia, yaitu sekitar 2800℃ dan menjadikannya senyawa oksida dengan titik leleh yang tinggi.

1. Jenis dan Karakterisasi

Keramik magnesium oksida umum digunakan karena memiliki ketahanan korosi yang baik, tidak sensitif terhadap radiasi infra merah, bekerja baik pada suhu tinggi atau renadah, dan cocok digunakan untuk bahan insulator karena sifatnya yang tidak berubah ketika dipanaskan. Hal tersebut disebabkan karena pada proses pembuatan keramik magnesia melalui beberapa tahap. Untuk mengetahui tahapan-tahapan tersebut, mari kita bahas di bawah ini.

2. Preparasi

Magnesium Oksida (MgO) memiliki struktur kristal kubik yang dapat diperoleh dari dolomit pada suhu tinggi atau sedang. Fakta lainnya dari Magnesium Oksida (MgO) dapat ditemukan juga di air laut atau endapan air asin di bawah tanah sehingga MgO termasuk ke dalam unsur yang melimpah sekitar 2% di kerak bumi dan 0,12% di air laut. Namun, saat ini produksi Magnesium Oksida (MgO) biasa diproduksi dari kalsinasi mineral alami, yaitu magnesit (MgCO3). Proses kalsinasi mengubah MgCO3 dan Mg(OH)2 menjadi oksidanya. Faktor suhu pada proses kalsinasi berpengaruh terhadap jenis magnesium oksida yang terbentuk. Ketika suhu tinggi, sekitar di atas 1500℃, maka proses kalsinasi akan menghasilkan magnesium yang terbakar mati. Lain halnya ketika suhu yang digunakan melebihi 2650℃, maka proses kalsinasi akan menghasilkan magnesia leburan.

Pengaruh suhu juga mempengaruhi luas permukaan dan ukuran pori magnesium oksida sehingga berpengaruh pula terhadap reaktivitas oksida. Sifat dan tingkat pengotor yang terbentuk pada proses preparasi magnesium klorida dipengaruhi oleh sumber mineral. Oleh karena itu, perlu pemilihan sumber mineral yang baik untuk membentuk magnesium oksida murni. Itulah sedikit fakta tentang preparasi keramik magnesia. Tidak sekompleks keramik oksida yang kita bahas sebelumnya bukan?

3. Aplikasi dan Pengembangan

Aplikasi dan pengembangan Magnesium Oksida (MgO) sangat banyak diaplikasikan di berbagai bidang, seperti mekanik, industri, dan elektronik. Magnesium Oksida (MgO) dimanfaatkan sebagai bahan yang tahan api dan korosi. Magnesia ini sering dikombinasikan dengan krom atau spinel untuk industri manufaktur. Krusibel dari magnesium oksida juga dapat dimanfaatkan karena bahannya yang tahan api dan biasa diaplikasikan di industri kimia untuk mengurangi korosi suatu zat. Krusibel dari magnesium oksida sering ditambah dengan bahan aditif untuk mengurangi pertumbuhan kristal, seperti yttria. Penggunaan magnesium oksida sebagai krusibel dipilih karena sifatnya yang stabil pada suhu tinggi, sekitar 1400-2400℃.

Selain itu, keramik magnesia dapat digunakan sebagai lapisan rem sifat elektromekanis yang dimilikinya. Keausan rendah dan kekerasan yang cukup juga menjadikan magnesium oksida sebagai lapisan rem tidak menghantarkan panas yang tinggi dari kontak gesekan. Selain kekerasan dan keausan yang rendah, magnesium oksida juga memiliki sifat elektro-optik yang dapat dimanfaatkan untuk pembuatan film pelindung yang dapat melindungi layar tampilan plasma. Hal ini membuktikan bahwa keramik magnesia bermanfaat bagi bidang industri.

4. Kelebihan dan Kekurangan

Penggunaan magnesium oksida sebagai bahan baku pembuatan keramik atau yang lebih sering dikenal sebagai keramik magnesia memiliki beberapa kelebihan, diantaranya memiliki titik leleh yang lebih tinggi dibanding oksida lainnya sehingga menjadikannya bahan tahan api yang baik dan isolator yang baik sehingga dapat digunakan sebagai bahan tahan api serta listrik. Adapun kekurangan penggunaan keramik magnesia, yaitu rapuh dan mudah pecah.

Nah itulah beberapa contoh keramik oksida yang sering ditemukan di berbagai bidang industri. Bahan-bahan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing sesuai sifat dan karakteristik yang dimilikinya. Jenis dari masing-masing bahan keramik tersebut berbeda, tetapi memiliki cara preparasi yang hampir sama, yaitu melalui proses kalsinasi dengan sumber material yang berbeda. Aplikasi dan pengembangan dari keramik oksida juga bermacam-macam di beberapa bidang, seperi bidang kesehatan, mekanik, industri, elektronik, dan lain sebagainya.

Selain bahan keramik oksida di atas, ada juga keramik oksida lainnnya, seperti barium titanat (BaTiO3), silika (SiO2), thoria (ThO2), berillia (BeO), spinel (MgAl2O4), forsterit (Mg2SiO4), dan masih banyak lagi. Wujud dari keramik bahan tersebut tumbuh secara alami di dalam mineral dan batu-batuan. Keramik-keramik oksida tersebut juga melalui proses dan sumber material yang berbeda sesuai kebutuhannya masing-masing. Keramik oksida murni tersebut biasa digunakan sebagai alat listrik khusus dan komponen peleburan logam.

Banyaknya aplikasi dan pengembangan dari keramik oksida maupun keramik lainnya membuat keramik dianggap sebagai material yang canggih bagi perkembangan teknologi. Oleh karena itu, keramik dijadikan sebagai material pengganti yang efektif dan efisien untuk diterapkan di berbagai bidang. Bahan keramik digunakan sesuai dengan pekerjaan yang dilakukan, baik pada pengaruh temperatur, isolator listrik, sistem tahan karat atau korosi, dan lain sebagainya. Dengan demikian, keramik oksida dapat memenuhi kebutuhan dan dapat digunakan serta dikembangkan pada kehidupan yang modern ini. Menarik bukan?