Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Ceramics Aluminium Oksida dan Aplikasinya pada Lampu Uap

Aluminium (Al) adalah salah satu kelompok material logam yang terdapat di dalam kehidupan kita sehari-hari seperti tongkat golf, lemari es, komponen suspensi dan transmisi mobil, badan pesawat terbang, hingga kapal induk militer juga mengandung aluminium karena sifatnya yang ringan. Akan tetapi, aluminium oksida (\textrm{Al}_2 \textrm{O}_3 atau ceramics) merupakan salah satu senyawa aluminium yang berbeda dari sifat aluminium itu sendiri.

Pada dasarnya aluminium oksida merupakan tipikal dari ceramics, dengan MgO dan silica (\textrm{Si} \textrm{O}_2) merupakan contoh lain yang sejenis. Di samping itu, silica merupakan komponen dasar dari kelompok silicates, seperti lempung atau bahan mineral lain. Silicon nitride (\textrm{Si}_3 \textrm{N}_4) merupakan salah satu jenis material non-oxide ceramics yang juga memiliki banyak aplikasi yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.

Aluminium oksida memiliki dua manfaat utama dibandingkan dengan sifat aluminium: (1) Aluminium oksida merupakan senyawa yang tetap stabil pada kondisi-kondisi lingkungan yang ekstrem, sedangkan aluminium dapat teroksidasi dalam kondisi-kondisi tertentu; (2) Aluminium oksida memiliki titik leleh yang tinggi (> 2000 ^\circ \textrm{C}), nilai ini jauh lebih tinggi ketimbang titik leleh aluminium (660 ^\circ \textrm{C}). Oleh karena itu, aluminium oksida dikategorikan sebagai salah satu material tahan panas (refractory) yang banyak digunakan dalam industri pengolahan logam. Pada artikel ini akan sedikit dibahas mengenai beberapa kekurangan dan keunggulan yang dapat diperoleh dalam penggunaan aluminium oksida, termasuk di antaranya sebagai lampu uap natrium temperatur tinggi (LUCALOX R Alumina).

(Kiri) Logam aluminium (Al); (Kanan) Aluminium oksida. Sumber gambar: http://wikipedia.org

(Kiri) Logam aluminium (Al); (Kanan) Aluminium oksida. Sumber gambar: http://wikipedia.org

Setelah mengetahui beberapa sifat dan keunggulan dari aluminium oksida jika dibandingkan dengan logam aluminium, selanjutnya mengapa aluminium oksida tidak digunakan untuk membuat perangkat-perangkat mesin dan lainnya untuk menggantikan aluminium? Jawabannya, salah satu keterbatasan yang utama dari aluminium oksida ini ialah tingkat kerapuhan (brittleness) yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan aluminium. Aluminium dan kelompok logam lainnya memiliki tingkat keuletan (ductileness) yang tinggi sehingga pengaruh benturan dari luar pada suhu ruang tidak berakibat fatal pada material logam seperti aluminium. Oleh sebab itu, material aluminium oksida tidak dapat digunakan untuk aplikasi dalam perangkat keras mesin karena tingkat kerapuhan yang cukup tinggi.

Meskipun tidak dapat digunakan sebagaimana dalam bentuk logam aluminium, salah satu manfaat aluminium oksida adalah sebagai material transparan yang tahan panas yang banyak digunakan dalam teknologi penerangan komersial (commercial lighting). Akan tetapi, diperlukan teknologi pemanasan suhu tinggi pada proses manufaktur. Aluminium oksida komersial yang biasanya diproduksi dengan cara memanaskan bubuk kristal aluminium oksida pada suhu tinggi masih mengandung rongga-rongga kecil yang sering disebut dengan residual porosity. Residual porosity ini terbentuk secara alamiah pada saat proses pemanasan bubuk kristal aluminium oksida itu berlangsung, yang kemudian berperan penting saat menentukan tingkat kerapuhan, dan yang lebih penting mengurangi tingkat transparansi aluminium oksida tersebut.

 (Atas-kiri) Lampu komersial LUCALOX(R) yang beredar luas di pasaran ; (Atas-kanan) Bagan lampu LUCALOX R ; (Bawah) Tabel spesifikasi lampu LUCALOX(R). Sumber gambar: http://www.gelighting.com/LightingWeb/emea/

(Atas-kiri) Lampu komersial LUCALOX(R) yang beredar luas di pasaran ; (Atas-kanan) Bagan lampu LUCALOX R ; (Bawah) Tabel spesifikasi lampu LUCALOX(R). Sumber gambar: http://www.gelighting.com/LightingWeb/emea/

Untuk mengamati residual porosity, kita dapat mengambil contoh dari busa sponge. Sebesar apapun usaha yang kita berikan untuk merapatkan (atau mengurangi) jumlah rongga pada sponge, masih akan terdapat rongga-rongga kecil di dalamnya. Untuk mengurangi jumlah rongga-rongga tadi, kita sebaiknya mengisi kekosongannya dengan material lain yang lebih kecil. Cara inilah yang kemudian diterapkan pada aluminium oksida. Rongga-rongga mikroskopis yang terdapat dalam aluminium oksida akan menyebabkan hilangnya tranparansi (transmisi cahaya tampak) karena adanya mekanisme hamburan cahaya. Dalam hal ini, setiap rongga udara yang terdapat pada permukaan merupakan sumber hamburan cahaya (refraction).

Hanya sekitar 0,3% rongga yang terdapat dalam aluminium oksida dapat menurunkan kemampuan transmisinya dan 3% rongga dapat menyebabkan aluminium oksida menjadi buram (opaque). Untuk mengurangi jumlah rongga ini, digunakan Lucalox paten, yaitu penambahan 0,1 wt% MgO yang secara signifikan dapat mereduksi jumlah rongga-rongga mikroskopis sehingga aluminium oksida memiliki kemampuan transmisi yang lebih baik. Dalam hal ini ketidakmurnian 0,1 wt% MgO menyebabkan proses pemadatan (densification) aluminium oksida menjadi lebih sempurna.

Hingga saat ini aluminium oksida telah menjadi salah satu komponen terpenting dalam desain lampu uap natrium suhu tinggi yang dapat memberikan intensitas cahaya yang jauh lebih tinggi dari lampu bohlam konvensional (100 lumens/W dibandingkan dengan 15 lumens/W; lihat datanya pada tabel spesifikasi lampu LUCALOX).

Bahan bacaan:

Penulis
Fran Kurnia, mahasiswa S3 di The University of New South Wales (UNSW), Australia.
Kontak: fran.kurnia(at)yahoo(dot)com