Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 8 · SOLID STATE ELECTRONICS

Dielectric, thermomechanical properties and phase transitions in shape memory ceramics (Pb0.95La0.05)(Zr0.65Ti0.35)0.9875O3

V.V. Koledov1, V.G. Shavrov1, A. Peláiz-Barranco2,3, V.S. Kalashnikov1, S.V. Von Gratowski1

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 Университет Гаваны, San-Lazaro
3 Ferroic Materials Group, Physics Faculty - IMRE, Havana University, Cuba, CUB
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.8.6 UDC 621.391, 621.396 EDN SIVOWI

Abstract

The phase transformations in ceramic samples of (Pb0.95La0.05)(Zr0.65Ti0.35)0.9875O3 (PLZT) were studied by differential scanning calorimetry in the temperature range from -120 to 300 ° C, by three-point bending under constant load in the temperature range from -100 to 250 ° C and the method of measuring the dielectric constant in the temperature range from 20 to 450 ° C. It was shown that the material exhibits a second-order ferroelectric phase transition in the temperature range from 100 to 300 ° C and a first-order phase structural transition in the range from -20 to 100 ° C. The data obtained indicate that the low-temperature structural transition has features characteristic of thermoelastic martensitic transitions and is accompanied by reversible deformations during thermal cycling under mechanical load. The possibility of observing the shape memory effect (SME) under the influence of changes in temperature and electric field in ceramics of a given composition is discussed.

  • фазовые переходы
  • эффектом памяти формы
  • термоупругое мартенситное превращение
  • свинцово-титановая-циркониевая керамика
  • phase transitions
  • shape memory effect
  • thermoelastic martensitic transformation
  • lead-titanium-zirconium ceramics
Аннотация (на русском)

Диэлектрические, термомеханические свойства и фазовые превращения в керамическом материале (Pb0.95La0.05)(Zr0.65Ti0.35)0.9875O3 с эффектом памяти формы

Проведено исследование фазовых превращений в образцах керамического материала (Pb0.95La0.05)(Zr0.65Ti0.35)0.9875O3 (PLZT) методом дифференциальной сканирующей калориметрии в интервале температур от -120 до 300 °С, методом трехточечного изгиба под постоянной нагрузкой в интервале температур от -100 до 250 °С и методом измерения диэлектрической проницаемости в интервале температур от 20 до 450 °С. Показано, что материал демонстрирует сегнетоэлектрический фазовый переход второго рода в интервале температур от 100 до 300 °С и фазовый структурный переход первого рода в интервале от -20 до 100 °С. Полученные данные указывают на то, что низкотемпературный структурный переход имеет особенности, характерные для термоупругих мартенситных превращений и сопровождается обратимыми деформациями при термоциклировании под действием постоянной механической нагрузки. Обсуждается возможность наблюдения эффекта памяти формы (ЭПФ) под воздействием изменения температуры и электрического поля в материале указанного состава.

For citation

Koledov V.V., Shavrov V.G., Peláiz-Barranco A., Kalashnikov V.S., Gratowski S.V. Von Dielectric, thermomechanical properties and phase transitions in shape memory ceramics (Pb0.95La0.05)(Zr0.65Ti0.35)0.9875O3 // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.8.6

References

  1. Wei, Z. G., Sandstroröm, R., Miyazaki, S. Shape-memory materials and hybrid composites for smart systems: Part I Shape-memory materials. Journal of Materials Science. 1998. Vol. 33. No. 11. P. 3743-3762.
  2. Swain, M. V. Shape memory behavior in partially stabilized zirconia ceramics. Nature. 1986. Vol. 322. No 6076. P. 234-236.
  3. Г. С. Олейник. Структурные механизмы пластической деформации керамических материалов. Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев. Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев: Ин-т пробл. материаловедения АН УССР, 1989. - С. 58-72.
  4. Дрожжин А. И., Сидельников И. В. Эффект памяти формы в изогнутых диэлектрических материалах после отжига. Физика и химия обработки материалов. 1980. № 6. С. 101-104.
  5. Зуев Л. Б., Данилов В. И., Мальцев В. Д., Березовский В. И. Обработка отжигом изогнутых полупроводниковых кристаллов и возникновение эффекта памяти формы в них. Изв. вузов. Физика. 1978. № 12. С. 76-80.
  6. Ejiri Koichi. Dekinking of Bent MgO Crystals. J. Amer. Ceram. Soc. 1974. Vol. 57. Nо. 9. P. 416-419.
  7. Шевченко А. Д., Шульженко А. А. Эффект памяти формы в ВТСП керамике YBa2Сu3O7-d, полученной в условиях высокого давления. Физика и техника высоких давлений. 1991. Vol. 1. № 2. С. 57-60.
  8. Sergo, V., Schmid, C., Meriani, S., Evans, A. G. Mechanically Induced Zone Darkening of Alumina/Ceria-Stabrlized Zirconia Composites. Journal of the American Ceramic Society. 1994. Vol. 77. No. 11. P. 2971-2976.
  9. Uchino, K. Antiferroelectric shape memory ceramics. Actuators Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2016. Vol. 5, No. 2, p. 11.
  10. Kimura, T.; Newnham, R.E.; Cross, L.E. Shape-Memory Effect in PLZT Ferroelectric Ceramics. Phase Trans. 1981, 2, 113-116.
  11. Uchino, K. Ferroelectric Shape Memory Ceramics. Oyo Butsuri. 1985. Vol. 54. P. 591-595.
  12. Heuer, A. H., Ruhle, M., Marshall, D. B. On the thermoelastic martensitic transformation in tetragonal zirconia. Journal of the American Ceramic Society. 1990. Vol. 73. No. 4. P. 1084-1093.
  13. Wei, Z. G., Sandstroröm, R., Miyazaki, S. Shape-memory materials and hybrid composites for smart systems: Part I Shape-memory materials. Journal of materials science. 1998. Vol. 33. No. 15. P. 3743-3762.
  14. Reyes-Morel, P. E., Cerng, J. S., Cheng, I. W. Transformation Plasticity of CeO2-Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals: II, Pseudoelasticity and Shape Memory Effect. Journal of the American Ceramic Society. 1988. Vol. 71. No. 8. P. 648-657.
  15. Reyes-Morel, P. E., Cerng, J. S., Cheng, I. W. Transformation Plasticity of CeO2-Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals: I, Stress Assistance and Autocatalysis. Journal of the American Ceramic Society. 1988. Vol. 71. No 5. P. 343-353.
  16. M. V. Swaint. Shape memory behavior in partially stabilized zirconia ceramics Nature. 1986. Vol. 322 P. 234.
  17. Jiang, B., Tu, J., Hsu, T. Y., Xu, Z., Qi, X., Zheng, X., & Zhong, J. The Effect of Some Factors on Ms and SME in Ce-TZP Ceramics. MRS Online Proceedings Library Archive. 1991. P. 246.
  18. B. C. Muddle, G. R. Hugo, in ‘‘Proceedings of the International Conference on Martensitic Transformations’ 92’’, edited by C. M. Wayman and J. Perkins 1992. P. 647.
  19. Kriven, W. M.). Displacive transformations and their applications in structural ceramics. Le Journal de Physique 1995. IV, 5(C8), C8-101.
  20. Mamivand, M., Zaeem, M. A., El Kadiri, H. Shape memory effect and pseudoelasticity behavior in tetragonal zirconia polycrystals: a phase field study. International Journal of Plasticity. 2014. Vol. 60. Vol. 71-86.
  21. Kelly, P. M., & Rose, L. F. The martensitic transformation in ceramics-its role in transformation toughening. Progress in Materials Science. 2002. Vol. 47. No. 5. P. 463-557.
  22. Lai, A., Du, Z., Gan, C. L., & Schuh, C. A. Shape memory and superelastic ceramics at small scales. Science. 2013. Vol. 341 No. 6153. P. 1505-1508.
  23. Du, Z., Zeng, X. M., Liu, Q., Lai, A., et al. Size effects and shape memory properties in ZrO2 ceramic micro-and nano-pillars. Scripta Materialia. 2015. Vol. 101. P. 40-43.
  24. J. San Juan, M. L. Nó, and C. A. Schuh. Nanoscale shape-memory alloys for ultrahigh mechanical damping. Nature Nanotechnology. 2009. Vol. 4. No. 7. P. 415-419.
  25. A. Lai, Z. Du, C. L. Gan, and C. A. Schuh. Shape Memory and Superelastic Ceramics at Small Scales. Science. 2013. Vol. 341. No. 6153. P. 1505-1508.
  26. A. Runciman, D. Xu, A. R. Pelton, and R. O. Ritchie. An equivalent strain/Coffin-Manson approach to multiaxial fatigue and life prediction in superelastic Nitinol medical devices. Biomaterials. 2011. Vol. 32. No. 22. P. 4987-4993.
  27. Barranco, A. Peláiz, Piar, F. Calderón, Guerra, J. De los Santos and Martínez, O. Pérez. Properties of grainoriented in ternary system based on lead titanate zirconate ceramics. Ferroelectrics. 1998. Vol. 211. No. 1. P. 249 - 257.
  28. V. S. Kalashnikov, V. V. Koledov, D. S. Kuchin, A. V. Petrov and V. G. Shavrov A Three-Point Bending Test Machine for Studying the Thermomechanical Properties of Shape Memory Alloys. Instruments and Experimental Techniques. 2018. No. 2. P. 306-312.