论文摘要
具有钙钛矿结构的铁电材料,特别是Ti基铁电体,无论在机理探究还是实际应用方面都受到了广泛关注。Ti离子在晶格中的运动及其与周围离子的相互作用会对材料的介电、铁电与压电性能产生影响。研究者在先兆性铁电体SrTiO3及其掺杂体系中观察到了一些奇异的电学行为,结果发现这些现象与施主／受主离子掺杂后引入的缺陷类型有关,这对于阐明铁电性的产生根源,排除其他非本征因素的干扰具有重要意义。典型的钙钛矿型铁电体BaTiO3及其改性体系不仅已经被用来工业化生产多层陶瓷电容器（MLCC）,还被用来研究铁电性产生的相关机制。SrTiO3与BaTiO3的固溶体—（Ba,Sr）TiO3（BST）—其介电常数在一定温度范围内能够随着外偏置直流电场的增加而降低,即具有介电非线性,利用这一点可以制作移相器。一般认为介电非线性的产生是本征与非本征因素共同作用的结果,而非本征因素主要与极性微区与外电场的耦合作用有关。考虑到移相器对性能的要求,一般认为工作于顺电相的BST性能较为优异,但纯BST介电常数与介电损耗较高、温度稳定性较差,因此可以将BST与不同的微波介质复合,以期提高其综合介电性能。铁电材料的另一个重要用途是用来制作压电器件。传统的钙钛矿型压电材料女（?）Pb（Zr,Ti）O3（PZT）. Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3（PMN-PT）等已经被广泛的应用于压电驱动器、超声马达及表面超声波器件等领域,但其中所含的铅会对生态环境和人类健康造成危害,因此研究新型的环境友好的无铅压电陶瓷材料意义重大。在诸多无铅压电体系中,（Na,K1-x）NbO3（NKN）体系因其较高的居里温度、较大的压电系数和机械耦合因数而受到国内外研究者的高度关注,是一种极具潜力的含铅压电陶瓷替代品。但未经改性的NKN陶瓷容易潮解,并且在烧结过程中Na与K元素的挥发会导致材料偏离化学计量比,难以烧结致密；此外,NKN体系的压电性能与传统的铅基压电陶瓷如PZT之间还有相当大的差距。因此,无论从材料组分方面还是工艺方面对NKN体系的改性都十分必要。基于以上研究背景,本论文通过实验研究和理论分析得到了以下研究成果：1.对SrTiO3陶瓷体系内部复杂的掺杂机制以及出现在其中的相关异常介电行为进行了系统深入的研究。采用传统的固相法制备了不同Pr含量的SrTiO3陶瓷（0.00≤x≤0.07）。在介电温谱图中观察到了多个异常介电峰,首次观察到了Pr掺杂SrTiO3陶瓷的室温巨介电现象。当掺杂量很小时（x=0.01）,出现在SrTiO3陶瓷中的巨介电行为与局域电荷的跃迁及晶界层效应有关；当掺杂量较大时（x≥0.04）,出现在Srl-xPrxTi03陶瓷中的异常介电峰是电子在热刺激下发生跃迁的一种电导行为,并非铁电相变。2.利用铁电体的扩散相变特征并结合第二相复合的研究思路对BST基铁电材料的温度稳定性进行了研究。采用标准电子陶瓷制备工艺制备了100（1-y）wt%（Ba0.6Sr0.4）（Ti0.8Zr0.2）O3-100ywt%MgO复相陶瓷,其中y=0.4、0.5、0.6、0.7。实验结果表明：Zr元素的加入能够有效减小BST的晶粒尺寸,展宽其居里峰并降低低频介电损耗；在Zr改性的基础上,MgO第二相的加入进一步降低陶瓷的晶粒尺寸,抑制介电常数与介电损耗,并将居里转变峰移向低温端,从而改善了该体系的温度稳定性。y=0.6时试样的综合介电性能最佳：较低的介电常数与损耗（88,0.00027）,较高的介电可调度（3kV/mm时为6.2%）,较高的优化因子（230）,非常低的温度系数（TCP=-0.003℃-1）以及较高的Qf值（780）。3.利用高能球磨系统的研究了不同球磨时间、转速、热处理温度等因素对BST粉体及陶瓷微观结构与介电性能的影响。实验结果表明：高能球磨能够有效降低BST粉体的预烧温度近200℃,减小粉体的颗粒尺寸,获得微纳米级的BST粉体；制备的BST陶瓷烧结温度下降,成瓷性良好,晶粒尺寸可以有效地降低至微纳米量级,改变烧结温度还可以有效的控制晶粒尺寸；虽然有部分BaWO4相生成,但此第二相的生成有助于降低BST体系的介电损耗,从而不恶化其介电性能。在400/800rpm的转速下球磨10小时并于1100℃烧结2小时的BST陶瓷具有较好的综合介电性能：较低的介电常数和介电损耗（分别为332和0.0035）；较高的介电可调度（2kV/mm下为37.5%）；较高的优化因子（107.4）；以及较低的TCP值（-0.016℃-1）。因此,高能球磨法能够有效的降低BST体系的烧结温度、减小陶瓷的晶粒尺寸、改善其温度稳定性,这有利于BST基铁电材料在移相器方面的实际应用。4.将BST与一种化学组成为A（B’B"）O3的有序-无序型钙钛矿结构材料—0.4La（Mg0.5Ti0.5）O3-0.6（La0.5Na0.5）TiO3-进行了复合,在复合体系中观察到了一种异常介电非线性行为,即介电常数随着外加直流偏置电场的增加而增加,这完全有别于传统的介电非线性行为——介电常数随电场的增加而减小；此外,我们还观察到了一种低温介电弛豫（LTDR）行为。利用Arrhenius公式对数据拟合后发现,这一低温介电弛豫过程的产生与电子在热刺激下的跃迁有关；异价离子引入后产生的氧空位及其对极性微区（PNRs）的阻滞作用是导致这一异常介电非线性出现的主要原因。5.针对纯NKN陶瓷在空气中易潮解以及高温烧结过程中由于碱金属的挥发而难以烧结致密的问题,采用氟化物添加剂并结合等价元素替换对其进行了改性研究。结果发现,采用固相法制备的组成为x（NaF-0.5Nb2O5）-（1-X）[（Na0.5K0.5）-（Nb0.8Ta0.2）O3]（100xNNN-NKNT,x＝0.02、0.04、0.06）的陶瓷结构致密、成瓷性好、压电性能有所提高。同时利用流延法制备出了其单层结构（相对于多层陶瓷结构）,将其与贱金属Ni电极在还原气氛下进行了共烧。研究结果表明：在空气中烧结的100xNN-NKNT陶瓷密度有所提升,晶粒尺寸减小,易潮解特性得到改善,压电性能得到提高并更加稳定；利用流延法在还原气氛下制备出的与Ni电极共烧的100xNN-NKNT单层陶瓷其电极与陶瓷基体之间没有发生化学反应与扩散；共烧后的单层陶瓷表现出了良好的压电性能,室温下2NN-NKNT、4NN-NKNT和6NN-NKNT单层陶瓷在外偏场为Emax＝50kV/cm的高场d33分别达至（?）397pm/V、347pm/V及274pm/V。