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基于对铅基材料的广泛研究,人们认为铅与压电铁电性的起源密切相关,由于 Bi具有与Pb类似的特性,同时Bi的氧化物无毒,故铋基压电铁电材料成为无铅压电铁电材料研究的热点。钛酸铋钠((Bi1/2Na1/2)TiO3,简称BNT)陶瓷具有居里温度高(Tc=320℃),室温下剩余极化强度大(Pr=38μC/cm2),且烧结温度低,是目前认为最有可能取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。铋基铁电体 BiMeO3(Me为三价金属阳离子)可以提高 BNT基陶瓷的压电性能。但简单离子化合物 BiMeO3很难合成,并且在常压下不稳定。而 Bi基多离子复合铁电体 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3能够稳定存在,剩余极化大(理论计算 Pr>150μC/cm2),具有畸变的四方结构。因此,本文在三方结构的BNT基陶瓷中引入四方结构Bi(Zn1/2Ti1/2)O3化合物来改善电性能。论文采用固相法制备了 Bi基多离子复合铁电体Bi(Zn,Ti)O3改性的新型二元系(1-x)BNT-xBi(Zn1/2Ti1/2)O3、伪三元系(0.95-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3–0.05 BaTiO3–x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷,研究了 Bi基多离子复合铁电体Bi(Zn1/2Ti1/2)O3对BNT、BNBT5陶瓷微观结构,压电与介电性能的影响,提出了采用最大极化相位角θmax衡量压电陶瓷极化程度的理论。在此基础上,选择性能较好的0.93BNT-0.05BT-0.02Bi(Zn1/2Ti1/2)O3(BNBT5-BZT2)组分,进一步采用微量元素 In、Nd掺杂改性,研究了In、Nd掺杂对BNBT5-BZT2陶瓷晶体结构、显微组织、介电压电性能与极化状态的影响。主要创新点与结论如下: 1. Bi基多离子复合铁电体 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3可以固溶入 BNT陶瓷中形成固溶体,没有发现三方、四方准同型相界,添加微量Bi(Zn,Ti)O3明显抑制BNT陶瓷晶粒长大。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3对BNT陶瓷平面机电耦合系数kp没有明显提高,但可以改善压电常数d33。提出可以采用最大极化相位角θmax衡量压电陶瓷极化程度。最大极化相位角θmax越大,机电耦合系数kp就越大。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3对最大极化相位角θmax影响不大,因而造成机电耦合系数kp变化小。添加Bi(Zn1/2Ti1/2)O3改善压电常数d33主要是内应力减少引起的。 2.微量 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3对(0.95-x)BNT-0.05BT- xBi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷晶体结构没有显著影响,该体系同样没有准同型相界的出现。添加 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3促进陶瓷晶粒尺寸减小。微量 Bi(Zn1/2Ti1/2)O3明显改善(0.95-x)BNT-0.05BT-x Bi(Zn1/2Ti1/2)O3陶瓷的极化状态与压电性能,在Bi(Zn1/2Ti1/2)O3含量为x=0.02时,电常数d33与机电耦合系数kp同时达到最大值:d33=156pC/N,kp=0.34。 3.微量 In、Nd掺杂能完全固溶进入 BNBT5-BZT2陶瓷中形成纯钙钛矿固溶体。Nd掺杂对BNBT5-BZT陶瓷晶粒尺寸没有明显影响,晶粒形貌由原来的椭圆形转变为更加尖锐的四方形,In掺杂明显抑制晶粒长大。Nd掺杂可以显著提高BNBT5-BZT陶瓷的压电常数d33与机电耦合系数kp,在掺杂量为0.01wt％时压电性能达到最大值:d33=172pC/N,kp=0.36。In掺杂改善BNBT5-BZT陶瓷压电性能的效果不如Nd掺杂明显,在In2O3掺杂量为0.01wt%时压电常数达到最大值d33=163pC/N;在In2O3掺杂量为0.03wt%时,机电耦合系数kp达到最大值kp=0.35。说明BNT基陶瓷是一种A位活性压电陶瓷。