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CaCu3Ti4O12（简称CCTO）基介电陶瓷凭借高介电常数和高热稳定性等优异性能在电子元器件小型化和储能方面具有巨大应用潜力，并成为电介质研究领域关注的热点。然而，介电损耗较高、击穿场强较低等问题极大地限制了其实际应用。因此，为了提高CCTO陶瓷的击穿场强，本文首先采用溶胶凝胶法制备出碱土金属元素掺杂的CCTO介电陶瓷，然后研究了掺杂元素及掺杂量对CCTO陶瓷的微观结构、形貌与介电性能的影响规律，并揭示了作用机理，最后总结了碱土金属掺杂元素及掺杂量对CCTO的介电性能影响的整体规律。本文主要研究内容和主要结果如下：
制备了具有高介电常数的Ca1-xMgxCu3Ti4O12(CMCTO)陶瓷。随着Mg掺杂量的增加，Ca1-xMgxCu3Ti4O12陶瓷的平均晶粒尺寸先突增后逐渐减小，与晶粒尺寸呈正相关关系的介电常数呈现相同的变化规律，符合内部势垒层电容（IBLC）模型。Ca0.95Mg0.05Cu3Ti4O12陶瓷的介电常数较CCTO陶瓷（14804）大幅提高至91125。分析认为，CMCTO陶瓷介电常数明显提高的主要原因是Mg掺杂有利于形成使晶粒发生异常生长的CuO相。
开发了具有高击穿场强的Ca1-xSrxCu3Ti4O12陶瓷。Ca1-xSrxCu3Ti4O12陶瓷的介电常数随着Sr掺杂量的增加呈现先减小后增大的趋势，而介电损耗却表现出相反的趋势。其中，Ca0.5Sr0.5Cu3Ti4O12陶瓷综合介电性能最为优异，其击穿场强提高至52.50kV/cm，介电常数高至3902，介电损耗低至0.066，而且相比于CCTO陶瓷（0.05×10-7J/m3），储能密度显著提高至47.61×10-7J/m3。Sr掺杂使CCTO陶瓷击穿场强大幅提高的原因是晶界数量的增加与肖特基势垒高度的增高。
研究了碱土金属元素Ba掺杂对CCTO陶瓷介电性能的影响。Ba掺杂的CCTO的平均晶粒尺寸随着掺杂量的增大逐步减小。基于IBLC模型，Ca1-xBaxCu3Ti4O12陶瓷的介电常数逐渐减小，而介电损耗呈现先减小后增大的趋势。
总结了碱土金属元素掺杂CCTO介电陶瓷的性能变化规律。随着碱土金属元素（Mg、Sr、Ba）离子半径的增大，掺杂后的CCTO陶瓷的介电常数逐渐减小，介电损耗逐渐增大，而击穿场强却先增大后减小。结果表明，具有高介电常数、低介电损耗与高击穿场强的Sr掺杂的CCTO陶瓷的综合介电性能最为优异。
制备了具有高介电常数的Ca1-xMgxCu3Ti4O12(CMCTO)陶瓷。随着Mg掺杂量的增加，Ca1-xMgxCu3Ti4O12陶瓷的平均晶粒尺寸先突增后逐渐减小，与晶粒尺寸呈正相关关系的介电常数呈现相同的变化规律，符合内部势垒层电容（IBLC）模型。Ca0.95Mg0.05Cu3Ti4O12陶瓷的介电常数较CCTO陶瓷（14804）大幅提高至91125。分析认为，CMCTO陶瓷介电常数明显提高的主要原因是Mg掺杂有利于形成使晶粒发生异常生长的CuO相。
开发了具有高击穿场强的Ca1-xSrxCu3Ti4O12陶瓷。Ca1-xSrxCu3Ti4O12陶瓷的介电常数随着Sr掺杂量的增加呈现先减小后增大的趋势，而介电损耗却表现出相反的趋势。其中，Ca0.5Sr0.5Cu3Ti4O12陶瓷综合介电性能最为优异，其击穿场强提高至52.50kV/cm，介电常数高至3902，介电损耗低至0.066，而且相比于CCTO陶瓷（0.05×10-7J/m3），储能密度显著提高至47.61×10-7J/m3。Sr掺杂使CCTO陶瓷击穿场强大幅提高的原因是晶界数量的增加与肖特基势垒高度的增高。
研究了碱土金属元素Ba掺杂对CCTO陶瓷介电性能的影响。Ba掺杂的CCTO的平均晶粒尺寸随着掺杂量的增大逐步减小。基于IBLC模型，Ca1-xBaxCu3Ti4O12陶瓷的介电常数逐渐减小，而介电损耗呈现先减小后增大的趋势。
总结了碱土金属元素掺杂CCTO介电陶瓷的性能变化规律。随着碱土金属元素（Mg、Sr、Ba）离子半径的增大，掺杂后的CCTO陶瓷的介电常数逐渐减小，介电损耗逐渐增大，而击穿场强却先增大后减小。结果表明，具有高介电常数、低介电损耗与高击穿场强的Sr掺杂的CCTO陶瓷的综合介电性能最为优异。