铁电压电材料作为电子功能材料,广泛应用于传感器、变压器和滤波器等器件中,在人工智能时代发挥着不可替代的作用。近年来,为了环境保护与可持续发展,无铅压电陶瓷因其环境友好型受到了广泛关注和研究。然而相比于经典铅基体系,无铅压电陶瓷仍存在重复性差、压电性低、温度稳定性差等缺陷,尚难以满足功能器件的应用需求。本论文以铌酸钠及钛酸钡基无铅压电陶瓷为研究对象,通过化学替代、氧八面体畸变调控及离子团簇设计等方法,探索新型无铅陶瓷体系,改善压电温度稳定性问题,解析铁电压电、电致伸缩等宏观性能与晶体结构之间的关系。主要创新性发现如下:本论文以NaNbO3-BaTiO3无铅二元体系为切入点,系统地研究了二元体系的结构及性能随组分的变化。在BaTiO3中揭示了宏观四方极性与微观三方极化的内在联系。在0.92NaNbO3-0.08BaTiO3中观察到了由于铁电正交相和四方相共存而提升的压电响应,同时在电场作用下出现了正交-四方的不可逆相变过程。该二元体系的详细研究为后续新体系的探索,提供了结构基础和设计方向。在新型NaNbO3-BaTiO3-BaSnO3无铅体系中同时获得了增强的压电性能(d33~354pC/N)和良好的温度稳定性(20℃-100℃)。该组分具有单一的P4bm空间群,表现出小轴比和大氧八面体畸变的结构特征。小轴比有利于提高极化翻转能力,大氧八面体畸变有利于维持宽温区的单相结构,平衡了无铅陶瓷中压电性能与温度稳定性的矛盾,显著改善了无铅体系中多晶型相界导致的小信号d33温度稳定性差的问题。基于NaNbO3钙钛矿中复杂的BO6氧八面体畸变,通过设计容差因子调控氧八面体倾斜构型改变相结构,从而获得提升的压电响应。氧八面体倾斜的设计不仅包括倾斜角度,还有倾斜模式。以Ba(Fe0.5Nb0.5)O3和BaTiO3替代NaNbO3,同时消除了 a和b轴的反相倾斜,减小了 c轴的倾转角,最终获得了d33~367pC/N 的新型 0.88NaNbO3-0.04Ba(Fe0.5Nb0.5)O3-0.08BaTiO3 陶瓷组分。氧八面体畸变工程为设计高性能无铅陶瓷提供了新的思路。局域化学有序的设计可以破坏长程有序的铁电极化,构建了存在极性纳米微区的弛豫铁电态,有利于电致伸缩性能的提升。选择小半径的Li+离子和强极性的Bi3+离子掺杂在离子型的BaTiO3基体中,破坏了 Ti4+的铁电有序,诱导了极性纳米团簇的形成,在弥散的弛豫铁电体BaTiO3-0.15(Bi0.5Li0.5)TiO3中获得了超高的电致伸缩性能Q33~0.0712 m4C-2。除了高的电致伸缩性能外,在BaTiO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3体系中还观察到随组分和温度变化的相变及介电弛豫等现象。结合PDFgui和RMC模拟的结果,可以探究长程平均结构与短程局域结构的联系。极性的局域极化构型抵消后表现出宏观平均的结构相变,揭示了极化构型的统一性,深化了对介电弛豫的认识,开拓了设计弛豫铁电体的新思路。本论文探究了晶格,电畴及性能之间的耦合关系,深入认识了无铅铁电压电材料的发展与不足,探索与设计了新型无铅陶瓷体系,建立了长程平均结构与短程局域结构的联系,为今后无铅铁电压电材料的设计与调控提供了一定程度上的借鉴与参考。