压电陶瓷因其具有优异的机电转换性能而被广泛应用于军工和民用产品中,对全世界的国民经济发展和国防建设都具有重大的战略意义。其中铅基压电陶瓷由于性能出色、价格低廉、易于制备等特点,是目前普遍使用的压电陶瓷体系。然而,因为重金属Pb的毒性并且在其生产和废弃处理过程中均会对环境和人类造成损害,所以很多国家相继颁布禁止或限制铅使用的条令。而铌酸钾钠(KNN)无铅压电陶瓷因其具有高的居里温度及可调控的优异电学性能,因此成为取代铅基陶瓷的候选材料,是目前压电陶瓷领域的研究热点之一。第一性原理根据原子核和核外电子之间的相互作用原理及其基本运动规律,经过一系列近似处理后可得到材料的微观结构与宏观性能之间的关联,这为陶瓷材料的制备和掺杂改性提供了一定的理论指导。相较其他钙钛矿型无铅压电陶瓷,科研工作者们对铌酸钾钠(KNN)基的第一性原理计算提及较少。因此本文主要以KNN为研究对象,利用Materials Studio软件,结合密度泛函理论和超软赝势方法,计算了陶瓷的能带结构、分波态密度和声子谱等,从不同角度研究了KNN陶瓷晶格常数变化与电学及力学性能的关联,即通过计算和实验结合的方式系统地研究了陶瓷相结构演变、性能提高的原因及方法,为KNN陶瓷掺杂改性研究奠定了一定基础,具体研究内容如下:1、首先通过第一性原理计算,研究了无铅体系KNN和含铅体系PZT(锆钛酸铅)、构成它们的铁电体和反铁电体(即NN、KN、PZ、PT)的能带结构及分波态密度。结果表明,KNN和PZT的能带结构与其对应的反铁电体类似,并且相对于它们的反铁电体组成,具有更小的带隙。从分波态密度上看,对于KNN来说,主要是由Nb-O原子发生杂化,A位的K、Na原子几乎不参与杂化;而PZT中,B位原子Zr和Ti均与O原子发生相对较弱的杂化,并且A位的Pb参与杂化。通过对比KNN和PZT电子密度图得知,PZT中的A位Pb发生较强的杂化,是PZT形成与KNN的四方相不同的三方相的关键。通过分析两种陶瓷晶格常数变化与原子杂化、电负性的关系,阐明了同为钙钛矿结构的KNN和PZT,却形成不同相结构的原因。2、在不同气氛下烧结,以及不等价元素的掺杂改性,易在陶瓷中形成氧空位。为了深入研究氧空位对钙钛矿型陶瓷的影响,以同为钙钛矿型结构的BT陶瓷为研究对象,采用不同的烧结手段,探究了氧空位缺陷对BT陶瓷结构及性能的影响。研究表明由于氧空位的引入,使得BT的晶格常数发生了较大改变,晶体发生定向生长。同时,介电常数和损耗明显增加。分析能带结构和等效电阻发现,氧空位使BT倾向于金属态,表现出更好的导电性。通过声子计算可知,具有氧空位BT相对于BT而言,结构变得更加稳定。分析力学性能发现,它们都为脆性材料,并均符合机械力学稳定性标准。由于具有氧空位的BT的Z轴方向抗变形能力增加,导致陶瓷压电性能降低。因此,氧空位导致陶瓷电学性能下降,力学性能提升。3、在前述研究的基础上,选取了四种具有不同耦合能力的掺杂元素—Li,Ag,Sb,Ta,通过固相法等价掺入KNN陶瓷晶格中,探索A位或B位掺杂原子的不同耦合能力对KNN晶体结构及性能的影响。结果表明,离子耦合能力的强弱不是由掺杂离子进入晶格的位置(即A位、B位)所决定的,而是取决于原子固有的电子轨道构型,这会对Nb O₆产生不同的影响。并得出耦合能力弱的元素(Li和Sb)对Nb O₆振动更剧烈,使得发生O-T相变的温度降低,更容易发生相变。而具有强耦合能力的元素(Ag和Ta)使得Nb O₆的畸变更加严重,增加了中心原子Nb在Nb O₆中的位移,从而提高了自发极化强度,继而改善了陶瓷压电性能。4、KNN陶瓷作为无铅储能铁电陶瓷体系,具有晶粒尺寸较小、抗击穿能力强等优点,近年来受到了越来越多的关注。为了研究KNN储能陶瓷的组元设计原则,基于现有的KNN储能陶瓷的统计结果,结合第一性原理计算设计了两组KNN基储能陶瓷体系,获得了小滞后的具有弛豫铁电相的KNN基储能陶瓷,验证了从原子轨道耦合强弱的角度进行材料组分设计的可行性,为KNN储能陶瓷的研究提供了有价值的参考。