压电材料是一种实现电能与机械能相互转换的重要功能材料,在驱动器、传感器、蜂鸣器、探测器等各种电子元器件中都有着广泛的应用。目前,锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃,简称PZT)基压电陶瓷材料是市场上主要使用的压电材料。但是由于PZT压电陶瓷在制备过程中采用较多含铅原材料,对社会生态环境会产生严重的污染和破坏,且其居里温度不超过250 oC,在高温工作环境下存在很大的退极化和老化问题。近年来随着汽车电子、航空航天、原子能技术、冶金与石油化工等工业的迅猛发展,迫切需要能够在高温下正常工作而不失效的压电器件,对压电材料的高温压电物性提出了更高的要求,高温无铅压电材料也受到越来越多的关注。钙钛矿结构的BiFeO₃基无铅压电陶瓷具有良好的压电性能,且有高居里温度,有望在高温压电传感器中得到广泛应用。本论文通过固相反应法制备出BiFeO₃基陶瓷。研究了烧结工艺的改善、与Ba TiO₃进行复合、掺入过量的Bi2O₃对BiFeO₃基陶瓷材料的结构、压电和铁电性能的影响,并探讨了其导电抑制机制。一、研究中采用两步烧结制备工艺研究制备出纯相铁酸铋陶瓷,并与传统固相烧结进行了对比。实验结果表明:传统固相反应法制备出的BiFe O₃陶瓷通常有Bi24Fe2O₃9和Bi2Fe4O9杂相产生,且电阻率比较低;采用两步烧结工艺,随着冲击高温T1的增加,杂相逐渐减少,在T1=850 oC,T2=750 oC时制备出了纯相的BiFeO₃陶瓷,陶瓷获得较好的压电性能42 pC/N,电阻率也有一定的提高达到1.57×108Ω.cm。然而,进一步提高T1,将会产生大量的杂相,且电阻率会急剧下降。经过研究分析,这是由于铁酸铋的合成温度较窄,当温度太高会造成较多Bi的挥发,使得化学计量比失衡,从而产生较多的杂相。二、研究发现,尽管通过两步烧结工艺可制备出了纯相BiFeO₃陶瓷,但是其较大的漏电流使得在极化过程中难以达到饱和极化,大大降低其压电活性,严重阻碍了BiFeO₃陶瓷作为强压电活性高温无铅压电材料的应用。通过Bi FeO₃与不同比例BaTiO₃进行复合,研究了(1-x)BiFe O_3-xBaTiO₃(x=0.20、0.25、0.33、0.44)对陶瓷的物相、晶体结构以及铁电压电性能的影响。研究发现陶瓷的电阻率有了极大的提高,且样品都达到饱和极化,在x=0.33时存在三方、伪立方结构共存的准同型相界(MPB),且压电性能显著提高达到163 pC/N,居里温度为437 oC,剩余极化强度达到21.45μC/cm2,最大应变量达到0.082%,特别是陶瓷的电阻率极大的提高到了7.97×109Ω.cm。这些研究结果表明通过与BaTiO₃进行复合能够有效对BiFeO₃基陶瓷进行导电抑制,从而提高其铁电压电性能。三、本章选择MPB附近组成0.67BiFeO₃-0.33BaTiO₃的体系,采用两步烧结工艺,陶瓷的电阻率进一步提高达到2.78×1010Ω.cm,相应的铁电和压电性能也有所提高,压电系数达到171 pC/N,最大应变量提高到0.105%,并且对陶瓷的老化性能进行了研究。研究发现通过两种烧结工艺的对比,采用两步烧结工艺制备出的陶瓷的压电性能稳定性更好。另外,由于BF-BT压电陶瓷中Bi元素在高温烧结过程中易挥发,使成份偏离化学计量比。为了弥补Bi元素的挥发,在MPB附近组分0.67BiFeO₃-0.33BaTiO₃的配比中加入过量的Bi,研究了Bi过量对陶瓷的晶体结构、铁电和压电性能的影响。研究发现,过量的Bi对陶瓷的晶体结构没有较大的影响,但是有助于陶瓷的烧结,弥补了Bi的挥发,从而促进了陶瓷晶粒的生长,提高了陶瓷的密度。适量Bi过量能够有效提高陶瓷的电阻率,从而提高陶瓷的极化程度,有效的提高了陶瓷的铁电压电性能。但是Bi过量太多,在烧结过程中会在陶瓷晶界处形成液相,晶界析出物质过多,阻碍了晶格畴壁运动,使得陶瓷的压电物性降低。在Bi过量x=1.5%时,陶瓷的压电性能达到最大值d33=207 pC/N,居里温度也有423 oC,最大场致应变值Smax达到0.136%,饱和极化强度Pmax达到了53.91μC/cm2,剩余极化强度Pr达到37.67μC/cm2,电阻率提高到3.03×1010Ω.cm。