作为一类重要的功能陶瓷,铁电陶瓷被广泛应用于驱动器、换能器和传感器等电子元器件。锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3, PZT]以其优异的铁电和压电性能曾被广泛应用于电子工业。然而随着人类环保意识增强,很多限制含有毒铅材料应用的法律法规相继生效,开发无铅铁电陶瓷取代会环境有影响的含铅PZT铁电陶瓷已经成为当下科研热点。近年来的无铅铁电材料研究体系主要集中在ABO3钙钛矿型材料体系,如(K1/2Na1/2)NbO3 (KNN)基,(Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3 (NBT-BT)基,和Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT或BCZT)基等材料。其中,KNN基陶瓷具有高的压电系数,但存在烧结温区狭窄,且烧结过程K+、Na+离子容易挥发造成预烧和烧结气氛很难控制,对工艺要求苛刻;BNT基无铅压电陶瓷,其矫顽场较高,并且在铁电相温区漏导较大,难以烧结致密化,故也很难实用化;BCZT基铁电陶瓷在准同型相界(MPB)附近压电系数d33能达到620 pC/N,这可以与锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3, PZT] (P5H)等铅基陶瓷相媲美,虽然容易合成,但也存在烧结温度较高,压电性有很强的温度依赖性,居里温度(TC)过低等问题。近年来在BCZT体系中报道的较高的电致伸缩系数(Q33),该体系的高压电性也与其高Q33有关。在TC以下,铁电材料中电致应变来源于压电效应与电致伸缩效应。但是在TC以上,只有纯的电致伸缩效应存在。利用电致伸缩效应产生的应变,虽然应变量有所下降,但是应变的滞回度明显下降,有利于驱动器的设计。因此针对BCZT陶瓷体系,通过受主掺杂来降低其TC到室温或者室温以下,对于利用BCZT的电致伸缩效应有重要的应用价值。而掺杂元素对于BCZT体系的相结构、介电和铁电性能的调控,也有很多学术问题值得研究。本文通过固相反应法合成制备不同浓度Mn、Fe受主掺杂对BCZT陶瓷,系统的研究了掺杂元素浓度对该体系的相结构、介电和铁电性能的调控。不仅TC表现出与掺杂浓度很强的依赖关系、掺杂诱导的扩散相变和掺杂导致的钉扎效应在电滞回线上也得到了确认。本文的主要结论如下:1. 随着Mn掺杂浓度从0增加到4%摩尔,0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BCZT50)的晶粒细化。TC从102 oC降低到55 oC,且伴随有介电峰的宽化。扩散程度系数从未掺杂的22 oC增加到4%摩尔掺杂样品中的36 oC。宽频介电谱显示,当温度由室温增加到250 oC时,所有研究样品的介电常数在低频区域表现出一个急剧的增加,且该性能的拐点随着测试温度的升高往高温方向移动。而对应的节点模量虚部表现出西安交通大学硕士学位论文II对应的峰值。同样该峰值对应的频率随着温度的升高往高频方向移动。该现象可以用一个热激活过程解释。基于Arrhenius拟合分析介电模量虚部,为掺杂样品的激活能为1.03 eV,而随着Mn含量的增高,激活能下降到0.68 eV。这与BCZT50陶瓷氧空位浓度增加有关。氧空位浓度增加又导致了陶瓷畴壁移动受阻,产生了钉扎效应,表现为束腰电滞回线和对应电流双峰。这在2%Mn掺杂样品中得到确认。而随着Mn含量的继续增加,由于漏到的增加,钉扎效应减弱。2. 随着Fe掺杂浓度从0增加到2%摩尔,BCZT50陶瓷的介电性能由典型的铁电相变转变为一种扩散相变。宽频介电谱显示一种与Mn掺杂BCZT50陶瓷样品类似的结果。基于宽频介电谱数据,我们采用Arrhenius拟合基于介电模量虚部,介电损耗和交流电导计算了其对应的激活能。不同点在于,Fe含量的增加对于基于这三种方式获得的激活能影响有限。介电模量虚部和介电损耗给出的激活能在1 eV左右,而交流电导给出的激活能在