铁电体在自然状态下具有自发极化特性,即晶体存在固有的不对称性,是一类特殊的电介质材料。在外加电场的情况下,自发极化方向会随外电场的方向变化。铁电体目前已经广泛应用于各种功能器件,作为超声换能器、高频振荡器等。典型常用的铁电体有钛酸钡、锆钛酸铅、酒石酸钾钠单晶等。对钙钛矿结构,A位和B位掺杂不同元素是常用的改性方法。根据掺杂离子对性能的影响可以分为硬性掺杂和软性掺杂两种情况。其中,硬性掺杂(A位掺杂K+或B位掺杂Fe3+,Co3+等受主元素)可以使得陶瓷的介电常数降低、压电常数(d33)降低、矫顽场增大(Ec)、品质因数提高(Qm),出现时效现象。与之相反,软性掺杂(A位掺杂La3+或B位掺杂Nb5+等施主元素)可以使得陶瓷的介电常数增大、压电常数提高、品质因数降低、抗老化性能增强。压电陶瓷掺杂受主元素硬化的机理已经获得了较为合理的解释,而施主元素掺杂软化的机理,特别是PZT软化的机理目前还不清楚。在本课题中,我们使用固态反应制备了一系列施主掺杂的钙钛矿陶瓷(BaTiO3和PZT),发现了以下两个较之前研究结果较为奇异的现象:1)在混掺BaTiO3体系中,根据之前的研究,因受主掺杂而导致的时效现象不能被施主掺杂消除,而我们的研究证明在某些情况下时效现象可以被消除并提供了相应的机理解释;2)施主掺杂的PZT体系——PLZT(x/52/48),其压电性能的提升(d33~=349)较未掺杂的PZT(d33~=223)相比提升有限,特别是较同为施主掺杂的PZT体系PLZT(x/60/40)(d33~=674)相比,说明PZT的软化现象与成分有关。首先,我们在BaTiO3中同时掺杂了施主和受主元素,通过六组混掺体系(BT-1Mn-xLa,BT-1Mn-xNb,BT-1Fe-xLa,BT-1Fe-xNb,BT-1Co-xLa,BT-1Co-xNb,其中,x=0.5, 1.0, 1.5。)时效前后的电滞回线和电致应变结果,我们发现在受主种类、掺杂元素位置(A位或B位)、受主/施主比例这三个影响因素中,受主的电负性和离子半径对于施主和受主能否形成缺陷对至关重要。当施主和受主形成缺陷对时,电价平衡并且不会有多余的氧空位产生,因此不会出现时效现象。反之,当施主和受主在晶胞中不形成缺陷对而单独分布时,多余的氧空位将在受主周围产生以平衡电价,进而产生缺陷极子。因此,我们可以根据掺杂元素的电负性以及离子半径来进行选择,以满足铁电体掺杂调控中抗衰老性能强、电致应变大等需求。其次,我们在在PZT(PbTiO3-PbZrO3)压电陶瓷体系中掺杂了典型施主元素La。通过介电测量和动态力学测试仪(DMA)等绘制了两个La掺杂PZT体系(PLZT(x/52/48)和PLZT(x/60/40))的相图,我们发现极化处理后部分PLZT样品发生了电致相变,原先样品中的四方相更稳定并且部分弛豫铁电体转变为铁电四方相;其次,对比了两组PLZT相图和其压电性能,我们发现在PLZT(x/52/48)体系中,La的掺杂并没有使PZT产生明显软化,特别是与PLZT(x/60/40)相比。因此,我们认为PZT软化的原因来源于掺杂形成的准同型相界。准同型相界降低了极化偏转能垒,进而增强了材料的压电介电性能。 综上所述,本文中我们通过对于施主掺杂的BaTiO3和PZT体系的研究,获得了混掺铁电体时效现象的统一机理解释,以及两个La掺杂PZT体系较为完整的相图。这些结果获得了如何通过施主的掺杂,控制铁电体混掺体系时效现象的方法,同时也揭示了PZT软化的机理,阐明施主掺杂导致PZT压电性能提高主要源于掺杂产生的准同型相界。