压电陶瓷目前广泛应用于现代工业中,用于实现电学信号与机械应变之间的转换。以Pb(Zr, Ti)O3(简称PZT)陶瓷为代表的含铅压电陶瓷,因其优异的介电和压电性能,被广泛应用于各种压电器件中。然而铅易挥发且有毒性,为了保护生态环境,无铅压电陶瓷的研究得到越来越多的关注。(K,Na)NbO3基压电陶瓷是一类有望可替代传统压电材料而具有重大发展前景的无铅压电材料。(K, Na)NbO3 (简称KNN)陶瓷具有非常高的居里温度、较小的温度依存性和优异的热稳定性。但是,普通烧结方法制备的KNN陶瓷的压电性能偏低,室温下的压电常数d33大约为125 pC/N、平面机电耦合系数kp大约为40%,因而多数情况下不足以作为PZT陶瓷的替代品进行实际应用。近年来,为进一步提高KNN基陶瓷的压电性能,大量的研究关注于优化烧结条件或使用LiSbO3、 LiTaO3和CaTiO3等对KNN陶瓷进行掺杂改性。在掺杂改性方面,作者所在课题组通过传统烧结方法,并使用Li、Ta、Sb进行掺杂替代,将KNN陶瓷的压电性能提高到413 pC/N。然而值得注意的是,这些研究大部分关注于组分的优化,将相变点调节至室温附近,结果在室温附近虽然可以获得较优异的压电性能,却使KNN陶瓷的热稳定性降低。另一方面,铁电陶瓷的压电与介电性能的起源一般可以分为本征贡献与非本征贡献。本征贡献一般认为来源于晶格畸变；非本征贡献主要来源于畴壁运动。因此电畴结构及电畴翻转特性对于铁电陶瓷材料的压电、介电性能具有非常重要的意义。电畴结构的稳定性也被认为与压电、介电性能的时间稳定性及热稳定性有关。BaTiO3陶瓷和PZT陶瓷是发现较早且应用比较广泛的两类陶瓷,目前对BaTiO3基陶瓷和PZT基陶瓷的电畴的研究主要分别集中在四方相和菱形相。据报道,在这两类多晶材料中,电畴翻转及畴壁运动对压电性能的非本征贡献在45%到80%之间。与BaTiO3基陶瓷和PZT基陶瓷相比,对KNN基陶瓷的电畴结构的研究还较少。在纯的和Mn掺杂的(K0.50Na0.50)Nb03单晶中,有研究通过光学显微镜观察到了包含60°及90°电畴的电畴构型,平均电畴宽度为几十微米；在未极化的(K0.50Na0.50)Nb03陶瓷中,有研究报道了通过扫描电子显微镜观察到的含有900畴壁和1800畴壁的电畴构型。另有研究报道了压电力显微镜观察到的极化后Li掺杂KNN陶瓷的电畴构型,在3-15μm的晶粒中存在平均电畴宽度在275-300 nm的层状电畴构型。与PZT陶瓷类似,纯KNN陶瓷的电畴宽度与晶粒尺寸关系也较为密切。据报道,在纯KNN陶瓷中当晶粒尺寸从1μm下降到0.2μm时,电畴宽度从110nm下降到40 nm。此外,有研究通过in situ透射扫描电子显微镜TEM观察Li掺杂改性的正交-四方两相共存的KNN陶瓷的电畴结构随外电场的变化,发现鱼骨状电畴结构在极化过程中转化成层状电畴结构。然而,KNN基陶瓷的压电性能与电畴结构之间的关系还远没有被研究透彻。在上述的研究背景下,本学位论文主要开展了关于铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能及电畴结构的研究,并对电畴结构与压电性能之间的关系进行了较深入的探讨。主要研究内容和所得的研究结果、结论如下：一、研究了(K,Na)NbO3陶瓷极化后的电畴结构,提出了两种电畴结构模型并分别解释了极化后的KNN陶瓷中出现的两种电畴构型。首先,作者利用酸腐蚀法对极化后的(K0.50Na0.50)NbO3陶瓷的电畴结构进行了观察分析,发现极化后(K0.50Na0.50)NbO3陶瓷的各晶粒的电畴结构在抛光酸腐蚀面内呈现的电畴图案或为简单的单组平行电畴条纹或为有一定构型的多组平行电畴条纹。电畴条纹的平均宽度在150 nm到750 nm之间的较大范围内变化。当同一晶粒中有两组或两组以上平行电畴条纹时,电畴条纹之间的夹角或为在45°左右变化的锐角,或为在135°左右变化的钝角。根据电畴条纹之间的夹角,作者把含多组电畴条纹的电畴图案分为电畴构型Ⅰ和电畴构型Ⅱ,并提出了两种电畴模型分别解释电畴构型Ⅰ和Ⅱ。电畴构型Ⅰ由90°-、120°-和60°-畴壁构成,电畴构型Ⅱ由180--、90°-和1200-畴壁组成。此外,作者对不同观察平面内的电畴条纹间的夹角变化进行了数学分析。数学分析结果与实验观察到的结果一致,从而验证所提出的两种电畴模型可以合理解释所观察到的电畴构型。二、研究了热压烧结的、大晶粒(K, Na)NbO3陶瓷极化前后的电畴结构,并对极化过程中电畴翻转及畴壁运动对电畴结构及压电性能的影响进行了深入探究。作者通过对极化前后的热压KNN陶瓷的电畴结构进行对比,发现电畴结构经过极化后由复杂变为相对简单,平均电畴宽度增加；极化过程中电畴运动对压电性能的不可逆非本征贡献可以与PZT、BaTiO3陶瓷比拟。极化前的KNN陶瓷的电畴结构在抛光酸腐蚀面内呈现的电畴图案较为复杂,包含大量的水痕状、鱼骨状和之字状构型。鱼骨状构型是由90°-和120°-畴壁组成,之字状构型是由90°-、120°-和180°-畴壁组成,水痕状构型由180°-畴壁组成。极化后的热压KNN陶瓷的电畴结构与普通方法烧结的KNN陶瓷的电畴结构类似。极化过程中电畴的翻转和畴壁的运动使极化后的电畴图案相对简单,只有简单的单组或多组平行条纹。此外,利用瑞利分析方法对极化过程中电畴翻转及畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献进行了研究,得到热压烧结的KNN陶瓷的畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献为71%；普通方法烧结的KNN陶瓷的畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献为68%。三、研究了(Ko.5oNao.5o)1-xLix(Nbo.8oTao.2o)03(简记为KNNT-Lix)陶瓷在正交相、四方相及正交-四方两相共存的压电性能、电畴结构和电畴翻转行为,明确了正交-四方相两相共存的KNNT-Lix陶瓷较优异的压电性能来源于较容易的电畴翻转。作者通过观察对比,发现不同晶相的KNNT-Lix陶瓷具有不同特征的电畴结构：正交-四方两相共存的KNNT-Lix陶瓷的平均电畴宽度值比正交相、四方相两个组分陶瓷的大,该组分陶瓷还具有弯曲的电畴条纹。此外,通过分析电滞回线及场致应变曲线研究了不同晶相中电畴翻转的特性,作者发现正交-四方两相共存的KNNT-Lix陶瓷呈现较高的应变非线性和高场压电常数。四、制备了(1-x)(K0.48Na0.52)(Nb1-ySby)O3-xBi0.5(Na0.82K0.08)0.5ZrO3(简称为KNNS-BNKZ)陶瓷,得到了具有良好的温度稳定性和热老化性的、压电常数高达460 pC/N的陶瓷样品,并对制备得到的KNNS-BNKZ系列陶瓷样品的压电性能、介电性能、温度稳定性、铁电性能、应变随外电场变化的非线性行为、畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献、样品厚度尺寸效应与电畴翻转特性、压电性能之间的关系等问题进行了探究。作者通过改变Sb5+和BNKZ的掺入量,得到了室温下处于菱形-四方两相共存的KNNS-BNKZ陶瓷样品；通过等静压制备样品,在(x=0.0375,y=0.04)组分得到了最高压电常数为460 pC/N的压电陶瓷样品。KNNS-BNKZ陶瓷(x=0.0375,y=0.04)组分的样品不仅在室温下具有较优异的压电性能,且机电耦合系数kp的温度稳定性(kp在-50°C-75℃的温区内保持在40%以上)、压电性能的温度稳定性(d33在-30°C-70°C的温区内维持在350pC/N以上)和热老化性能(在-50°C-150°C区间内热处理后d33值仍能维持在400pC/N以上)也较优异。KNNS-BNKZ陶瓷的压电性能在样品烧结成瓷的前提下,随烧结温度的升高而降低,烧结温度越低压电性能越好。BNKZ含量的升高使得KNNS-BNKZ陶瓷的正交-四方相变点下降,菱形-正交相变点升高。KNNS-BNKZ陶瓷在高场下的应变曲线随外电场的增加呈现S型变化趋势。KNNS-BNKZ系列陶瓷的畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献较大,y=0.05系列中压电性能最优异的(x=0.0375,y=0.05)组分的畴壁运动对压电性能的不可逆非本征贡献高达68%。此外,样品厚度尺寸效应方面,作者发现KNNS-BNKZ陶瓷(x=0.0375,y=0.04)组分和(x=0.0375,y=0.05)组分的厚度机电耦合系数、介电常数及高场压电常数随样品厚度的减小基本保持不变。随样品厚度的逐步降低,(x=0.0375,y=0.05)组分陶瓷的矫顽场基本保持不变,剩余极化降低,内偏场升高。五、本学位论文还对另一类无铅压电材料-(Na, Bi)TiO3基陶瓷材料中的两个性能较为优异的三元系组分(Na, Bi)TiO3-(K, Bi)TiO3-BaTiO3(简记为BNBK)陶瓷及四元系组分(Na, Bi)TiO3-(K, Bi)TiO3-(Li, Bi)TiO3-BaTiO3(简记为BNKLBT)陶瓷硬性掺杂前后的压电性能及电畴结构进行了研究。通过研究BNBK79陶瓷和BNKLBT83陶瓷硬性掺杂前后的压电、铁电性能及极化前后的微观电畴结构,发现硬性掺杂的陶瓷电畴结构发生改变、矫顽场和内偏场变大、机械品质因数升高、低场及高场下的压电常数下降。极化使BNBK79系列陶瓷与BNKLBT83系列陶瓷的电畴结构由复杂的包含较多不规则电畴条纹的电畴构型变成相对简单的电畴条纹构型。与KNN陶瓷的平均电畴宽度相比,BNBK79系列陶瓷与BNKLBT83系列陶瓷的平均电畴宽度较小。作者通过酸腐蚀的方法成功在BNBK79系列陶瓷与BNKLBT83系列陶瓷中观察到平均宽度仅为50 nm左右的电畴条纹。