钛酸铋钠((Bi1/2Na1/2)TiO3,BNT)是一种A位复合钙钛矿结构铁电氧化物,其无铅环保,且与其它无铅体系相比具有较好的机电耦合性能,被认为是有望发展成为替代铅基压电陶瓷的材料之一。此外,BNT基陶瓷在介电储能、电卡效应、氧离子导体、湿度敏感等方面也显示出了优良的性能和一定的实用化发展潜力。从基础研究的角度来看,BNT基陶瓷属于弛豫铁电体,具有高度无序的结构和复杂的相变,其铁电长程序极不稳定,使得传统锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3,PZT）体系中总结出的某些经典规律在BNT体系中可能不再适用,需要重新认识。另一方面,BNT基陶瓷的弛豫特性也意味着这类材料可能存在丰富的新性能和新应用,有待进一步挖掘。本论文旨在前人工作的基础上进一步完善BNT基陶瓷性能调控的基本规律,开发BNT基陶瓷可能具有的新性能和新应用,以推动无铅铁电智能材料的进一步发展。为了达到上述目的,本论文以准同型相界组成的钛酸铋钠钾(Bi1/2(Na0.8K0.2)1/2TiO3,BNKT)无铅铁电陶瓷为对象开展研究工作,通过受主元素Fe掺杂,以及施主Nb和受主Fe共掺杂调控BNKT陶瓷铁电稳定性,在此基础上分析BNT基陶瓷铁电稳定性对机电耦合性能的重要作用,并探讨利用BNT基陶瓷的弛豫特性扩展其性能的可能性。本论文的主要研究内容如下:1.研究了受主元素Fe掺杂对BNKT陶瓷铁电稳定性、压电性质和退极化行为的影响。结果表明,Fe掺杂对BNKT陶瓷的铁电长程序起到了稳定化作用。Fe掺杂使得电滞回线矩形度增加,高温下电滞回线“束腰”现象出现的温度提升,铁电-弛豫相变温度TF-R也得到提高。实验还发现,适当浓度Fe掺杂（x≤3.0%）可以同时提高BNKT陶瓷的压电性能和退极化温度。其中,压电常数d33由未掺杂样品的125 pC/N增加到Fe掺杂量为3.0%样品的148 pC/N,退极化温度Td由未掺杂样品的76°C提高到Fe掺杂量为3.0%样品的102°C。研究表明,压电常数与退极化温度的同时提高的根源在于Fe掺杂对BNKT陶瓷铁电长程序的稳定化作用。这一结果也说明长期认为的压电常数和退极化温度互逆关系不是BNT基陶瓷中的普适规律。本文提出,对于铁电稳定性较差的BNT基陶瓷体系,可以通过增强铁电稳定性达到压电常数和退极化温度同时提高的效果。2.基于Landau-Devonshire理论和铁电Preisach模型提出了一种BNT基陶瓷双电滞回线建模的新方法,在此基础上开展了Fe掺杂对BNKT陶瓷影响的热力学分析。本文建立的模型对Fe掺杂BNKT陶瓷高温下双电滞回线的拟合均达到了较高的拟合度,表明了这一模型对于描述相关体系铁电性质和相变行为的适用性。此外,这一模型将热力学自由能密度与实验可观测的电滞回线联系起来,使得从实验测量的双电滞回线反推材料的热力学自由能密度成为可能。基于这一点,本文对不同浓度Fe掺杂的BNKT陶瓷在80°C时的自由能密度曲线进行了计算,结果表明Fe掺杂降低了BNKT陶瓷铁电相的自由能。3.基于拟合双电滞回线所得样品的自由能密度,构筑了Fe掺杂BNKT陶瓷的电场-温度（E-T）相图,并从E-T相图的角度探讨了Fe掺杂对BNKT陶瓷机电耦合性能的影响。本文构筑E-T相图的方法,可以消除一级相变固有滞后对铁电-弛豫两相平衡电场实验测量的影响。本文构筑的E-T相图较好地满足了热力学的一些基本要求,在一定程度上克服了前人研究的不足。利用E-T相图预测Fe掺杂可以降低BNKT陶瓷高温下大应变临界电场,从而陶瓷可在较低的电场下产生较大的应变响应。高温电致应变实验测量成功验证了这一基于E-T相图所做出的预测,表明E-T相图可为BNT基材料的改性研究提供指导。4.研究了受主Fe、施主Nb共掺杂对BNKT陶瓷铁电稳定性和机电耦合性质的影响。结果表明,Fe元素的掺杂使得BNKT陶瓷的铁电长程序趋于稳定化,而Nb掺杂使得BNKT陶瓷的铁电长程序失稳。除Fe掺杂量较高（x>3.0%）且Nb掺杂量较少（y≤1.0%）的少数情况外,陶瓷的压电常数d33随受主Fe掺杂量增加而提高,随施主Nb掺杂量增加而降低,与传统PZT陶瓷掺杂的“软化/硬化”规律表现出了相反的趋势,表明“软化/硬化”规律在BNT基陶瓷中适用范围需加限制。本文指出,对于某些铁电稳定性较差的BNT基陶瓷,由于材料自身的铁电稳定性容易受到掺杂离子的影响,导致基于点缺陷与畴壁相互作用机理的“软化/硬化”规律失效,铁电稳定性成为决定陶瓷弱场压电性能的主导性控制因素。此外,本文还分析了铁电稳定性在强场电致应变性能中的重要作用,结果表明适度破坏材料的铁电长程序有利于强场电致应变性能的改善。5.提出了基于BNT陶瓷弛豫-铁电相变的铁电三态存储和应变记忆效应,并通过实验在Fe、Nb共掺杂BNKT陶瓷中验证了其具有一定的可行性。初步的写入能力和保持力的验证性实验表明,样品的各个状态都可以有效地写入,受样品之前所处状态影响较小;写入状态的极化和应变在1800 s的保持时间内不发生明显的改变,表明保持力良好。这项工作为高密度铁电存储器和电控形状记忆驱动器的进一步发展提供了新的途径。