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锆钛酸钡钙((Ba,Ca)(Ti,Zr)O3，BCTZ)陶瓷是一类具有钙钛矿结构的A、B位离子取代铁电体，在室温下具有强铁电和介电性能，被认为是很有潜力的无铅压电陶瓷材料之一。与铅基压电陶瓷相比，目前BCTZ陶瓷的电学性能相对较差，但通过引入并优化Ca和Zr离子含量进而构造准同型相界(morphotropic phase boundary，MPB)、优化烧结温度、改善极化条件等方法，可以有效地提高陶瓷的压电性能。本论文研究的无铅压电陶瓷是为了与贱金属电极共烧，用于多层陶瓷驱动器(multilayer ceramic actuators)等器件中。由于贱金属电极需要在还原气氛中烧结以防止氧化，因此本文在还原气氛工业氮气(N2，PO2=5×1O2Pa)中烧结制备BCTZ陶瓷。本论文采用传统的固相反应烧结方法，分别在空气和工业氮气中制备出一系列Ca、Zr共掺杂改性的钛酸钡(BaTiO3，BTO)基无铅压电陶瓷。
首先针对烧结温度和极化条件对(Ba0.95Ca0.05)(Ti0.88Zr0.12)O3陶瓷晶体结构及电学性能的影响进行了研究。随烧结温度的升高，陶瓷样品的晶体结构在1300℃到1320℃范围内跨越从四方相向赝立方相的转变，形成MPB；1350°C烧结陶瓷样品的压电性能最好。极化温度和电场强度分别为25°C和3.0 kV/mm时，陶瓷的压电常数d33值最高。为实现与贱金属共烧，在工业氮气中烧结制备出BCTZ陶瓷，压电常数d33和机电耦合系数kp最大值分别为200 pC/N和17％。
在工业氮气中1350°C烧结制备出(Ba0.95Ca0.05)(Ti1-xZrx)O3(x=0～15at.％)(BCTZx)陶瓷。Zr含量为5～7 at.％时获得正交和赝立方两相共存的MPB。在MPB成分附近，Zr含量为4 at.％时陶瓷的压电性能最好，d33和kp分别为338 pC/N和36％。在确定最佳zr含量后，采用同样的工艺制备出(Ba1-xCax(Ti0.96Zr0.04)(x=0～15 at.％)(BCxTZ)陶瓷。Ca含量为5 at.％时BCxTZ陶瓷的d33和kp分别取得最大值322 pC/N和36.28％，与优化Zr含量的结果相一致。结果表明，适量的Zr(x=4～5 at.％)和Ca(x=5 at.％)掺杂不仅促进(Ba,Ca)(Ti，Zr)O3陶瓷的烧结，而且明显提高陶瓷的压电和介电性能。
本实验采用还原气氛烧结反应方法获得钙钛矿结构无铅压电陶瓷样品，具有一系列优异的电学性能，表明锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷是取代含铅压电材料的理想候选者之一。