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压电陶瓷是陶瓷电子元器件研究中非常重要的材料,它的功能体现在信息的接收、转化、处理和存贮等方面。含铅固溶体以优异的压电性能和低廉的价格一度成为压电陶瓷材料中的统治者,然而其在制备和使用过程中污染环境,成为电子陶瓷工业中亟待解决的突出问题。在众多无铅压电陶瓷材料的研究体系中,钙钛矿结构(AB03)的BaTiO3 (BT)基陶瓷材料通过合适制备工艺和改性方法,获得准同型相界(MPB)和多晶型转变(PPT)等物相结构,使得其优异电学性能够满足压电陶瓷材料的要求,被誉为“电子工业未来的支柱”。在BT基无铅压电陶瓷材料的研究中,常压固相烧结制备工艺最为普遍,然而其烧结温度往往高达1450℃左右,不仅浪费大量的电能,而且导致高温下陶瓷晶体结构的畸变,进而造成电学性能恶化；另外,不同工艺制备的BT基陶瓷材料的电学性能范围分布比较宽。针对以上问题,开展了BT基陶瓷材料制备、结构和电学性能的研究,即本文的创新点和研究特色所在。本论文的主要创新点有：(1)通过调整原料配方组成和控制反应温度对Pechini法改性,制备了粒径分布较窄和成分均一的高质量BT基纳米粉体,并研究了粉体制备的机理。(2)通过调整坯体的制备方法和控制烧结工艺参数来优化陶瓷制备工艺,得到了晶粒尺寸均一的高致密化BT基陶瓷,并探究了产生优异电学性能的机制。(3)研究了铱离子和铒离子等掺杂含镧的BT基陶瓷新体系材料。本论文的主要研究特色为：(1)在制备高质量的粉体基础上,利用常压固相烧结在低温(1260℃)下制备了电学性能优异的BT基陶瓷材料。(2)探究了掺杂物质影响BT基陶瓷的机制,建立起掺杂物质与BT基陶瓷结构与电学性能之间的关联,为其在电子陶瓷元器件中的应用提供参考。经过机理分析和实践优化得到制备BT纳米粉体与陶瓷最佳工艺,并在此基础上分别制备了Ca、Zr、La3+、IrO2、Ir4+和Er3+等单掺或共掺的BT基纳米粉体和0.33Ba0.8Ca0.2TiO3-0.67BaTi1-xZrxO3 (BCT-BZT, 0≤x≤0.2)、Ba0.934Ca0.066Ti1-xZrxO3 (BCZT, 0≤x≤0.134), 0.5Ba0.9Ca0.1MTi1-xZrxO3 (BCT-BZT’,0≤x≤ 0.2), 0.5Ba0.7Ca0.3TiO3-0.5BaTi0.8Zr0.2O3-xIrO2 (BCT-BZT-xIrO2,0≤x≤1.2%)、0.5Ba0.9Ca0.1TiO3-0.5BaTi0.88Zr0.12O3-0.12%La-JcIr4+ (BCT-BZT-La-xIr4+, 1.25%) 和0.5Ba0.9Ca0.1TiO3-0.5BaTi0.88Zr0.12O3-0.12%La-xEr (BCT-BZT-La-xEr,0≤x≤0.5%)等BCZT基陶瓷。通过X射线衍射、场发射扫描电镜、致密度和相关电学性能的表征,得到了BCZT基陶瓷的物相结构、断面形貌、介电、压电和铁电性能等,并具体分析了产生优异电学性能的机理。在研究组分相同的BCT-BZT和BCZT陶瓷时,发现“两步法”工艺有利于陶瓷晶粒的生长、致密化与电学性能的提高。利用“两步法”制备了晶粒尺度为2μm左右、相对密度ρr为96.9%的BCT-BZT’陶瓷。在锆含量为0.10-0.12时,在室温下陶瓷呈现斜方相和四方相共存的PPT结构；随着锆含量的增加,居里温度(TC)有所降低,而斜方相转变为四方相的温度(TO-T)、介电频率色散、铁电弛豫和弥散性相变都有所增强；在锆含量为0.10时具有最佳电学性能：陶瓷的剩余极化强度Pr、压电常数d3和平面耦合系数kp分别为16.40μC/cm2、237 pC/N和0.23。BCT-BZT-xIrO2陶瓷研究表明,随着IrO2掺杂量的增加,陶瓷ρr先增大到97.4%然后逐渐减小；陶瓷的晶粒尺寸由大约0.7μm逐渐减小；陶瓷的铁电弛豫和弥散性相变呈现先减弱后增强的趋势；在Ir02=0.4%时,在室温下陶瓷显示三方相和四方相共存的PPT结构,最佳电学性能：机械品质因数Qm、矫顽场强Ec、Pr、d33和kp分别为78.2、2.99 kV/cm、6.28μC/cm2、199 pC/N和0.261另外,其介电性能满足Y5Y和X7R型多层电容器件的要求。BCT-BZT-La-xIr4+陶瓷研究表明,随着Ir4+掺杂量的增加,TC开始有所降低、TO-T大幅度向室温方向偏移；介电性能和介电频率色散先增大后减小、而弥散性相变和铁电弛豫先减弱后增强；在Ir4+=0.75%时,出现最大ρr为97.3%、最佳电学性能：Qm、Pr、d333和kp分别为70、6.20μC/m2、269 pC/N和0.28。BCT-BZT-La-xEr陶瓷研究表明,随着Er3+掺杂量的增加,Er3+在单一三方相AB03结构中取代的位置由A位转向B位,显示了由“施主掺杂”向“受主掺杂”过渡的掺杂机制；TC降低,而TO-T升高；弥散性相变和铁电弛豫先减弱后增强,而压电性能和介电性能先增大后减小；在Er3+=0.2%时,出现最大p,为96.8%、最佳电学性能：Qm、Ec、Pr、d33和kp分别为69、1.60kV/cm、5.78μC/cm2、196 pC/N和0.30。另外,该陶瓷极化后的介电性能较未极化的优越。