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铋层结构的铁电材料具有高居里温度、低损耗因子、大各向异性、高绝缘强度和电阻率、高击穿强度、低老化率等特点，是一种极具潜力的高温无铅压电铁电材料。但铋系材料特殊的晶体结构使得该类材料难以极化，压电活性低：另外高温烧结过程中存在的铋挥发以及片状晶粒的随机排列，使得该类陶瓷难以获得较高的致密度和较好的性能。对该系统材料进行离子的掺杂和取代以及对显微结构进行调控和优化，是改善Bi层状钙钛矿结构材料结构及性能的有效手段。
本论文的研究主要集中在两个方面：一是配方研究：以铋层类钙钛矿结构铁电材料CaBi4Ti4O15为对象，研究A、B位离子取代对材料的烧结性能、介电和压电性能的影响。结合XRD和SEM等分析陶瓷的晶相组成和显微形貌，研究离子取代对材料温度特性、电导率以及介电、压电性能等可能的影响机制。二是烧结工艺研究：以Sr0．3Ba0．7Bi3．7La0．3Ti4O15陶瓷为对象，分别采用传统高温直接烧成工艺和两步烧结工艺制备，通过研究烧结温度、保温时间等工艺参数对陶瓷的组成、结构和性能的影响，获得了致密度高、均匀细晶、综合性能良好的陶瓷材料。
本论文主要包括以下内容：
（1） CaBi4Ti4O15陶瓷的B位取代改性研究。分别以V5+、Nb5+、W6+离子取代B位Ti4+离子，研究取代后对CaBi4Ti4O15陶瓷的烧结、显微结构和介电、压电性能的影响，并将三种离子等摩尔取代结果进行对比。高价离子的B位取代改善了材料的烧结性能，降低了高温介电损耗和电导率。由于V2O5的低熔点性，V5+离子的降温效果最为显著12．5at％的V5+取代Ti4+，可使烧结温度下降约220℃。高价离子取代引起的氧空位浓度的减少以及晶格畸变改善了陶瓷的压电性能及微观结构，降低晶粒的各向异性。V5+离子有利于CBT陶瓷晶粒的c轴取向，促进晶粒长大；而Nb5+、W6+离子则更有利于材料细晶化。
（2） CaBi4Ti4O15陶瓷的A位取代改性研究。分别以Nd3+和（Li1+Ce3+）离子进行A位复合取代，研究取代后对CaBi4Ti4O15陶瓷的烧结和介电、压电性能的影响。Nd3+的Ca位和Bi位复合掺杂，使陶瓷的体积密度提高了近2％，压电系数和机电耦合系数提高了一倍。（Li1+Ce3+）离子复合取代Ca2+有利于获得晶粒各向异性小、结构致密的CaBi4Ti4O15陶瓷材料。
（3）烧结工艺对Sr0．3Ba0．7Bi3．7La0．3Ti4O15陶瓷结构及介电性能的影响研究。针对含Bi材料高温易挥发的特点，本论文提出采用低温长时间保温的两步烧结法来控制该类材料的显微结构，减少Bi的挥发以及氧空位的形成，从而获得了结构相对致密、综合性能显著改善的陶瓷材料。采用两步烧结工艺，减弱了陶瓷的高温低频耗散现象，有效提高了高温电阻率，并使居里温度从408℃降到345℃。选择最高点温度1180℃、在1050℃保温10hr的两步烧成制度可以获得平均粒径为1～3μm的细晶、结构致密的陶瓷。