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我们小组在近期的研究工作中原创性地发现了一类特殊的与宏观界面形成相关的非铁电性压电多晶材料。这类利用传统陶瓷工艺制备的复相多晶陶瓷块体具有自然产生的宏观极性,因而不需施加电场极化就具有较强压电效应,而且压电性与材料的铁电性无直接联系,我们暂且称这类陶瓷为自然极性陶瓷。自然极性陶瓷的出现打破了人们对压电陶瓷材料的传统认识,在理论研究的角度上值得进一步探索其压电性起源,此外由于不再受到居里温度的限制,使其具备在高温环境下应用的潜力。考虑到目前该类新型极性材料的相关实验数据非常有限,因此有必要对其进行系统的研究以探求其中的物理机制并进一步挖掘该类新型极性材料的潜在应用价值。本论文重点对Na2O-Bi2O3-TiO2原料体系中自然极性陶瓷的制备及物性进行了研究。一、通过向Na0.5Bi4.5Ti4O15的配方中加入过量的Na2CO3、Bi2O3或Ti02原料来探索制备含有铋层结构的自然极性陶瓷,并重点关注组分对其结构和压电性的影响。利用传统陶瓷烧结工艺制备了Na0.5Bi4.5Ti4O15+xNa2CO3(x=0.2,0.25,0.33,0.5)、Na0.5Bi4.5Ti4O15+xBi2O3(x=0.5,1,2.25,2.5,3,4,5,6)、 Na0.5Bi4.5Ti4O15+xTiO2(x=1,4,10,20)、Na0.5Bi4.5Ti4O15+2.25Bi2O3+xNa2CO3(x=0.15,0.25,0.35,0.5)和Na0.5Bi4.5Ti4O15+2.25Bi2O3+xTiO2(x=0.5,1,2,3)等一系列陶瓷样品。实验发现只有向Na0.5B14.5Ti4O15中加入适当过量的Bi203才能制备出自然极性陶瓷,而只向Na0.5Bi4.5Ti4O15中加入过量的Na2CO3或Ti02后制得的陶瓷未经极化工序并不能具有压电性。在该体系里,自然极性陶瓷中都检测到Na0.5B14.5Ti4O15相和Bi12TiO20相,而非自然极性陶瓷中并没有发现Bi12TiO20相,所以Bil2TiO20相在该类自然极性陶瓷中起了关键性的作用。通过样品的拉曼光谱分析发现Na0.5Bi4.5Ti4O15基自然极性陶瓷中存在畸变的Bi05多面体和Ti06八面体,其宏观极性可能来源于这些畸变单元的部分取向。实验发现向Na0.5Bi4.5Ti4O15+2.25Bi2O3中加入过量的Na2CO3可以提高压电活性,其d33值可达8pC/N左右,压电性增强可能与其中Bi12TiO20含量增多及保持了相对较高的密度有关。该类Na0.5B14.5Ti4O15基自然极性陶瓷的退极化温度超过700℃,具备高温压电应用的潜质。二、通过实验确定了在xNa2O-yBi2O3-zTiO2体系中自然极性陶瓷的存在范围,大致为原料中Na20含量为2%～10%、Bi203含量为30%-70%、TiO2含量为30%0～55%的区域,但原料中Bi203含量超过50%之后,陶瓷出现易挥发高损耗的特点,影响其压电应用。经过XRD分析发现,存在Bi12TiO20相是xNa2O-yBi2O3-zTiO2体系陶瓷具有自然极性的必要条件。实验中大部分自然极性陶瓷表现为Na0.5Bi0.5TiO3和Bi12TiO20两相同存、Na0.5Bi4.5Ti4O15和Bi12TiO20两相同存或Na0.5Bi0.5TiO3、Na0.5Bi4.5Ti4O15和Bi12TiO20三者共存的状态。三、我们分别以普通烧结工艺和温差烧结工艺按照Na0.5Bi4.5Ti2O11的配方制备了一系列陶瓷样品。在普通烧结工艺下,烧结温度在820-920℃之间的样品具有自然极性,烧结温度超过940℃后自然极性消失,在870℃下烧结的样品其压电性最强,d33为6pC/N。温差烧结工艺制得的样品压电性明显增强,其d33值为11pC/N,并且d33值分布更为均匀。通过XRD谱我们发现所有的自然极性陶瓷中都含有Bi12TiO20,而且随着Bi12TiO20的消失其自然极性也消失；通过Raman光谱和XPS能谱我们确认了该类样品中存在非晶相及由Bi05多面体和Ti06八面体畸变导致的微观极性,其宏观极性很有可能源自存在于非晶相中的这些畸变单元的部分有序排列。在温差烧结工艺制备的自然极性陶瓷中没有观测到明显的晶粒取向,并且它的XRD谱、Raman光谱和XPS能谱显示的结果与普通烧结工艺制备的自然极性陶瓷相比并无明显差异,我们猜测其压电性增强可能与成分含量梯度分布或非晶相中畸变单元的取向加强有关,温度梯度很可能是畸变单元取向的诱导因素。