钙钛矿层状结构（Perovskite Layer Structure,PLS）压电陶瓷具有高居里温度、高直流电阻率和高温度稳定性等特点,是高温压电振动传感器用高温敏感压电材料的重要候选之一,在航天航空、石油化工和油气勘探等领域具有重要应用前景。铌酸锶（Sr₂Nb₂O₇）是PLS压电陶瓷典型化合物,其优点主要有:（1）居里温度T_c高达1340oC,比准同型相界附近的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷高出约1000oC;（2）600oC时直流电阻率约为10⁷Ω·cm,比钙钛矿、钨青铜、铋层状等晶体结构压电陶瓷高出1³个数量级;（3）退极化温度高于0.9T_c,温度稳定性好。然而,Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷研制存在一些关键问题:（1）烧结温度较高（>1400oC）且难以致密化,普通烧结Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷相对密度低于92%;（2）矫顽场E_c较高（>100kV/cm）,致使极化困难;（3）压电系数d₃₃低,即使通过先进烧结工艺,d₃₃值仍低于4pC/N,这些因素极大地限制了其在高温领域的潜在应用。本论文针对上述关键问题,从制备工艺和掺杂改性的角度,系统研究了烧结工艺、第二组元及离子掺杂对Sr₂Nb₂O₇结构和性能的影响,分析了晶粒尺寸对Sr₂Nb₂O₇压电性能的影响规律,并利用第一性原理和变温XRD,通过理论和实验相结合,对Sr₂Nb₂O₇相变途径进行分析,深入讨论了其铁电性贡献来源,同时在Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷中首次发现了类反铁电效应,并从晶体结构角度分析了内在机制。主要研究进展如下:（1）利用烧结助剂CuO成功实现了Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷低温致密化烧结。烧结温度从1420oC大幅降低至1180oC,同时显著提高了体积密度,致密度从91.9%提高至98.8%。在0.5wt%CuO添加量的组分中,得到较为优异的电学性能,其中T_c=1342oC,d₃₃=1.0pC/N,P_r=4.1μC/cm²,E_c=63.1kV/cm,室温电阻率ρ=8.17×10¹³Ω·cm,介电击穿强度从188.9kV/cm提高至258.8kV/cm。（2）首次构建了（1-x）Sr₂Nb₂O₇-xBi_0.5Na_0.5TiO₃（SNO-BNT）二元系压电陶瓷体系。研究发现该二元系固溶极限低于0.03,低含量BNT固溶有利于提高Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷烧结性能和致密度,x=0.05组分中部分Ti⁴⁺没有进入B位,导致化学计量比偏移进而形成第二相聚集。x=0.01组分固溶体,d₃₃最高为1.0±0.1pC/N;当BNT固溶量达到x=0.03,电阻率开始下降,BNT固溶量升至x=0.05时,高温区电阻率下降了1个数量级。（3）研究了Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷晶粒尺寸效应和各向异性行为。通过调节烧结温度,获得了晶粒尺寸范围为1.2μm³.6μm压电陶瓷,居里温度T_c保持在（1340±4）°C。随着晶粒尺寸增大,相对密度提高至96%,压电系数d₃₃逐渐增大,最高值为1.7 pC/N,且相应的热退极化温度提高。采用SPS二步法烧结出晶粒沿（0k0）高度取向、相对密度高达97.9%的Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷,平行压力方向切割的样品d₃₃为2.2pC/N,垂直压力方向切割的样品d₃₃为0.5pC/N。（4）通过实验和计算结合的方法系统研究了Sr₂Nb₂O₇铁电性来源和顺电-铁电（Cmcm-Cmc2₁）相变途径。通过晶胞参数a、b、c随温度的三段式变化,对比铁电相和顺电相的晶体结构发现,氧八面体沿着c轴发生明显扭曲。采用密度泛函数理论结合声子模,计算了Sr₂Nb₂O₇自发极化来源和铁电顺电相变途径。由Glazer法则定义此氧八面体的旋转为a⁰b⁰c⁺,确认氧八面体a⁰b⁰c⁺旋转为顺电-铁电相变的相变途径,也是Sr₂Nb₂O₇铁电性来源。（5）首次在PLS体系中发现了反铁电现象并研究了其物理本质。在低含量（小于等于5mol%）Pb取代Sr₂Nb₂O₇压电陶瓷中测得了双电滞回线和四电流峰,且这种现象存在于较宽的温度范围内（25²00°C）。通过电场下频谱和太赫兹测试证实了类反铁电效应,这是首次在PLS体系中发现反铁电现象。从晶体结构角度研究发现,Pb的掺杂可能在c方向上形成了一些反平行的原子位移,c方向为自发极化方向,反平行的位移诱导出反铁电基质,从而加载电场后,出现了类反铁电效应。