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压电能量收集是一门新兴的能源技术,因其广泛的应用前景而受到关注。研究满足压电能量收集系统要求的能量转换和能量存储关键材料,对进一步推进压电能量收集器的实用化具有重要意义。高的机电转换性能的关键是控制晶体结构与成分组成,获得高压电常数和低介电常数。本工作中,提出了适用于能量收集器的多元系陶瓷材料的成分选择与设计规则。以PZN–PZT体系为基体,通过不同的材料改性方法分别在准同型相界区(MPB)和四方相区,获得了高的压电常数与较低的介电常数。此外,还详细研究了具有相似基体的无机-金属介电复合材料和反铁电储能材料,对于推动一体化、集成化能量收集系统(包括能量转换和能量存储)具有重要的理论价值和现实意义。首先,研究了成分调控及烧结行为对PZN-PZT陶瓷晶体结构和电性能的影响。通过设置不同的烧结温度,制备了晶粒尺寸系列化的钙钛矿结构0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3陶瓷。结果表明,在烧结过程中,PbO的挥发不可避免,存在带负电的铅空位和带正电的氧空位,二者形成缺陷偶极子对,与铁电畴内部的自发极化Ps相互作用产生内偏场现象。研究中同时发现,材料内部内偏场越小,铁电和压电性能越优异。在进一步的研究中,采用铌铁矿前驱体法结合高能球磨工艺制备了粉体粒度在亚微米尺度(~200 nm)的xPb(Zn1/3Nb2/3)O3–(1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3陶瓷粉体,利用该粉体制备了晶粒尺寸同样在亚微米尺度的细晶陶瓷。晶粒尺寸细化,内应力增大,有利于三方相的稳定,导致MPB位置向低PZN含量方向迁移。通过晶体结构和晶粒尺寸的调控,在MPB相区,晶粒尺寸0.65μm的0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.7Pb(Zr0.47Ti0.53)O3体系中,获得了优异的机电转换性能和力学特性,有望应用于多层能量收集器件。其次,详细研究了第VIII族离子掺杂对PZN-PZT陶瓷力电特性的影响。在0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3体系中,引入第VIII族金属离子(Fe、Co、Ni),制得一系列满足能量收集用压电陶瓷。随着掺杂离子的加入,引起陶瓷的相结构从MPB向四方一侧转变。通过详细的TEM微结构分析,解析了基于过量掺杂引起的液相烧结机制和钛铁矿第二相生成机制,并提出了一种全新的掺杂取代机制—“等价取代机制”。在四方相一侧,利用压电常数与介电常数变化趋势的差异进行调控,成功获得了优异的机电转换性能。其中,当CoCO3含量为0.8 wt.%时性能最为优异:d33=440 pC/N,g33=32×10-3 Vm/N,kp=73%,d33?g33=14083×10-15 m2/N。此外,构建了PZN-PZT基储能复相材料。利用亚微米的0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3陶瓷粉体和纳米尺度的Ag颗粒合成具有新颖内晶型和纳米核壳结构的介电复合材料。纳米Ag颗粒与PbO形成的纳米核壳结构增强了Ag颗粒与陶瓷基体的界面极化,有效减小Ag颗粒之间的隧穿电流,降低介电损耗。成分组成为0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3/16.6 vol.%Ag的复合材料,具有优异的储能特性,其室温介电常数高达16600,介电损耗低于0.056。最后,在反铁电储能材料研究工作中,设计了xPb(Zn1/3Nb2/3)O3–(1-x)Pb(Zr0.95Ti0.05)O3富锆体系,研究了PZN含量对晶体结构和储能特性的影响。结果发现,随x增大,相结构从反铁电(AFE)相区经反铁电-铁电(AFE-FE)两相共存区向铁电(FE)相区转变。处于铁电相区的0.15Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.85Pb(Zr0.95Ti0.05)O3体系电性能最优异,并且在宽的温度范围内表现出铁电和压电性能的温度稳定特性。本工作深化了能量收集用压电材料设计理论的认知,进一步明确了第VIII族元素等价掺杂机理及与尺寸相关的MPB定向迁移机制,构建的内晶型纳米核壳结构也是储能材料研究的一个新进展,具有重要的科学意义与应用价值。