近年来,随着便携式电子设备和无线传感网络技术的蓬勃发展,压电能量收集技术成为当今新能源领域的研究前沿。其中,能量收集器用压电材料需要具有突出的能量转换特性以保证其实际使用效率。针对这一要求,压电陶瓷应当具有高的换能系数以获得高的输出能量密度。在本研究中,以0.2Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-0.8Pb(Zr_1/2Ti_1/2)O₃（PZN-PZT）基压电陶瓷为研究对象,通过引入稀土掺杂剂或特殊的复合组元并基于局部结构异质性调控材料的压电电荷常数与相对介电常数的变化趋势,从而获取具有高换能系数的压电陶瓷材料。同时,研究分析该PZN-PZT基压电陶瓷材料的微结构与电学性能之间的关系,并用悬臂梁式能量收集器表征其发电性能。第一,为了满足能量收集器件在环境中的实际使用需求,压电陶瓷应该同时具有高的换能系数和优良的力学性能。通过将掺杂剂Sm₂O₃引入到PZN-PZT基体中获得了力电性能均衡的细晶压电陶瓷。一方面,由于Sm掺杂引起的铅空位对晶粒生长的抑制作用能够有效的细化晶粒尺寸,提高材料的力学性能。另一方面,由于Sm³⁺离子取代了钙钛矿晶格中的部分A位Pb²⁺离子,使得材料形成了局部结构异质性,造成了畴尺寸的减小和介电弛豫的增强,改善了材料的压电性能,进而提升了材料的换能系数。其中,在Sm₂O₃添加量为0.4 wt%的中等晶粒尺寸处获得了优异的力学性能和换能系数:HV=4.44 GPa,K_IC=1.23 MPa·m^1/2,d₃₃×g₃₃=9609×10^-15 m²/N。在共振频率为82 Hz、振动加速度为10 m/s²的测试环境下,由具有最高换能系数的钐掺杂PZN-PZT基陶瓷制备的压电能量收集器具有最佳发电性能,其输出功率为24μW。第二,为了大幅度提升压电材料的换能系数,需要解决压电陶瓷传统改性方法中压电电荷常数和相对介电常数变化趋势相同的问题。将低介电复合组元Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃（PIN）引入到PZN-PZT基体中,通过传统固相法成功制备了（0.2-x）Pb(Zn_1/3Nb_2/3)-x Pb(In_1//2Nb_1/2)O₃-0.8Pb(Zr_1/2Ti_1/2)O₃（简写为PZN-PIN-PZT）四元系压电陶瓷。一方面由于低介电复合组元的引入使材料的相对介电常数剧烈降低。另一方面,PIN引入使得B位阳离子的数量和种类增多,从而带来的局部结构异质性使得材料的Q₃₃增加并伴随着更小尺寸的微畴结构的形成,进而使得材料的压电电荷常数在一定范围内保持相对稳定。因此,实现了材料压电电荷常数和相对介电常数差异性变化趋势,使得换能系数大大提升。当PIN的含量为0.042时换能系数最大,为16081×10^-15 m²/N。在共振频率为92 Hz、振动加速度为10 m/s²的测试环境下,由具有最高换能系数的PZN-PIN-PZT四元系压电陶瓷制备的压电能量收集器具有最佳发电性能,其输出功率为189μW,能量密度达到了3.37μW/mm³,其所产生的电能能够成功点亮120个LED灯以及成功驱动商用速度传感器,显示了其在自供电低功率器件的潜在应用。本工作揭示了通过在压电陶瓷内部构造特定的局部异质结构,能够有效调制相对介电常数与压电电荷常数变化趋势,从而实现高换能系数压电能量收集材料的可靠制备。本研究不仅获得了性能优异的压电能量收集陶瓷,而且为相关能量收集材料设计提供了新的思路与方法。