准同型相界(Morphotropic Phase Boundary,MPB)附近,铁电材料相结构处于亚稳状态,因此在外加电场、温度场、应力场作用下可以展现出卓越的电卡效应和机电性能。处于MPB附近的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-xPT)弛豫铁电单晶因具有优异的电卡效应以及超大的电致应变、超高的压电常数而被人们大量研究。PMN-xPT体系在PT含量为30-36 mol%时形成MPB区域,在该区域内存在菱方相(Rhmohedral,R)、单斜相(Monoclinic,M)、四方相(Tetragonal,T)或者正交相(Orthogonal,O)以及R-M和M-T或者M-O相界。众多相互影响的物理因数使得研究PMN-xPT单晶优异性能的内在物理机理异常困难。此外,在实际服役条件下,电场-温度的多场作用会进一步影响上述各种物理机制,使其微观机制更为复杂。目前,关于哪种物理机制在电卡效应和压电效应中起主导作用,学术界还存在争议。因此,阐明电场-温度多场耦合条件下各种物理机制对电卡效应和压电效应的贡献,对铁电材料理论研究和材料优化设计至关重要。本论文通过研究电场-温度多场作用下<001>、<011>和<111>取向PMN-30PT单晶中复杂的相结构演变和畴结构变化以及相应的电卡效应、电致应变和压电常数,建立了微观物理机制与宏观电卡效应、电致应变行为以及压电常数的内在联系,阐明了这些宏观性能中各种微观物理过程的贡献与影响规律。本论文主要获得以下结论和成果:(1)系统研究了电场-温度多场作用下<001>、<011>和<111>取向PMN-30PT单晶的相结构演变过程。绘制了不同取向单晶详细的电场-温度相图,精确描绘出电场-温度多场诱导的赝MPB区域并将该区域进一步细分。依据决定因素不同,将PMN-30PT单晶中丰富的相变分为电场主导相变和温度主导相变。本章研究成果为建立不同外场下各物理机制与宏观性能的内在关联奠定了基础。(2)系统地表征了电场-温度多场作用下<001>、<011>和<111>取向PMN-30PT单晶的电卡效应。<001>和<011>取向单晶同时具有正电卡效应和负电卡效应;而<111>取向单晶只能产生正电卡效应。正电卡效应峰依赖于温度主导的相变,当电场强度为10 kV/cm时,温度主导的<011>取向单晶中O-T相变和<111>取向单晶中R-T相变可以产生△Tmax=0.4 K的正电卡效应峰。而在居里温度附近,<001>、<011>和<111>单晶中温度主导的的铁电-顺电相变产生最大正电卡效应峰,其峰值分别为0.61 K、0.63 K、0.68K。负电卡效应则依赖于非共线电场诱导的高对称铁电相产生。实验证明在赝MPB内,只有具有高能量势垒的MA-T<001>和MB-O<011>相变才可以产生负电卡效应,势垒越高负电卡效应数值越大。(3)<001>取向PMN-30PT单晶在一定温度、不同电场强度下具有正负电卡效应共存现象。我们提出了一种电场驱动方案,有效地结合正负电卡效应,实现了双制冷循环,从而大大地提高了铁电材料的制冷能力(～150%,85℃)。此外,<001>取向PMN-30PT单晶中还存在反向电场退极化过程引起的负电卡效应。利用退极化负电卡效应实现的双制冷循环在低温下可将制冷效率提高约67%。(4)定量表征了<001>取向PMN-30PT单晶在电场-温度多场作用下各物理机制对电致应变和压电性能的贡献。研究表明电致应变和压电常数是由不同微观物理过程所决定的。对于电致应变,随着温度增加,初始R相的极化倾转(占据总应变的～53%,35℃)、赝MPB内MA相的极化倾转(～43%,55℃)以及赝MPB内具有高能垒的MA-T相变区域(～60%,80℃)依次在电致应变中起主导作用。而对于压电常数,只有赝MPB内具有低能垒的R-MA相变区域可以产生超高压电常数峰值,d33>2100 pC/N。(5)系统研究了<001>、<011>和<111>取向PMN-30PT单晶的电致应变和压电常数。电场主导相变和温度主导相变都可以产生电致应变峰,其中电场诱导的<001>取向单晶中MA-T相变以及<011>取向单晶中R-O相变有助于单晶获得最大的电致应变。<001>取向单晶在55℃获得最大电致应变Smax=0.52%。<011>取向单晶在30℃获得最大应变值Smax=0.22%。而温度主导相变所产生的电致应变峰数值较小。与电致应变不同,电场主导的相变中,仅具有低能垒的R-MA<001>相变和R-O<011>相变可以产生压电常数峰(R-MA:d33=2460 pC/N;R-O:d33=1500 pC/N),而具有高能垒的MA-T相变则无法产生压电常数峰。此外,温度主导的铁电相之间的相变,如<011>单晶中的O-T相变(～1900 pC/N)和<111>单晶中的R-T相变(～850 pC/N),也可以产生压电常数峰。