构建以压电材料为核心的能量收集器来捕获环境中普遍存在的低频振动进行清洁发电是当今新能源和物联网领域的国际研究热点。BaTiO₃（BT）基陶瓷具有较高的压电性和良好的温度稳定性,被认为是最有潜力取代铅基Pb（Zr,Ti）O₃陶瓷的无铅材料体系之一。然而,BT基陶瓷存在压电性能难以大幅度提高、机电转换系数低、应变迟滞大以及工作稳定性差等问题,大大阻碍了其在高灵敏度器件以及能量收集器件中的应用,因此提高BT基压电陶瓷的综合电学性能已经成为一项紧迫且具有重大实用价值的研究课题。本文通过化学方法（掺杂改性）以及物理方法（晶向织构/畴工程）调控A位和B位共同取代的(Ba_0.94Ca_0.06)(Ti_0.95Zr_0.05)O₃（BCTZ）陶瓷的相结构、晶粒取向、晶粒尺寸、微观形貌、电畴结构以及极化状态（极化方向及强度）,并对陶瓷的压电性能、抗疲劳性能以及能量收集特性等进行研究分析,来解决目前存在的这些问题。以CuO为烧结助剂,采用传统固相法制备了BCTZ陶瓷,系统研究了CuO掺杂对陶瓷的致密化行为、微观形貌、电畴结构、电学性能、热稳定性和能量收集特性的影响规律。研究表明,CuO掺杂可以显著提高陶瓷的致密度,减小晶粒尺寸且使晶粒大小更加均匀,并且可以显著降低电畴尺寸,从而提高陶瓷的压电性、机电转换性以及能量收集特性。CuO掺杂量为0.5 mol%时,陶瓷的电学性能最优,此时压电系数d₃₃为424 pC/N,机电耦合系数k_p为0.53,压电电压系数g₃₃为15.7×10^-3 Vm/N,机电转换系数d₃₃?g₃₃为6.7×10^-12 m²/N。在升温过程中陶瓷性能的退化主要与其相结构和电畴结构的变化有关。在10 m/s²的加速度下,CuO掺杂量为0.5 mol%时,BCTZ能量收集器输出功率密度为1.76μW/mm³,是无掺杂的3.6倍。将晶向织构和畴工程结合到BT基陶瓷中,通过模板晶粒生长法制备了沿[001]_C织构度高达98.6%的织构BCTZ陶瓷,系统地研究了陶瓷织构过程中的相结构演变、致密化行为、微观形貌演变、取向行为演变以及基体晶粒的定向生长机制,阐明了织构陶瓷的生长机理。研究表明,BCZT陶瓷的织构度与致密度的演变密切相关,织构过程主要分为BT模板成核,取向晶粒的快速长大以及晶粒发生相遇后的缓慢长大。织构BCTZ陶瓷电学性能大幅度提高,可提高到无取向陶瓷的2⁴倍以上,其压电常数d₃₃高达755 pC/N,高场压电系数d^*₃₃高达2027 pm/V,张力迟滞H_s低至4.1%,为目前文献上报道的无铅压电性能之最,其综合性能可以和高端的PZT基弛豫铁电陶瓷相媲美。织构陶瓷压电性主要来源于本征压电贡献,其高压电性可以归功于沿[001]_C方向的压电各向异性和4O工程畴构型的结合。基于压电陶瓷的实际应用角度,系统研究织构BCTZ陶瓷的抗疲劳性和能量收集特性的影响。织构BCTZ陶瓷具有优异的抗疲劳性,疲劳循环3.16×10⁶次后,电学性能基本保持稳定,其抗疲劳性远远优于目前报道的无铅压电陶瓷以及商用PZT压电陶瓷。织构BCZT的优异抗疲劳性归功于大幅度减小的电畴尺寸和同时增加的畴壁数量,大幅度增加的压电各向异性和4O工程畴构型的存在。此外,将晶向织构理念引入能量收集领域,利用压电材料的各向异性、工程畴构型以及复合物结构效应,最终获得机电转换性能以及能量收集性能优异的无铅BCTZ陶瓷。加速度为10 m/s²,织构BCTZ能量收集器输出功率密度为6.4μW/mm³,是无取向的9.8倍;加速度为50 m/s²,输出功率密度为93.6μW/mm³。织构BCTZ能量收集器的输出功率密度远高于目前报道的无铅以及铅基压电能量收集器。本论文制备了环境友好型的高性能压电材料,且为无铅压电陶瓷的织构化奠定了技术基础。此外,本研究为高性能无铅压电能量收集器的设计及制备提供了实验及理论支持,为高性能电子元器件的无铅化提供了可靠的材料保证,具有重要的工程应用价值。