压电能量收集技术作为一种新型能量收集转化技术,成为当前新能源领域研究的热点。尤其是在一些高温极端领域,如航空航天、能源勘探、汽车制造等,传感器等微器件的高温供电面临严峻挑战。例如动态燃料注射喷嘴发动机、内燃机以及核反应堆等重要部位的自检测、传感与通讯,工作环境温度高达200～300°C,甚至更高,实现高温极端环境中微器件的自供电迫在眉睫。基于压电陶瓷的压电能量收集技术则被认为是可替代传统电池,实现高温微器件自供电的有效解决方案。研究可用于能量收集技术的高温压电陶瓷则对于进一步推动高温压电器件的实用化具有重要意义。高居里温度、高退极化温度以及高压电性能是作为高温压电能量收集材料的必备因素,而这些宏观性能的高温表现则源于材料在外界温度场驱动下晶体结构、相组成、电畴构型等微结构的表现。深入研究材料晶体结构、相组成及电畴构型在高温场下的演变,剖析材料在高温下宏观性能与微结构之间的内在关联性,是构建理想高温压电能量收集材料的关键。本研究中,选用0.36Bi Sc O₃-0.64Pb Ti O₃为基体材料,基于相界设计、晶体结构调制等理念,通过引入第三组元的技术手段进行目标性能调控,制备出具有高性能的高温压电陶瓷;借助多种原位测试技术,深入解析其微观结构与宏观性能之间的内在关联机制,为设计制备高温压电陶瓷提供了参考;将压电陶瓷装配成悬臂梁式压电能量收集器,在实验室条件下实现了室温至450℃的高温发电性能评价,直接证明了材料在高温能量收集转化领域的应用潜力。主要成果如下:首先,自主搭建了Berlincourt型原位d₃₃高温测试仪,结合XRD、介电温谱等原位测试技术,以0.94(Na_0.5Bi_0.5)Ti O₃-0.06Ba Ti O₃、0.2Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-0.8Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃、0.36Bi Sc O₃-0.64Pb Ti O₃和Ba_0.85Ca_0.15Ti_0.9Zr_0.1O₃四种典型钙钛矿结构压电陶瓷为对象,研究热退极化行为,证实压电陶瓷的热退极化与结构相变直接相关,最终确定综合性能最佳的0.36Bi Sc O₃-0.64Pb Ti O₃作为高温压电能量收集材料进行深入研究。以此为基础,系统地制备并研究了（1-x）Bi Sc O₃-x Pb Ti O₃材料体系的组成、微结构及电性能之间的关系,在x=0.64的准同型相界（MPB）处获得了最佳电学性能。深入探讨了压电电荷常数(d₃₃)与介电常数（ε_r）之间协同效应对压电能量收集材料工作温度稳定性的影响。该组成制备的悬臂梁式高温压电能量收集器,以200℃为基准温度,在100～250℃的温度范围内开路电压值波动低于±20%,良好的温度稳定性显示出其在高温能量收集领域潜在的工业应用前景。其次,为进一步提高居里温度（T_c）,拓宽工作温度区间,将具有高居里温度的Bi Fe O₃作为第三组元,构建了0.36（（1-x）Bi Sc O₃-x Bi Fe O₃）-0.64Pb Ti O₃体系。研究了组分驱动下电学性能与微结构的关联机制,结果表明:低熔点Bi Fe O₃起烧结助剂的作用,降低烧结温度,提高晶粒尺寸。随x值增大,晶体结构由最初三方相、四方相共存的MPB结构向四方相一侧偏移,居里温度随Bi Fe O₃含量的增加而升高。在常规空气气氛烧结下,x=0.3样品的T_c约为500°C,d₃₃为125p C/N。以此为优选样品,在氧气气氛中烧结,d₃₃提升至165 p C/N,其原因主要源于氧空位浓度减少,降低了漏电流密度,从而使样品可承受更高的极化电场。进一步优化工艺,采用淬火策略有效降低了氧空位浓度,同时通过冻结高温Fe Bi₅Ti₃O₁₅中间相调节畴构型,最终将d₃₃提升至151 p C/N,比常规空气烧结样品的压电性提高了21%,为克服含Bi Fe O₃压电陶瓷的高漏电流问题,实现其实际应用提供了有价值的参考。将淬火陶瓷样品装配成悬臂梁式压电能量收集器,在300℃、1g加速度下,开路电压为1.58 V,最大输出功率为0.073μW,可实现100 s内对10μF、16 V的商业电解电容器充电0.23 V。更为重要的是,样品在450℃时仍有电信号输出,直接显示了其在高温极端环境中的潜在应用。进一步,为获得兼具高压电性和优异温度稳定性的高温压电陶瓷,基于相界设计理念,构建了x Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-y Bi Sc O₃-z Pb Ti O₃新型三元体系,旨在通过三元体系中具有的多个MPB组成,实现高温压电陶瓷的最佳综合性能。体系MPB组成x=0.03,y=0.35,z=0.62样品具有最高的压电性能,d₃₃值为492 p C/N,T_c为413°C;该样品制备的悬臂梁式压电能量收集器在350℃的高温下,开路电压为9.44 V,能量密度为0.21μW/mm³;将其对一个10μF、16 V的商业电解电容器充电,60 s的充电量可达3.66 V,此电量完全可以满足常规低功耗微传感器工作,充分显示了其优异的高温发电能力。MPB组成x=0.04,y=0.345,z=0.615样品,则具有最佳的综合高温压电性能:200°C时d₃₃值高达478 p C/N,以此为基准,在50～350°C的超宽温度范围内d₃₃值的波动小于±10%;结合多种原位技术表征与压电理论分析,揭示了复杂MPB组分中特征分级电畴结构有助于同时获得高压电性和高温度稳定性;其压电能量收集器也具有优异的温度稳定性,可实现25～350°C宽温稳定的充电任务,具有作为高温压电能量收集器的应用潜力。最后,为进一步提高材料的高温压电性能,从晶体结构调制角度入手,引入具有高四方度的Bi(Zn_0.5Hf_0.5)O₃作为第三组元,构建了z Bi Sc O₃-x Pb Ti O₃-y Bi(Zn_0.5Hf_0.5)O₃压电陶瓷材料体系。旨在通过增加晶体结构畸变来维持晶体结构在高温下的非对称性,从而获得高温下具有高压电性的设计目的。结果证明,MPB组成x=0.635,y=0.01,z=0.355样品在400°C高温下,晶体结构仍有较大畸变度并有大量电畴存在,其原位d₃₃值为726 p C/N,比基体0.36Bi Sc O₃-0.64Pb Ti O₃在该温度下的d₃₃值（405 p C/N）高出321 p C/N。甚至到500℃高温时,样品仍具有503 p C/N的压电性能。相应地,以其制备的压电能量收集器在400℃高温下仍具有标准、稳定的正弦波输出电信号,开路电压高达3.16 V。在外加负载电阻测试中,400℃高温下能量密度可达0.031μW/mm³;将其对一个10μF、16 V的商业电解电容器充电40 s,电容器两端电压为0.9 V,充分展现了其在高温自供电领域的巨大潜能。本工作从材料设计角度出发,借助多种原位测试技术,表征材料高温电学性能和微观结构,深入系统地解析了材料电学性能与晶体结构、相组成、电畴结构等微观组织的内在关联机制,对高性能高温压电陶瓷的构建具有一定的指导作用。以此为基础,在实验室条件下对压电陶瓷的高温能量收集性能进行了系统评价,实现了材料与器件应用相结合的研究目标,对于高温压电能量收集技术的发展提供了坚实的理论和应用基础。