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作为最丰富的绿色能源之一,人体动能因压电能量收集器(压电纳米发电机,PENG)和可穿戴电子产品的蓬勃发展而备受青睐。多年来,锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷一直主导压电电子设备的应用市场,但其高铅含量对人体和环境均造成严重危害。鉴于锆钛酸钡钙(BCZT)的绿色无铅性和与PZT媲美的高压电性,开发环境友好型柔性BCZT压电陶瓷用于人体动能收集,对清洁能源的有效利用和可穿戴电子设备的实际应用具有重要意义。本论文针对PZT压电陶瓷的高铅毒性和传统BCZT无铅压电陶瓷无法用于柔性电子器件等问题,提出了 AB位离子共调控思路,平衡了 BCZT基无铅压电陶瓷的烧结、相变和电学特性,实现了其陶瓷纤维及薄膜对人体动能的收集,建立了硬性陶瓷与柔性电子设备的应用桥梁。且开发了柔性BCZT基压电-摩擦电复合器件,改善了输出特性和对人体微小动作的灵敏度,展示了其在可穿戴电子设备领域的良好应用前景。本论文取得创新性成果如下:(1)采用Cu2+和Y3+共同调控BCZT结构的AB位,考察了 Cu/Y掺杂对BCZT体系烧结、相变以及电学性能的影响规律。探明了体系烧结和相变特性的改善分别归因于氧空位生成加速传质过程和Cu/Y掺杂的容差效应。而Y的施主掺杂效应、加剧的畴壁运动和颗粒间电荷传递则是BCZT-Cu/Y压电陶瓷综合电学性能显著提升的主要原因。进而实现了 BCZT基无铅压电陶瓷体系在烧结、相变以及电学特性三方面的共同改善与平衡,明晰了 Cu/Y在BCZT固相结构形成过程中的作用机理。(2)为建立硬性陶瓷与柔性电子设备间的应用桥梁,开发了以BCZT-CuY陶瓷粉末为主体的柔性压电复合薄膜,探究了还原氧化石墨烯(rGO)添加对BCZT-CuY颗粒分散性、复合薄膜机械性和电学性能的促进效应。证实了 rGO与聚二甲基硅氧烷(PDMS)间的共价键作用既可弥补BCZT-CuY造成的机械损失,又可作为分散和导电介质实现陶瓷颗粒在PDMS中的均匀分布,从而促进复合薄膜综合电学性能的提升。以手指轻敲形式向BCZT-CuY/rGO PENG输入微小人体动能可得到良好输出响应,展示了其在柔性电子器件领域的应用前景。(3)为解决上述薄膜中陶瓷烧结温度过高和含量过低问题,采用静电纺丝技术合成了定向排列的BCZTY压电陶瓷纤维,研究了纤维排列方式和Y掺杂对其物理和电学性质的调控机制。分析得到BCZTYNFs低温烧结活性和高居里温度的内在本质分别归因于烧结中间氧化产物的低反应势垒和纳米纤维的非连续物理特性,阐明了 Y施主掺杂效应和电场沿有序纤维排列方向传递促进BCZTY NFs/PDMS复合薄膜综合电学性能的提升机制。相比BCZT-CuY/rGO PENG,BCZTY-NF PENG对手指轻敲驱动人体动能的收集更为有效。(4)为提高上述陶瓷纤维的柔韧性和输出特性,结合高柔性聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯(PVDF-HFP)和高压电性BCZT合成了电纺BCZT/PVDF-HFP复合陶瓷纤维,考察了不同制备方法所得纤维形貌与电学性能之间的构效关系。对比了不同BCZT颗粒在纤维薄膜上的分布状态,得到溶胶凝胶法制备的BCZT纳米颗粒可均匀分散在PVDF-HFP NFs表面(BP-SGNFs),从而显著提高了其复合能量收集器(PTNG)的压电和摩擦电性能。基于BP-SGNFs的粗糙表面和内部间距,无间隙BP-SG PTNG在单双电极模式下均对手部动作表现高灵敏度。(5)为进一步优化BCZT-based PTNG的构造和输出特性,分别以BCZT-CuY/rGO/PDMS和氧化石墨烯(GO)悬浮液作为压电-摩擦电材料和液体电极以合成无间隙GOLS-PTNG,探讨了 GO在液体和电输出中扮演的角色。结果表明BCZT-CuY的添加可有效增加PDMS表面粗糙度,同时提高压电和摩擦电效应;GO的添加则可促进液体内部电荷网络形成,有利于电荷传递和改善输出。所得纯GO LS-TENG的最优功率密度高达4.97 W/m2。考察了器件对人体依托皮肤、衣服和金属等驱动动能的收集能力,揭示了其用于可穿戴电子设备的巨大潜能。