Small:核@壳型高熵合金@石墨纳米胶囊微波吸收材料

电磁波通讯技术的快速发展,为信息高效传输提供了极大便利。但与之伴行的电磁干扰与污染问题恶化了电子器件的工作环境,成为其进一步发展的主要制约。于此,研究人员通过在微波吸收材料中复合介电损耗与铁磁损耗性能,已经可以实现GHz频段电磁波能量的有效吸收。但是,针对复合材料组分与微结构在纳米尺度上的精确控制仍然存在挑战,其也阻碍了对微波吸收性能物理起源的理解。

自2006年开始,张雪峰等国际上率先报道核@壳型软磁材料@碳复合电磁波吸收材料,可以有效协调介电损耗与铁磁损耗之间的匹配特性。在近期研究中,研究人员主要借助介电材料中构建的异质结构实现电偶极子极化特性实现强化介电损耗特性,同时揭示异质结构与微波吸收特性间的内在关联。但是,针对界面匹配与极化性能的优化,由于磁性材料的表面状态难以调控而依然存在阻碍。

最近,东北大学/杭州电子科技大学张雪峰教授团队采用自主设计的直流电弧等离子体放电设备,首次合成了具有核@壳包覆结构的高熵合金@石墨纳米胶囊材料(HEA@C),通过高熵合金的高熵效应实现了界面匹配与极化性能的调控。上述制备方法主要受到课题组近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 27113的纳米高熵合金颗粒所启发,在反应气氛中原位分解甲烷气氛,一步法直接获得碳包覆高熵合金颗粒。其研究结果表明,材料的微波吸收性能与内核高熵合金材料的成分具有显著关联。伴随材料内部高熵合金元素的变化,纳米胶囊的有效吸收带宽(EAB(≤-10 dB))和阻抗匹配特性伴随其电阻率的升高出现明显提升。其中,在FeCoNiTiMn@C纳米胶囊中,材料的有效吸收带宽达到了5.45 GHz(12.55-18.00 GHz),同时其吸收体厚度为1.9 mm,展现出了良好的微波吸收性能。

图1 直流电弧等离子体发制备示意图与HEA@C纳米颗粒TEM-EDS图像

图2 HEA@C纳米胶囊材料TEM图像及其XRD、Raman表征

HEA@C纳米胶囊材料通过直流电弧等离子放电设备进行制备。在制备过程中,金属原料与甲烷气体在电弧处分解,产生金属和碳蒸气,上述混合气体由于设备内的高温度梯度向冷却壁移动并在冷却壁上发生非平衡冷却,形成粒径尺寸在25 nm左右的核@壳纳米胶囊材料。通过XRD表征发现,材料内部高熵合金主要为FCC结构。Raman光谱测试则显示材料具有较为接近的石墨壳层结构。

图3 不同HEA@C纳米胶囊材料有效吸收带宽、匹配比率、电阻率统计

微波吸收性能揭示,当材料中加入Mn、Cu元素时,材料的吸收性能提升、吸收带宽展宽,同时频率向高频段移动;当材料中加入Cr元素时,吸收性能变差同时向低频方向移动,展现出吸收性能与复合元素间的关联特性。此外,材料的阻抗匹配特性也出现了相同的变化规律,其中含有Cr元素的材料匹配比率不足15%,而在FeCoNiMnCu@C和FeCoNiTiMn@C中上述比率为40.9%和57.1%,出现了显著提升。结合电阻率结果发现,当Mn、Cu元素加入时,内部高熵合金核的电阻率显著提升,上述提升将导致电磁波在材料界面上的传播速度减缓,诱发界面处的电荷集聚并由此产生极化行为,其将衰减入射电磁波能量并由此提升材料的微波吸收性能。

该研究为理解界面极化在微波吸收过程中的作用与贡献提供了思路,也为原位置制备高熵合金@石墨复合材料提供了可行路径。相关工作登上Small封面。东北大学材料学院青年教师李逸兴博士和博士生廖怡君为共同第一作者,东北大学/杭州电子科技大学张雪峰教授为论文通讯作者。

论文信息:

Quinary High-Entropy-Alloy@Graphite Nanocapsules with Tunable Interfacial Impedance Matching for Optimizing Microwave Absorption

Yixing Li, Yijun Liao, Lianze Ji, Chenglong Hu, Zhenhua Zhang, Rongzhi Zhao, Huawei Rong, Gaowu Qin, Xuefeng Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202107265

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107265