南开大学提出通过晶格畸变工程有效协同增强高熵合金电磁波吸收和耐腐蚀性能
2024-06-18 17:16:25
作者：腐蚀与防护 来源：腐蚀与防护
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无线电磁波通信技术和电子设备为我们的日常生活和军事行动带来了极大的便利，然而这些也造成了电磁辐射和电磁干扰等严重的环境问题，对人类健康和信息安全构成威胁。开发将电磁波转化为热能或其他能量的高效电磁波吸收材料是解决这些问题的最有效的手段之一。
高熵合金因其具有多元化的组分、可设计的晶体结构和优异的耐腐蚀性，被认为是一种很有前景的电磁波吸收材料。然而，由于高电导率和高介电性导致的阻抗失配严重阻碍了电磁波进入材料内部。同时，对于高熵合金的晶体结构与电磁性质之间的关系尚不明确。因此，深入研究微纳结构与电磁波吸收性能之间的关系有望改善上述问题。
南开大学黄毅教授团队多年致力于电磁隐身及电磁防护、多频谱兼容吸波材料设计及优化、微尺度结构与电磁性质调控等方面的研究，并取得了较好的进展。近期又进一步提出通过晶格畸变工程有效提升磁性高熵合金的电磁波吸收性能和耐腐蚀性能，相关研究成果已发表在Advanced Functional Materials期刊上。
研究人员通过高能球磨和退火热处理制备得到了不同碳含量的高熵合金FeCoNiCuCx。研究发现，引入碳元素和热处理可以在不同程度上加剧高熵合金内部的晶格畸变效应。晶格扭曲变形不仅破坏了载流子的迁移路径，同时促进了点缺陷和位错等晶格缺陷的形成，因而有效改善了电磁波在材料阻抗匹配特性。此外，电子在运动过程中在容易在缺陷处被诱导捕获，并与带正电的金属构成偶极子，进一步提高了高熵合金极化损耗机制，产生强电磁波损耗。优化后的高熵合金FeCoNiCuC0.37展现出优异的电磁波吸收性能，最小反射损耗可以达到-65.4 dB（2.18 mm），最大有效吸收带宽为7.99 GHz（1.98 mm），优于绝大多数报道的磁性金属基电磁波吸收剂。同时，引入非金属元素碳对高熵合金的耐腐蚀性能有所裨益。
总结来说，该工作利用晶格畸变效应优化了高熵合金的阻抗匹配，并且丰富了其电磁波损耗形式，阐明了微观晶体结构变化对高熵合金电磁性质的影响，发掘了高熵合金作为电磁波吸收材料的潜在价值。
图1 C000、C012、C037、C050的a)制造工艺示意图、b)拉曼光谱、c)粒径大小和含碳量以及d-g)SEM图像
图2 FeCoNiCuCx的结构表征及EMA性能：a) C000、C012、C037、C050的功率XRD谱图；b) XRD图中各衍射峰的局部放大；c) (111) C000、C012、C037、C050的平面间距和晶格常数；d) C000的TEM图像；e) C037的TEM图像；f) C000的HRTEM图像；g) f)中白立方区域的点阵放大图像；h) C037的HRTEM图像；i) h)中白色立方区域的放大点阵图像；j) h)中黄色立方区域的局部点阵畸变；k, l) C037中的晶格缺陷；m-o) C000、C037和C050不同厚度下RL值随频率的三维图；p) C000、C012、C037、C050和石墨烯的EAB和相应厚度概述
图3 FeCoNiCuCx退火后的结构表征及EMA性能：a) C037、C037- T200、C037- T450的功率XRD谱图；b) C037-T200的SAED；c) C037-T450的SAED；d) C037-T200的HRTEM图像；e-g) d)中黄色立方区域的严重晶格畸变；h) C037-T450 HRTEM图像；i, j) h)中黄色立方区域的连续大范围晶格畸变；k) C037、C037- T200、C037- T450的EAB总结及相应厚度；l, m) C037-T200和C037-T450不同厚度下RL值随频率的3D图
图4 FeCoNiCuCx的电磁参数：a-d) C000、C037、C037- T200、C037- T450的彩色填充轮廓阻抗匹配图；e-h) C000、C037、C037- T200和C037- T450的Cole-Cole半圆；i) C000、C012、C037、C050的电导率；j) C037、C037- T200、C037- T450的电导率；k, l) C037薄片边缘离轴电子全息图像及相应的杂散磁场分布
图5 a)通过诱导晶格畸变改善阻抗匹配和EM损耗机制实现对FeCoNiCuCx吸收性能的调节原理图；b, c)本研究与其他HEA基EMA材料的RLmin和EAB对比总结
图6 a-c) CIP片、C000片和C037-T200片在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡14天后的照片；d, e) 晶格畸变对C000和C037-T200耐蚀性的影响；f, g) 电化学试验第1天和第14天CIP/环氧涂层钢、C000/环氧涂层钢和C037-T200/环氧涂层钢的Nyquist图；h) 用于模拟涂层钢EIS数据的等效电路；i, j) 在3.5 wt.% NaCl溶液中记录CIP/环氧涂层钢、C000/环氧涂层钢和C037-T200/环氧涂层钢的Tafel图
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