《Carbon》：碳氮共渗高熵合金及其电磁波吸收性能

随着电磁技术的飞速发展，电磁对抗与反对抗成为军事领域的显著特征。当前空中对抗主要以导弹攻击为主，有许多导弹用红外制导，对飞机威胁很大，而发动机是最强的红外辐射源。因此，降低发动机的红外电磁波辐射量可以有效降低被发现的概率，实现隐身效果。通过在发动机部件上进行镀膜，或喷涂低发射率的涂层来降低部件的红外电磁波发射率，可以实现红外电磁隐身。红外隐身是一项综合技术，需要全面平衡考虑，综合性能优异的红外隐身材料既可以实现隐身目标，又可以提升飞机服役周期。在此背景下，高熵合金（HEAs）在红外电磁波吸收（EMA）应用中展现出了巨大的潜力。当HEAs作为电磁波吸收材料时，由于独特的多主元体系，其在强吸收、宽带宽、薄厚度、轻重量等关键电磁波吸收指标上取得了很大进步。但是当暴露在高温、高湿、腐蚀性环境乃至更复杂的军事应用环境时，HEAs可能无法长时间稳定工作。因此，如何在复杂的应用环境下具有多功能理化性质是高熵合金吸波材料面临的巨大挑战，研究和开发综合性能优异的实用型HEAs电磁波吸收材料具有重要意义。

在本项工作中，研究人员利用机械化学方法成功制备了碳氮共渗FeCoNiCu HEAs，通过优化阻抗匹配提高了合金的EMA性能、机械硬度和耐腐蚀性。相关成果在线发表在碳《Carbon》，通讯作者为宁波大学姜林文和广东省科学院新材料研究所张小锋。

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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119406

该研究以机械化学法制备了碳氮共渗的FeCoNiCu HEAs，深入探究了碳氮共渗FeCoNiCu HEAs的多功能理化性质以及EMA性能的变化。研究表明，以三聚氰胺为原料通过机械化学法实现HEAs碳氮共渗是一种高效、绿色且便捷的工艺。如图1所示，各样品中C和N原子的实际含量变化均符合预期理论值；图2显示碳氮共渗FeCoNiCu HEAs呈薄片状，长、宽均为微米级，过量引入C和N元素导致HEAs由片状向不规则形状转变，并且粒径逐渐减小。纯FeCoNiCu HEAs (S000)的粒径在50 μm以下，粒径分布在10 ~ 30 μm之间。随着碳氮化程度的增加，S010的颗粒尺寸小于12 μm；图3(a)的磁滞回线表明，所有的碳氮共渗FeCoNiCu HEAs都具有软磁性能。从图3(b)可以看出初始碳氮共渗过程对矫顽力(Hc)的影响很小，Hc仅为15 Oe左右。随着碳氮化水平的增加，S010的Hc显著增加至196.7 Oe；经过碳氮共渗处理后，HEAs的介电常数显著降低，这有利于调节其阻抗匹配性能，如图4所示；从图5得出，碳氮共渗处理使材料的磁耗散能力减弱，在2-18 GHz频率范围内，磁损耗主要由自然共振和涡流损耗共同引起；从图6和图7可以看出，引入C和N原子造成的晶格畸变降低了合金的介电常数，从而优化了阻抗匹配，增强了碳氮共渗FeCoNiCu HEAs对电磁波的吸收能力和反射损耗能力，从而提高了EMA性能。上述工作不仅证明了碳氮共渗高熵合金在电磁波吸收领域内的应用潜力，而且为优化高熵合金的电磁阻抗匹配提供了新的思路。

图1 每个样品中(a) C和(b) N含量的理论值和实际值

图2 样品的SEM、粒度分布和元素分布图

图3 (a)磁滞回线和磁滞回线的放大区域，(b)所有样品的Ms和Hc。(c)纳米压痕载荷与纳米压痕深度的

关系，(d)所有样品(S000、S003、S006、S008和S010)的纳米压痕硬度和杨氏模量

图4 (a)复介电常数实部 (b)复介电常数虚部 (c)介电损耗正切(tanδε = εʺ/εʹ) (d) εʺ-f−1图

图5 (a)复磁导率的实部 (b)复磁导率的虚部 (c)磁损耗正切(tanδμ = μʺ/μʹ) (d)C0(e)衰减常数(α)曲线

图6 阻抗匹配图 (a) S000 (b) S003 (c) S006 (d) S008 (e) S010

图7 (a - e)不同厚度下碳氮共渗的FeCoNiCu HEAs的三维RL图和二维有效吸收范围随频率的变化

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。