一、研究背景

高頻電磁技術的廣泛應用推動了高效電磁波吸收材料的研究與實現(xiàn)。復雜的電磁環(huán)境需要吸收能力強、厚度薄、重量輕、吸收帶寬的高效EMW吸收材料。傳統(tǒng)的金屬基吸收劑雖然在一定程度上表現(xiàn)出高的磁損耗和較強的吸收能力，但高密度和低穩(wěn)定性的缺點嚴重阻礙了其進一步發(fā)展。

高熵材料（HEMs）是一類表現(xiàn)出高度成分復雜性的材料，其典型特征是存在接近等摩爾濃度的多個主元素。高熵吸收材料由于具有高構型熵、晶格畸變、延遲擴散和雞尾酒效應等特性，在EMW吸收界受到了廣泛的關注。如Zhao等人通過靜電紡絲和熱處理制備了高熵TiO3氧化物。TiO3具有較寬的吸收帶寬，幾乎是單相BaTiO3的兩倍。EMW吸收性能的提高是由于多種陽離子摻入引起的晶格畸變和氧空位。同樣，Sun等人也采用機械合金化的方法合成了高熵合金FeCoNiMn0.5Al0.2。合金化工藝提高了HEA的磁損耗能力，有效地優(yōu)化了阻抗匹配。HEA吸收體的最佳吸收峰為- 44 dB，吸收帶寬為3.8 GHz。雖然目前的HE吸收劑已經(jīng)顯示出很好的EMW吸收性能，但幾個關鍵的挑戰(zhàn)阻礙了它們的實際應用。這些挑戰(zhàn)包括低吸收效率、高密度、高填充負荷和阻抗匹配差。解決這些問題對于提高hem在EMW吸收應用中的實際適用性至關重要。

金屬和碳組件的集成帶來了良好的物理、光學和電學性能，可以增強EMW的吸收性能。因此，在碳基體中加入分散良好的HEA磁性納米顆?？梢栽诓粻奚諒姸鹊那闆r下拓寬吸收帶寬，降低整體密度。由靜電紡聚合物纖維制成的納米碳纖維（CNF）作為碳材料家族中的明星，具有多孔結構、高比表面積、高導電性和低制造成本等特點，引起了人們對EMW吸收研究的極大興趣。電紡絲聚合物纖維是促進金屬離子前驅(qū)體均勻分散的優(yōu)良結構襯底，實現(xiàn)納米顆粒在CNF基體中的均勻分布。除了匹配組成成分外，合理設計合適的多孔結構CNF是誘導界面極化和產(chǎn)生有效散射EMW的多界面和多空隙的有效策略。這種方法可以開發(fā)出填充負荷低、厚度薄的高效吸波材料。

然而，納米HEA組成元素之間的熱力學差異可能導致在緩慢高溫處理過程中相分離，這對制備單相HEA提出了重大挑戰(zhàn)。因此，精細控制HEA納米顆粒的合成并確保其在多孔CNF中的均勻分散已成為人們關注的焦點。閃光焦耳加熱方法已成為合成HEA解決這一問題的一種有前途的策略。該方法通過在導體兩端施加大電流產(chǎn)生巨大的焦耳加熱，使加工時間縮短至秒量級，可以有效地控制燒結HEA的成分和微觀結構。此外，超高速熱沖擊的應用誘導了組成元素的均勻混合。該工藝有可能優(yōu)化HEA的內(nèi)部電子結構，從而提高其EMW吸收性能。然而，據(jù)我們所知，通過焦耳加熱制備用于EWM吸收的多孔CNF/HEA復合材料仍未被探索。

本研究利用靜電紡絲-焦耳加熱設備制備了蜂窩狀多孔碳納米纖維(HCNF)/HEA復合材料。首先，將聚乙烯醇(PVA)-M-聚四氟乙烯（PTFE）納米顆粒（M代表硝酸金屬）的溶膠靜電紡絲成纖維膜。隨后，通過超快焦耳加熱處理，將預氧化的PVA碳化成一維CNF和分解的PTFE納米顆粒，在納米纖維中形成蜂窩狀多孔結構。同時，金屬前驅(qū)體被碳還原成HEA納米顆粒并摻入HCNF中。通過協(xié)調(diào)金屬前驅(qū)體的類型，獲得了從低熵合金（LEA）到HEA的一系列樣品。結果表明，隨著熵的增加，復合材料的介電性能逐漸增強。蜂窩全開孔結構與HEA的協(xié)同作用提高了材料的EMW吸收性能。結果表明，在2 wt %的超低填充條件下，HCNF/HEA的最佳反射損耗（RL）為- 65.8 dB，有效吸收帶寬（EAB）為7.68 GHz。如此低的填充負荷創(chuàng)造了cnf基和HEA基吸收劑的記錄，表明HCNF/HEA作為輕質(zhì)EMW吸收劑具有強大的潛力。

二、摘要

高熵合金（HEA）因其多種成分之間的高效協(xié)同作用和可調(diào)電子結構而在電磁波（EMW）吸收領域備受關注。然而，高密度和有限的化學穩(wěn)定性阻礙了它們作為輕質(zhì)吸收體的發(fā)展。將 HEA 與碳結合在一起是一種很有前景的解決方案，但由于在傳統(tǒng)熱處理過程中容易發(fā)生相分離，因此合成穩(wěn)定的 HEA/ 碳復合材料面臨著挑戰(zhàn)。此外，由于高熵效應，HEA 中的電磁波吸收機制可能不同于已有的經(jīng)驗模型。這凸顯了合成穩(wěn)定、輕質(zhì)的 HEA/carbon 吸收體并揭示其內(nèi)在吸收機制的迫切需要。在此，我們利用靜電紡絲和焦耳加熱設備，成功地將二元鐵鎳銅錳 HEA 集成到蜂窩狀多孔碳納米纖維 (HCNF) 中。利用固有的晶格畸變效應和蜂窩結構，HCNF/HEA 復合材料在超低填充量（2 wt %）條件下表現(xiàn)出出色的電磁波吸收特性。它實現(xiàn)了 -65.8 dB 的最小反射損耗，并擁有高達 7.68 GHz 的最大吸收帶寬。這項研究不僅展示了將 HCNF 與 HEA 結合在一起的有效性，還強調(diào)了焦耳加熱合成法在開發(fā)基于 HEA 的輕質(zhì)吸收體方面的潛力。

三、結論

本研究調(diào)查了多孔碳纖維上的鐵鈷鎳銅錳氫氧化鈷納米顆粒在吸收電磁波方面的潛力。研究表明，結合靜電紡絲和焦耳加熱技術可成功制備出所需的 HCNF/HEA 復合材料。HCNF/HEA 復合材料具有優(yōu)秀電磁波吸收體的基本特征，包括高孔隙率、導電性和導熱性，以及較強的電磁能轉換能力。HCNF/HEA 的 RLmin 在 10.9 GHz 時高達 -65.8 dB，最佳 EAB 為 7.68 GHz。最令人興奮的是，吸波材料的填充量僅為 2 wt %，創(chuàng)下了 HEA 吸波材料的最高紀錄。HCNF/HEA 復合材料的優(yōu)異性能歸功于其蜂窩狀多孔結構和合金的高熵效應。這些效應增強了極化和傳導損耗、阻抗匹配和電磁波衰減性能。總之，這項研究為了解 HEA 在電磁波吸收方面的潛力提供了寶貴的見解，并為利用焦耳加熱技術開發(fā)基于 HEA 的先進電磁波吸收器提供了令人興奮的途徑。

圖1.蜂窩狀多孔碳納米纖維圖

圖2.靜電紡絲和焦耳加熱法制備HCNF/HEA復合材料。(a) HCNF/HEA復合材料的合成過程。(b)紡絲膠片的數(shù)字圖像。(c)焦耳加熱合成過程前和過程中HCNF/HEA復合材料的數(shù)字圖像。(d)焦耳加熱過程的溫度分布圖。

圖3. HCNF/HEA復合材料的形態(tài)和結構表征。合成的HCNF/HEA復合材料具有代表性的（a, b） SEM和（c, d） TEM圖像。(e) HCNF/HEA復合物的HR-TEM圖像。(f)原子分辨HAADF-STEM圖像與HEA的快速傅里葉變換模式（插圖）。(g) HEA納米粒子的原子分辨元素映射圖像。