通讯作者龙东辉、Su Zhe通讯单位华东化工大学DOIhttps://doi.org/10.1039/D6TA02826H核心导读高熵合金HEA因多元素协同效应在微波吸收领域备受关注但单纯HEA密度高、阻抗失配问题突出难以同时实现高衰减与薄厚度。本研究提出预发泡碳热冲击两步策略合成MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片MnFeCoNiCu/CSs复合材料通过精准调控碳含量实现介电-磁双损耗互补优化阻抗匹配使最优样品MnFeCoNiCu/CS-1在仅1.86 mm厚度下达到RLmin -54.4 dB99.999%微波吸收RCS降幅高达31.96 dB m²为新一代轻薄高效电磁吸波材料提供了可扩展的制备策略。一、背景与问题随着5G通信、智能雷达与电子设备的快速普及电磁波EMW干扰与电磁污染问题日益严峻对轻薄、宽频、高效吸波材料的需求迫切。高熵合金HEA以其高熵效应、晶格畸变、缓慢扩散与鸡尾酒协同效应而兼具优异的介电和磁损耗能力是极具潜力的吸波候选材料然而纯HEA体系存在两大核心瓶颈一是磁损耗与介电损耗严重失衡导致阻抗失配微波在材料表面大量反射而无法进入吸收体二是金属密度大、制备工艺复杂机械合金化、溶热法等难以实现可控形貌和均匀合金-碳界面。将高熵纳米合金与碳材料复合是优化阻抗匹配、降低密度的有效途径但如何在简便可扩展工艺下实现成分可调、形貌可控的HEA/碳复合材料仍是领域内的关键挑战。二、论文概要本研究以葡萄糖酸盐基MnFeCoNiCu高熵固溶体为前驱体、葡萄糖为自发泡碳源发展了预发泡400℃碳热冲击1000℃两步合成策略制备出具有典型二维层状形貌的MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片复合材料MnFeCoNiCu/CSs。通过系统调控葡萄糖添加量碳含量可从34.4%精准调节至88.1%同步实现阻抗匹配的优化。第一性原理计算揭示了MnFeCoNiCu合金的本征铁磁性与高熵特征诱导磁矩共振和电偶极极化的双重衰减机制丰富的合金-碳异质界面增强界面极化二维导电骨架提供导电损耗通路。最优样品MnFeCoNiCu/CS-1在1.86 mm厚度下实现RLmin -54.4 dB13.64 GHz有效吸波带宽EAB达4.42 GHzRCS降幅31.96 dB m²综合性能居同类报道前列。三、图文解读图1MnFeCoNiCu/CSs合成路线示意图MnFeCoNiCu/CSs两步合成流程示意图葡萄糖酸盐固溶体→预发泡400℃→碳热冲击1000℃→二维层状复合材料图1系统呈现了MnFeCoNiCu/CSs的合成逻辑以Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种葡萄糖酸盐等摩尔溶解形成均匀固溶体前驱体加入不同比例葡萄糖后冷冻干燥随后在N₂气氛中经400℃预发泡处理使有机框架充分热解自发泡形成多孔二维碳片骨架同时释放挥发性产物以避免后续碳热冲击阶段的爆炸性气体逸出再迅速转入1000℃管式炉碳热冲击3分钟五种金属离子被碳骨架原位还原共晶形成均匀分散于碳纳米片中的MnFeCoNiCu高熵纳米合金颗粒。这一策略将形貌控制、成分调节与界面构建统一于单一合成路线显著简化了传统HEA/碳复合材料的制备流程。图2形貌与微观结构表征(a) SEM形貌(b) TEM(c-d) 低/高倍EDS元素面分布(e-g) HRTEM晶格条纹(h-j) 缺陷与晶格畸变(k-m) 洋葱状石墨化碳结构图2从多尺度验证了MnFeCoNiCu/CS-1的结构优越性。SEM图2a与TEM图2b清晰呈现典型二维片状形貌纳米合金颗粒粒径100 nm均匀嵌入碳骨架低倍与高倍EDS面分布图2c/d表明Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种元素无偏析、均匀分布各元素原子比接近20%确认了等摩尔高熵合金的形成。HRTEM图2e–g显示平均晶格间距约0.211 nm对应FCC111晶面图2h–j中的不连续晶格条纹与点缺陷是高熵效应诱导晶格畸变的直接证据可促进偶极极化在MnFeCoNiCu/CS-2中还可见晶格间距0.348–0.353 nm的洋葱状石墨化碳包裹合金纳米晶图2k–m揭示碳含量的增加有助于提升石墨化程度进而增强导电损耗。图3物相结构与磁学性质综合表征(a) XRD图谱(b) TGA热重曲线(c) Raman光谱(d) C 1s XPS高分辨谱(e) 磁滞回线(f) 低场放大磁滞回线图3全面揭示了各样品的物相纯度、碳含量与磁学特征。XRD图3a显示所有样品在43.3°/50.4°/74.1°呈现单相FCC结构的三强峰无杂相CS-1与CS-2额外出现26.4°的石墨化碳002衍射峰TGA图3b定量测定碳含量依次为34.4%、69.4%、76.7%、88.1%为阻抗匹配调控提供了定量基础。Raman光谱图3c中D/G峰强度比ID/IG从0.92升至1.24表明随碳含量增加缺陷密度提升石墨化程度改善XPS C 1s谱图3d中CC峰随葡萄糖添加量增大而增强进一步印证石墨化进程。VSM测试图3e/f揭示所有样品均为软磁材料饱和磁化强度Ms随碳含量升高从41.5依次降至7.8 emu/g而矫顽力Hc先升后降最高52.7 Oe反映了碳骨架限域与磁耦合之间的竞争机制。图4电磁波吸收性能与文献对比(a-d) MnFeCoNiCu/C、CS-0.5、CS-1、CS-2的三维反射损耗图(e) RL-厚度文献对比图(f) RL-EAB文献对比图图4直观展示了碳含量调控对吸波性能的决定性影响。MnFeCoNiCu/C图4a在厚度高达5 mm时RLmin仅-37.3 dB性能较差CS-0.5图4b获得最低RLmin -58.1 dB但匹配厚度较大3.29 mm最优样品MnFeCoNiCu/CS-1图4c在1.86 mm超薄厚度下实现RLmin -54.4 dB13.64 GHz99.999%吸收率EAB达4.42 GHzCS-2图4d因介电损耗过高导致阻抗失配性能反而下降至-17.8 dB。文献综合比较图4e/f表明MnFeCoNiCu/CS-1在薄匹配厚度、低RLmin与宽EAB三项指标上均优于大量已报道的吸波材料凸显其综合性能优势。图5磁损耗机制与第一性原理计算(a-b) 复磁导率实部/虚部(c) 磁损耗正切角(d) C₀涡流损耗系数(e-f) DFT自旋磁化密度等值面(g) 各元素自旋磁矩(h-i) 磁耦合与磁矩共振示意图图5系统解析了MnFeCoNiCu/CSs的磁损耗来源。复磁导率曲线图5a/b随频率呈下降趋势并伴有多个共振峰磁损耗正切角图5c各样品相近表明磁损耗能力相当。C₀参数分析图5d表明低频2–12 GHz磁损耗以自然共振为主高频12–16 GHz则为涡流效应与交换共振的叠加。第一性原理DFT计算图5e–g揭示Mn、Fe、Co、Ni原子均呈显著自旋磁化磁矩大小依次为MnFeCoNi绝大多数原子贡献自旋向上铁磁部分Mn和Fe原子局部反铁磁耦合但整体仍强铁磁性邻近纳米合金颗粒间形成磁耦合网络图5h交变电磁场诱导各原子磁矩发生共振弛豫图5i高效耗散电磁能量从本征机制上阐明了MnFeCoNiCu合金作为优良磁损耗单元的微观根源。图6介电损耗机制与三维形态重构(a-b) 复介电常数实部/虚部(c) 介电损耗正切角(d) EIS Nyquist图(e) 界面电荷密度分布(f) 平面平均静电势(g-j) MnFeCoNiCu/C与CS-1的Micro-CT三维重构相图图6从介电本征机制到宏观形态全面阐释了介电损耗的多重来源。复介电常数图6a/b随葡萄糖添加量增大而升高CS-2的介电损耗正切角图6c最高但过大会导致阻抗失配EIS Nyquist图图6d显示Rct随碳含量增加从32.3 Ω降至27.2 Ω表明石墨化程度提升增强了导电通路。DFT计算图6e揭示MnFeCoNiCu-碳异质界面处电荷分布高度不均匀碳层侧呈负电势、合金侧呈正电势图6f大量电荷在界面积累形成强烈的界面极化效应。Micro-CT三维重构图6g–j从宏观尺度比较了MnFeCoNiCu/C块状无规则与CS-1二维片状在石蜡基体中的分布2D片状结构创造了更多宏观异质界面延长了电磁波多次反射与散射路径并在相同质量分数下更易形成三维互联导电网络使导电损耗、界面极化损耗与多重散射协同增强。图7衰减能力与阻抗匹配定量分析(a) 衰减常数α(b) 介电/磁损耗比值(c-f) 各样品Δ值二维图(g-j) 各样品Smith圆图图7将衰减能力与阻抗匹配两个核心指标并置揭示CS-1优异性能的内在平衡机制。衰减常数α图7a随碳含量升高依次增大CS-2最强说明更多碳提供更高损耗能力然而损耗比值图7b显示CS-1在三种片状样品中最接近1即介电损耗与磁损耗达到最优互补是实现良好阻抗匹配的先决条件。Δ值二维图图7c–f定量评估阻抗匹配质量MnFeCoNiCu/C的|Δ|0.4积分面积最小阻抗失配严重CS-0.5、CS-1与CS-2均具有更大积分面积阻抗匹配明显改善。Smith圆图图7g–j中CS-1的归一化输入阻抗轨迹最接近圆心进一步定性验证其阻抗匹配最优。综合来看高碳→高衰减但过度介电失配与低碳→好阻抗但衰减不足之间存在本质权衡CS-1恰好落在性能最优点。图8雷达截面RCS仿真验证(a-d) PEC分别涂覆MnFeCoNiCu/C、CS-0.5、CS-1、CS-2的三维RCS仿真图(e) 不同入射角下RCS曲线对比(f) 各样品RCS降幅比较图8通过CST软件在12.6 GHz、2 mm涂层厚度条件下模拟了各样品的实际雷达隐身效果。完全电导体PEC表面涂覆吸波材料后雷达后向散射信号强度显著降低其中MnFeCoNiCu/CS-1散射强度最弱图8c三维仿真图呈现出最暗的低散射区域。二维角度扫描图8e显示CS-1在-90°至90°全角度范围内RCS值均维持在-15 dB m²的极低水平远优于其他样品。RCS降幅定量比较图8f表明CS-1在0°正入射方向的RCS降幅高达31.96 dB m²显著优于MnFeCoNiCu/C20 dB m²从实际应用层面验证了CS-1在复杂电磁环境下的突出雷达隐身潜力。四、总结与展望本文以预发泡碳热冲击两步策略成功制备出MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片复合材料通过调控葡萄糖添加量精准平衡介电损耗与磁损耗实现了-54.4 dB超强吸波性能与1.86 mm超薄厚度的协同兼顾RCS降幅31.96 dB m²验证了其实际隐身潜力为高性能HEA/碳复合吸波材料的理性设计提供了通用策略。展望未来在材料设计层面引入更多功能性元素如稀土或非金属掺杂有望进一步拓宽有效吸收带宽并实现频段可编程调控在工程应用层面将UHTFP超高温闪速热解或其他快速烧结技术与本文合成路线结合有望大幅缩短制备周期、实现连续化生产此外结合仿生结构设计如蜂窝、梯度多层或柔性基底集成将推动高熵合金吸波材料向智能、可穿戴与多功能化方向迈进拓展其在新型隐身装备与电磁兼容防护中的工程价值。原文信息Xueyang Wang et al. Synergistic 2D Structure Design and High-Entropy Engineering in MnFeCoNiCu Nanoalloy/Carbon Nanosheet Composite.J. Mater. Chem. A, 2026. DOI: 10.1039/D6TA02826H
通讯作者龙东辉、Su Zhe通讯单位华东化工大学DOIhttps://doi.org/10.1039/D6TA02826H核心导读高熵合金HEA因多元素协同效应在微波吸收领域备受关注但单纯HEA密度高、阻抗失配问题突出难以同时实现高衰减与薄厚度。本研究提出预发泡碳热冲击两步策略合成MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片MnFeCoNiCu/CSs复合材料通过精准调控碳含量实现介电-磁双损耗互补优化阻抗匹配使最优样品MnFeCoNiCu/CS-1在仅1.86 mm厚度下达到RLmin -54.4 dB99.999%微波吸收RCS降幅高达31.96 dB m²为新一代轻薄高效电磁吸波材料提供了可扩展的制备策略。一、背景与问题随着5G通信、智能雷达与电子设备的快速普及电磁波EMW干扰与电磁污染问题日益严峻对轻薄、宽频、高效吸波材料的需求迫切。高熵合金HEA以其高熵效应、晶格畸变、缓慢扩散与鸡尾酒协同效应而兼具优异的介电和磁损耗能力是极具潜力的吸波候选材料然而纯HEA体系存在两大核心瓶颈一是磁损耗与介电损耗严重失衡导致阻抗失配微波在材料表面大量反射而无法进入吸收体二是金属密度大、制备工艺复杂机械合金化、溶热法等难以实现可控形貌和均匀合金-碳界面。将高熵纳米合金与碳材料复合是优化阻抗匹配、降低密度的有效途径但如何在简便可扩展工艺下实现成分可调、形貌可控的HEA/碳复合材料仍是领域内的关键挑战。二、论文概要本研究以葡萄糖酸盐基MnFeCoNiCu高熵固溶体为前驱体、葡萄糖为自发泡碳源发展了预发泡400℃碳热冲击1000℃两步合成策略制备出具有典型二维层状形貌的MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片复合材料MnFeCoNiCu/CSs。通过系统调控葡萄糖添加量碳含量可从34.4%精准调节至88.1%同步实现阻抗匹配的优化。第一性原理计算揭示了MnFeCoNiCu合金的本征铁磁性与高熵特征诱导磁矩共振和电偶极极化的双重衰减机制丰富的合金-碳异质界面增强界面极化二维导电骨架提供导电损耗通路。最优样品MnFeCoNiCu/CS-1在1.86 mm厚度下实现RLmin -54.4 dB13.64 GHz有效吸波带宽EAB达4.42 GHzRCS降幅31.96 dB m²综合性能居同类报道前列。三、图文解读图1MnFeCoNiCu/CSs合成路线示意图MnFeCoNiCu/CSs两步合成流程示意图葡萄糖酸盐固溶体→预发泡400℃→碳热冲击1000℃→二维层状复合材料图1系统呈现了MnFeCoNiCu/CSs的合成逻辑以Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种葡萄糖酸盐等摩尔溶解形成均匀固溶体前驱体加入不同比例葡萄糖后冷冻干燥随后在N₂气氛中经400℃预发泡处理使有机框架充分热解自发泡形成多孔二维碳片骨架同时释放挥发性产物以避免后续碳热冲击阶段的爆炸性气体逸出再迅速转入1000℃管式炉碳热冲击3分钟五种金属离子被碳骨架原位还原共晶形成均匀分散于碳纳米片中的MnFeCoNiCu高熵纳米合金颗粒。这一策略将形貌控制、成分调节与界面构建统一于单一合成路线显著简化了传统HEA/碳复合材料的制备流程。图2形貌与微观结构表征(a) SEM形貌(b) TEM(c-d) 低/高倍EDS元素面分布(e-g) HRTEM晶格条纹(h-j) 缺陷与晶格畸变(k-m) 洋葱状石墨化碳结构图2从多尺度验证了MnFeCoNiCu/CS-1的结构优越性。SEM图2a与TEM图2b清晰呈现典型二维片状形貌纳米合金颗粒粒径100 nm均匀嵌入碳骨架低倍与高倍EDS面分布图2c/d表明Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种元素无偏析、均匀分布各元素原子比接近20%确认了等摩尔高熵合金的形成。HRTEM图2e–g显示平均晶格间距约0.211 nm对应FCC111晶面图2h–j中的不连续晶格条纹与点缺陷是高熵效应诱导晶格畸变的直接证据可促进偶极极化在MnFeCoNiCu/CS-2中还可见晶格间距0.348–0.353 nm的洋葱状石墨化碳包裹合金纳米晶图2k–m揭示碳含量的增加有助于提升石墨化程度进而增强导电损耗。图3物相结构与磁学性质综合表征(a) XRD图谱(b) TGA热重曲线(c) Raman光谱(d) C 1s XPS高分辨谱(e) 磁滞回线(f) 低场放大磁滞回线图3全面揭示了各样品的物相纯度、碳含量与磁学特征。XRD图3a显示所有样品在43.3°/50.4°/74.1°呈现单相FCC结构的三强峰无杂相CS-1与CS-2额外出现26.4°的石墨化碳002衍射峰TGA图3b定量测定碳含量依次为34.4%、69.4%、76.7%、88.1%为阻抗匹配调控提供了定量基础。Raman光谱图3c中D/G峰强度比ID/IG从0.92升至1.24表明随碳含量增加缺陷密度提升石墨化程度改善XPS C 1s谱图3d中CC峰随葡萄糖添加量增大而增强进一步印证石墨化进程。VSM测试图3e/f揭示所有样品均为软磁材料饱和磁化强度Ms随碳含量升高从41.5依次降至7.8 emu/g而矫顽力Hc先升后降最高52.7 Oe反映了碳骨架限域与磁耦合之间的竞争机制。图4电磁波吸收性能与文献对比(a-d) MnFeCoNiCu/C、CS-0.5、CS-1、CS-2的三维反射损耗图(e) RL-厚度文献对比图(f) RL-EAB文献对比图图4直观展示了碳含量调控对吸波性能的决定性影响。MnFeCoNiCu/C图4a在厚度高达5 mm时RLmin仅-37.3 dB性能较差CS-0.5图4b获得最低RLmin -58.1 dB但匹配厚度较大3.29 mm最优样品MnFeCoNiCu/CS-1图4c在1.86 mm超薄厚度下实现RLmin -54.4 dB13.64 GHz99.999%吸收率EAB达4.42 GHzCS-2图4d因介电损耗过高导致阻抗失配性能反而下降至-17.8 dB。文献综合比较图4e/f表明MnFeCoNiCu/CS-1在薄匹配厚度、低RLmin与宽EAB三项指标上均优于大量已报道的吸波材料凸显其综合性能优势。图5磁损耗机制与第一性原理计算(a-b) 复磁导率实部/虚部(c) 磁损耗正切角(d) C₀涡流损耗系数(e-f) DFT自旋磁化密度等值面(g) 各元素自旋磁矩(h-i) 磁耦合与磁矩共振示意图图5系统解析了MnFeCoNiCu/CSs的磁损耗来源。复磁导率曲线图5a/b随频率呈下降趋势并伴有多个共振峰磁损耗正切角图5c各样品相近表明磁损耗能力相当。C₀参数分析图5d表明低频2–12 GHz磁损耗以自然共振为主高频12–16 GHz则为涡流效应与交换共振的叠加。第一性原理DFT计算图5e–g揭示Mn、Fe、Co、Ni原子均呈显著自旋磁化磁矩大小依次为MnFeCoNi绝大多数原子贡献自旋向上铁磁部分Mn和Fe原子局部反铁磁耦合但整体仍强铁磁性邻近纳米合金颗粒间形成磁耦合网络图5h交变电磁场诱导各原子磁矩发生共振弛豫图5i高效耗散电磁能量从本征机制上阐明了MnFeCoNiCu合金作为优良磁损耗单元的微观根源。图6介电损耗机制与三维形态重构(a-b) 复介电常数实部/虚部(c) 介电损耗正切角(d) EIS Nyquist图(e) 界面电荷密度分布(f) 平面平均静电势(g-j) MnFeCoNiCu/C与CS-1的Micro-CT三维重构相图图6从介电本征机制到宏观形态全面阐释了介电损耗的多重来源。复介电常数图6a/b随葡萄糖添加量增大而升高CS-2的介电损耗正切角图6c最高但过大会导致阻抗失配EIS Nyquist图图6d显示Rct随碳含量增加从32.3 Ω降至27.2 Ω表明石墨化程度提升增强了导电通路。DFT计算图6e揭示MnFeCoNiCu-碳异质界面处电荷分布高度不均匀碳层侧呈负电势、合金侧呈正电势图6f大量电荷在界面积累形成强烈的界面极化效应。Micro-CT三维重构图6g–j从宏观尺度比较了MnFeCoNiCu/C块状无规则与CS-1二维片状在石蜡基体中的分布2D片状结构创造了更多宏观异质界面延长了电磁波多次反射与散射路径并在相同质量分数下更易形成三维互联导电网络使导电损耗、界面极化损耗与多重散射协同增强。图7衰减能力与阻抗匹配定量分析(a) 衰减常数α(b) 介电/磁损耗比值(c-f) 各样品Δ值二维图(g-j) 各样品Smith圆图图7将衰减能力与阻抗匹配两个核心指标并置揭示CS-1优异性能的内在平衡机制。衰减常数α图7a随碳含量升高依次增大CS-2最强说明更多碳提供更高损耗能力然而损耗比值图7b显示CS-1在三种片状样品中最接近1即介电损耗与磁损耗达到最优互补是实现良好阻抗匹配的先决条件。Δ值二维图图7c–f定量评估阻抗匹配质量MnFeCoNiCu/C的|Δ|0.4积分面积最小阻抗失配严重CS-0.5、CS-1与CS-2均具有更大积分面积阻抗匹配明显改善。Smith圆图图7g–j中CS-1的归一化输入阻抗轨迹最接近圆心进一步定性验证其阻抗匹配最优。综合来看高碳→高衰减但过度介电失配与低碳→好阻抗但衰减不足之间存在本质权衡CS-1恰好落在性能最优点。图8雷达截面RCS仿真验证(a-d) PEC分别涂覆MnFeCoNiCu/C、CS-0.5、CS-1、CS-2的三维RCS仿真图(e) 不同入射角下RCS曲线对比(f) 各样品RCS降幅比较图8通过CST软件在12.6 GHz、2 mm涂层厚度条件下模拟了各样品的实际雷达隐身效果。完全电导体PEC表面涂覆吸波材料后雷达后向散射信号强度显著降低其中MnFeCoNiCu/CS-1散射强度最弱图8c三维仿真图呈现出最暗的低散射区域。二维角度扫描图8e显示CS-1在-90°至90°全角度范围内RCS值均维持在-15 dB m²的极低水平远优于其他样品。RCS降幅定量比较图8f表明CS-1在0°正入射方向的RCS降幅高达31.96 dB m²显著优于MnFeCoNiCu/C20 dB m²从实际应用层面验证了CS-1在复杂电磁环境下的突出雷达隐身潜力。四、总结与展望本文以预发泡碳热冲击两步策略成功制备出MnFeCoNiCu高熵纳米合金/碳纳米片复合材料通过调控葡萄糖添加量精准平衡介电损耗与磁损耗实现了-54.4 dB超强吸波性能与1.86 mm超薄厚度的协同兼顾RCS降幅31.96 dB m²验证了其实际隐身潜力为高性能HEA/碳复合吸波材料的理性设计提供了通用策略。展望未来在材料设计层面引入更多功能性元素如稀土或非金属掺杂有望进一步拓宽有效吸收带宽并实现频段可编程调控在工程应用层面将UHTFP超高温闪速热解或其他快速烧结技术与本文合成路线结合有望大幅缩短制备周期、实现连续化生产此外结合仿生结构设计如蜂窝、梯度多层或柔性基底集成将推动高熵合金吸波材料向智能、可穿戴与多功能化方向迈进拓展其在新型隐身装备与电磁兼容防护中的工程价值。原文信息Xueyang Wang et al. Synergistic 2D Structure Design and High-Entropy Engineering in MnFeCoNiCu Nanoalloy/Carbon Nanosheet Composite.J. Mater. Chem. A, 2026. DOI: 10.1039/D6TA02826H
