华东化工大学J. Mater. Chem. A：1000℃碳热冲击制备高熵合金/碳纳米片，实现-54.4 dB超强微波吸收

通讯作者：龙东辉、Su Zhe

通讯单位：华东化工大学

DOI：https://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 dB（>99.999%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 dB（13.64 GHz），有效吸波带宽（EAB）达4.42 GHz，RCS降幅31.96 dB m²，综合性能居同类报道前列。

三、图文解读

图1：MnFeCoNiCu/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FCC（111）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C=C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 dB（13.64 GHz，>99.999%吸收率），EAB达4.42 GHz；CS-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Mn>Fe>Co>Ni，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/C（＜20 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