Abnormal absorption of novel high-entropy diborides regulated by electromagnetic balance of magnetic elements

磁性元素电磁平衡调控新型高熵二硼化物的异常吸收

第一作者: Shuyi Zeng (曾淑仪)

通讯作者: Qingyun Chen (陈青云), Chencheng Liu (刘晨成), Yuezhong Wang (王跃众)

桂林理工大学物理与电子信息工程学院，中国科学院宁波材料技术与工程研究所

DOI: 待添加 | Journal of Advanced Ceramics | 2025

论文亮点

            成功合成两种新型高熵二硼化物 (Mo0.2Zr0.2V0.2Nb0.2X0.2)B2 (X=Ta, Fe)，通过引入磁性元素Fe显著增强了材料的电磁性能
磁性高熵二硼化物在15.4 GHz频率和6.0 mm厚度下实现了-31.1 dB的最小反射损耗，远优于非磁性材料的-12.5 dB，表现出卓越的电磁波吸收性能

研究背景

微波技术的快速发展和通信设备频段的多样化导致电磁污染显著增加，对电子设备正常运行和深空探测精度构成风险
过渡金属二硼化物(TMB₂)作为电磁波吸收材料具有优异的介电损耗特性，但缺乏磁损耗导致电磁损耗不平衡，限制了其吸收性能
高熵陶瓷(HEC)的发展为吸波材料设计提供了新途径，通过增加构型熵可以显著增强材料的热稳定性和电磁性能

研究方法

采用快速焦耳加热装置在1900℃下加热10分钟，成功合成了两种新型高熵二硼化物(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2X_0.2)B₂ (X=Ta, Fe)粉末
使用简单的硼还原法制备高熵粉末，将等摩尔的过渡金属粉末与过量10%的硼粉末混合，在玛瑙研钵中研磨2小时
在10 MPa压力下压制成块状前驱体，在流动氩气气氛(纯度99.99%)中以50 sccm的流速进行加热和冷却过程
通过X射线衍射(XRD)分析样品相组成，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究微观结构
基于传输线理论和金属背板模型，根据复介电常数和磁导率计算反射损耗(RL)

图1: (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2X_0.2)B₂ (X=Ta, Fe)制备过程

主要结论

引入磁性元素(Fe)显著增强了高熵二硼化物的电磁性能，优化了电磁平衡，改善了阻抗匹配，使电磁波能更有效地穿透和吸收
高熵体系中的"鸡尾酒效应"导致固溶体产生晶格畸变和形成缺陷作为极化中心，进一步增强了电磁波吸收能力
磁性(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂材料在15.4 GHz频率和6.0 mm厚度下实现了-31.1 dB的最小反射损耗，显著优于非磁性材料的性能

相组成与微观结构分析

XRD分析表明合成的(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2X_0.2)B₂粉末主要反射峰归属于AlB₂型相，表明成功合成了包含各种过渡金属元素的高熵二硼化物。

图2: 1900℃下保温10分钟合成的(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂

SEM分析显示合成的粉末分布均匀，具有多孔结构，这有助于通过内部反射在结构上增强电磁波的耗散。

图3: (a-c) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂和(d-f) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的SEM图像

TEM分析结果

TEM分析显示合成样品为纳米晶粒和层状结构。选区电子衍射(SAED)表明合成样品具有良好的结晶度和对称排列的衍射花样，呈现典型的AlB₂六方结构，与XRD结果一致。

图4: (a-b) TEM图像，(c) SAED花样，(d) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的HRTEM图像

STEM-EDS分析证实了TM阳离子在晶粒中均匀分布，结合XRD和STEM-EDS研究可以得出结论，成功合成了元素分布均匀的单相HEB₂粉末。

图5: (a) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂和(c) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的STEM图像，(b)和(d)对应的EDS元素分布

XPS分析结果

高分辨率XPS光谱揭示了Mo-B、Nb-B、V-B、Zr-B和Fe-B物种的存在，验证了高熵相(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的成功合成。

图6: 合成的高熵陶瓷(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的高分辨率XPS光谱及峰拟合

电磁性能分析

复介电常数(ε_r = ε' + jε'')和复磁导率(μ_r = μ' + jμ'')是决定电磁波吸收性能的两个关键因素，实部(ε'和μ')代表电磁波能量的存储能力，虚部(ε''和μ'')代表损耗能力。

图7: (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2X_0.2)B₂ (X=Ta, Fe)的电磁参数

磁性元素Fe的引入显著提高了磁损耗能力，缩小了介电损耗和磁损耗之间的差距，避免了趋肤效应，实现了更好的阻抗匹配。

损耗特性分析

介电损耗正切(tanδ_ε = ε''/ε')和磁损耗正切(tanδ_μ = μ''/μ')的分析表明，磁性元素的引入丰富了磁损耗类型，从而调节了阻抗匹配。

图8: (a)介电损耗正切，(b)磁损耗正切，(c)总正切，(d)C₀-f曲线的频率依赖性

Cole-Cole半圆分析表明样品中存在Debye弛豫过程，磁性元素的引入导致更多的Cole-Cole半圆和更大的半圆半径，表明极化弛豫数量更多且强度更高。

图9: (a-b) Cole-Cole半圆和(c)衰减常数(a)的频率依赖性

反射损耗性能

反射损耗(RL)模拟结果表明，磁性(Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂材料在6.0 mm厚度下实现了-33.1 dB的最小反射损耗(15.4 GHz)，表现出卓越的电磁波吸收性能。

图10: (a) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂和(b) (Mo_0.2Zr_0.2V_0.2Nb_0.2Fe_0.2)B₂的RL值频率依赖性

电磁波吸收机制

高熵二硼化物的电磁波吸收机制涉及降低电导率和增加磁损耗的协同效应，实现了介电损耗和磁损耗的平衡，从而获得良好的电磁波吸收性能。

图11: 高熵二硼化物的电磁波吸收机制

材料表现出良好的导电性，自由电子在电磁波辐射暴露期间吸收电磁能量，通过电子迁移增加能量消耗。同时，铁磁性FeB₂的引入导致电子顺磁共振损耗和涡流损耗的协同效应，提高了磁损耗能力。