Joule heating-driven ultrafast synthesis of \( {\left( {\mathrm{{Fe}}}_{1 - x}{\mathrm{{Mn}}}_{x}\right) }_{2}{\mathrm{{AlB}}}_{2} \) and its electromagnetic wave absorption properties

焦耳加热驱动的超快合成(Fe_1-xMn_x)₂AlB₂及其电磁波吸收性能

第一作者: 白宇航 (Yuhang Bai)^1,2

通讯作者: 赵兴 (Xing Zhao)^1,✉, 成来飞 (Laifei Cheng)^2,✉

¹ 西安科技大学材料科学与工程学院

² 西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室

DOI: 10.1007/s40145-024-XXXX-X

PDF原文

期刊名称: Journal of Advanced Ceramics

发表年份: 2025年

论文亮点

通过焦耳加热驱动的超快合成方法成功制备了(Fe_1-xMn_x)₂AlB₂材料，合成时间仅需12秒
(Fe_0.3Mn_0.7)₂AlB₂在1.5 mm的极小厚度下，实现了高达-47.8 dB的反射损耗和4.16 GHz的最大有效吸收带宽

研究背景

电子设备的普及导致电磁波暴露增加，对健康有潜在影响，因此需要高性能电磁波吸收材料
MAB相（如Fe₂AlB₂）具有优异的物理化学性质，但磁损耗能力有限，通过掺杂磁性元素（如Mn）可以调节其电磁参数
传统高温烧结方法存在升温慢、元素挥发和成分不均匀等问题，需要开发快速合成方法

研究方法

1. 使用高纯度Fe、Mn、Al和B粉末，按化学计量比混合，并加入10 wt%过量的Al以补偿挥发

2. 采用湿式球磨混合粉末，然后干燥并压制成圆柱形坯体

3. 使用自制的焦耳加热装置在真空环境下快速烧结，加热速率高达10³-10⁴ °C/min，在约930°C下烧结12秒

4. 对合成样品进行XRD、SEM、TEM、XPS等表征，并测量其电磁参数和磁性能

5. 将样品与石蜡按6:4质量比混合，制备成同轴环，使用矢量网络分析仪测量2-18 GHz频率范围内的电磁参数

主要结论

成功通过焦耳加热超快合成了(Fe_1-xMn_x)₂AlB₂样品，Mn掺杂引入了缺陷和晶格畸变，增强了介电损耗
在x=0.7时，由于超磁跳跃的发生，饱和磁化强度和磁损耗增强，使得(Fe_0.3Mn_0.7)₂AlB₂在1.5 mm厚度下具有优异的电磁波吸收性能（RL_min=-47.8 dB, EAB_max=4.16 GHz）
该研究为通过缺陷工程调控MAB相电磁波吸收性能提供了新思路

图1: (Fe_1-xMn_x)₂AlB₂粉末制备过程示意图

图1展示了(Fe_1-xMn_x)₂AlB₂粉末的制备过程。焦耳加热过程包括四个阶段：预烧结阶段、初始快速加热阶段、中间微升温阶段和冷却阶段。该方法实现了高达10⁴ °C/min的加热和冷却速率，显著提高了制备效率。

图2: XRD和XPS分析结果

图2(a)显示了不同Mn含量样品的XRD图谱，衍射峰位置在Fe₂AlB₂和Mn₂AlB₂特征峰之间逐渐移动。图2(b-f)的XPS分析证实了Mn的成功掺杂，显示了Fe 2p、Mn 2p、Al 2p和B 1s的化学状态，表明成功合成了(Fe_1-xMn_x)₂AlB₂固溶体。

图3: 微观结构表征

图3(a-b)的SEM图像显示了(Fe_0.3Mn_0.7)₂AlB₂样品的清晰层状结构和晶粒存在。图3(c)的HAADF-STEM和EDS元素 mapping显示Fe、Mn、Al和B元素均匀分布。图3(d-h)的HRTEM和SAED分析揭示了晶格缺陷和畸变的存在，这些结构特征有助于增强材料的电磁波吸收性能。

图4: 反射损耗(RL)曲线

图4展示了不同Mn含量样品在不同厚度下的反射损耗曲线。随着Mn含量的增加，最小反射损耗(RL_min)先增加后减少，在x=0.7时达到最佳值-47.8 dB (厚度1.5 mm)。这表明适量的Mn掺杂可以有效增强材料的电磁波吸收性能。

图5: 2D反射损耗等高线图及性能比较

图5(a-f)展示了不同Mn含量样品的2D反射损耗等高线图，可以直观看到吸收带宽随Mn含量的变化。图5(g)将(Fe_0.3Mn_0.7)₂AlB₂与先前报道的过渡金属层状化合物吸收剂进行了比较，证明其具有更优异的电磁波吸收性能。

图6: 电磁参数分析

图6展示了不同Mn含量样品的电磁参数，包括复介电常数实部(ε')和虚部(ε'')、介电损耗角正切(tanδ_ε)、衰减常数(α)、复磁导率实部(μ')和虚部(μ'')、磁损耗角正切(tanδ_μ)以及阻抗匹配特性(Z_in/Z₀)。结果表明，Mn掺杂通过引入缺陷和晶格畸变增强了材料的介电性能和磁性能，优化了阻抗匹配。

图7: 磁性能分析

图7(a)显示了不同Mn含量样品的磁滞回线。随着Mn含量增加，饱和磁化强度(M_s)先增加后减少，在x=0.7时达到最大值43.2 emu/g，同时矫顽力(H_c)降低至32.1 Oe。图7(b)的C₀曲线表明磁共振是磁损耗的主要来源。这些结果证实了Mn掺杂有效增强了材料的磁性能。

图8: Cole-Cole图

图8展示了不同Mn含量样品的Cole-Cole图(ε'' vs ε')。Mn掺杂样品(图8b-e)显示出多个扭曲和非标准半圆，表明在交变电磁场下同时激活了偶极极化和界面极化。这主要源于掺杂诱导的结构改性，增加了异质界面，放大了界面极化，同时引入的晶格畸变缺陷和空位簇作为偶极极化中心，显著提高了偶极极化效率。

图9: 微波吸收机制示意图

图9以(Fe_0.3Mn_0.7)₂AlB₂样品为例说明了电磁波吸收机制。主要包括：1) 传导损耗；2) 偶极极化弛豫；3) 界面极化弛豫；4) 空间电荷极化；5) 磁共振损耗和磁滞损耗。Mn掺杂结合焦耳加热超快合成不仅增强了传导损耗、极化损耗、磁共振损耗和磁滞损耗，还促进了缺陷的形成，这些协同效应共同提高了材料的电磁波吸收性能。