具有中等熵值的核壳结构（Zr, Ta, Ti）C@C陶瓷，用于高效吸收电磁波

《Journal of Materials Science & Technology》：Medium-entropy core-shell (Zr, Ta, Ti)C@C ceramics for efficient electromagnetic wave absorption

该研究成功制备了三元中高熵（Zr,Ta,Ti）C@C陶瓷，通过溶胶-凝胶法与聚碳酸酯前驱体陶瓷法结合，形成均匀碳壳层结构。实验表明，碳壳层显著增强界面极化与介电损耗，使1.92 mm厚度样品在6.0-9.6 GHz频段实现-57.19 dB最小反射损耗，有效吸收带宽达3.62 GHz，且20 wt.%填料量即可覆盖X波段。该成果为开发高性能宽频吸波陶瓷提供了新策略。

　　在现代社会中，随着通信技术和电子设备的快速发展，电磁干扰（EMI）和电磁辐射污染的问题日益突出。这些问题不仅对人类健康构成威胁，还可能影响通信信号的稳定性，并干扰关键电子设备的正常运行。特别是在航空航天、国防和军事领域，高强度的电磁辐射可能对高精度技术的安全性产生严重影响。因此，开发具有优异高温稳定性的高性能电磁波吸收材料成为了一项紧迫的任务。

传统的电磁波吸收材料主要包括碳基材料、聚合物、铁氧体和金属合金。这些材料在常温下表现出良好的电磁波吸收性能，但在高温环境下容易因氧化、分解或结构失效而导致性能下降。这使得在极端环境下应用的材料开发面临严峻挑战，尤其是在需要同时满足宽带和强吸收性能的同时，还必须具备高温抗氧化能力。因此，寻找能够克服这些限制的新型材料成为研究的重点。

近年来，过渡金属碳化物（TMCs）因其高熔点、强共价键和可调的介电性能，被认为是高温结构和电磁波吸收材料的有力候选者。TMCs中碳的2p轨道与过渡金属的d轨道之间的杂化不仅赋予其高硬度，还通过自由电子传导显著提高介电损耗。例如，Zhou等通过对典型TMCs（TM = Ti, Zr, Hf, Nb, Ta）的电磁波吸收性能进行系统研究，并结合第一性原理计算，发现HfC和TaC在特定频率和厚度下表现出优越的性能，但它们的高密度限制了在轻量化场景中的应用。此外，其他TMCs如ZrC和TiC则常常面临介电损耗不足和阻抗匹配不良的问题，导致吸收带宽相对较窄。

为了提升TMCs的电磁波吸收性能，研究人员通常采取两种策略：一是通过组成优化和中/高熵设计来增强材料的性能；二是通过微观结构设计，包括尺寸控制、形貌调控和界面工程等手段。中/高熵设计通过高熵效应引起的晶格畸变和多元素协同作用，展现出克服传统二元或三元碳化物系统性能瓶颈的潜力。同时，这种设计也有助于改善阻抗匹配和宽带吸收性能。Zhou等通过碳热还原法合成了高熵（Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)C陶瓷，取得了良好的电磁波吸收效果。然而，这些研究也暴露出一些关键问题，如组成复杂性、高合成成本以及吸收带宽有限等。因此，进一步探索中/高熵陶瓷的性能提升策略仍需努力。

除了组成优化，合理的结构设计也是提高电磁波吸收性能的重要手段。近年来，各种形态的TMCs，如球形、纤维状、花状、中空和核心-壳结构等，被广泛研究。其中，核心-壳结构因其能够整合多种损耗机制并增强界面极化效应而受到越来越多的关注。碳材料因其轻质、优异的导电性、可调的微观结构、大的比表面积和出色的化学稳定性，常被用作核心-壳结构的壳层材料。已有大量研究表明，在陶瓷表面构建碳层可以有效提升介电损耗和阻抗匹配，从而增强整体的电磁波吸收性能。

基于此，本文提出了一种新的设计策略，结合溶剂热反应与聚合物衍生陶瓷（PDCs）方法，合成具有核心-壳结构的三元中熵碳化物（Zr, Ta, Ti）C@C。这种材料的特点是在陶瓷颗粒表面原位涂覆了纳米级的碳层。与以往主要聚焦于传统二元TMCs或五元高熵碳化物系统的研究相比，三元中熵设计不仅保留了有助于优化电磁参数的晶格畸变和熵效应，还实现了组成复杂性和合成成本之间的平衡，从而在轻量化设计和性能调控方面展现出独特优势。此外，中熵碳化物与碳壳结构的结合为实现介电可调性和界面极化效应的协同调控提供了新的途径，有望克服单一碳化物系统固有的局限性，如介电损耗不足、阻抗匹配不良和吸收带宽较窄等问题。

本文通过溶剂热方法结合聚合物衍生陶瓷技术成功合成了新型核心-壳结构（Zr, Ta, Ti）C@C陶瓷粉末。随后，对（Zr, Ta, Ti）C@C的微观结构、介电性能以及电磁波吸收性能进行了系统研究。通过分析不同退火温度下的碳壳形成机制和相演变行为，揭示了其优异的电磁波吸收性能背后的机理。研究结果表明，在40 wt.%的填充率下，（Zr, Ta, Ti）C陶瓷在1.92 mm厚度时达到了?57.19 dB的最小反射损耗（RL_min），并具有3.62 GHz的有效吸收带宽（EAB）。在构建碳壳后，（Zr, Ta, Ti）C@C在仅20 wt.%填充率下依然保持?57.11 dB的最小反射损耗，并实现了对X波段的全覆盖。碳壳的构建显著增强了界面极化和介电损耗，优化了阻抗匹配，从而大幅提升了电磁波吸收性能。

本研究不仅为设计具有优异性能的核心-壳结构中熵陶瓷提供了可行的策略，也为未来在电磁波吸收领域开发高性能材料奠定了理论基础。此外，研究还强调了对核心-壳结构中熵陶瓷形成机制和性能优化策略的进一步探索的重要性。通过深入理解其微观结构演变和介电性能调控，可以为未来材料的工程化应用提供更全面的指导。这些成果有望推动电磁波吸收材料在航空航天、国防和军事等关键领域的实际应用，同时为材料科学的发展带来新的启示。