亚微米高熵碳化物的超快碳热冲击合成：氧化抗性与微波吸收性能的双重提升

为解决极端热电磁环境下陶瓷材料氧化抗性与微波吸收性能难以兼顾的难题，研究人员通过创新性碳热冲击(CTS)技术，在30秒内快速合成了亚微米级(～440 nm)五元/八元高熵碳化物(HECs)。该材料因非平衡合成形成的非晶碳界面和显著晶格畸变，展现出565°C氧化起始温度、?43 dB最小反射损耗及5.12 GHz有效吸收带宽，雷达散射截面降低超30 dBm2，为航空航天热-电磁协同防护材料设计提供了新策略。

　　

在航空航天领域，极端热-电磁复合环境对材料性能提出双重挑战：传统吸波材料如铁氧体(ferrites)和碳基材料面临居里温度低、易氧化等问题，而常规高熵碳化物(High-entropy carbides, HECs)虽具耐高温特性，却因电磁波(Electromagnetic wave, EMW)损耗能力不足难以满足宽带吸收需求。如何通过材料设计同步提升氧化抗性和微波吸收性能，成为亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，上海某高校的研究团队在《Materials》发表创新成果，开发出超快碳热冲击(Carbothermal shock, CTS)合成技术，成功制备出兼具优异抗氧化和吸波性能的亚微米高熵碳化物。研究人员采用自主设计的CTS装置，通过精确调控碳/金属氧化物化学计量比，在1800°C、30秒内一步完成碳热还原和固溶体形成，制备出单相(HfTaZrTiNb)C₅(5HEC)和(HfTaZrTiNbMoWCr)C₈(8HEC)。关键技术包括：1) 碳毡焦耳加热系统实现10⁴°C/min超快升温；2) 非平衡合成诱导非晶碳界面和晶格畸变；3) 有限元模拟优化温度场分布。

3.1 材料设计与合成机制
通过热力学计算证实，在1600°C、100 Pa CO分压下碳热还原反应(ΔG<0)可高效进行。XRD与TEM显示，化学计量碳比例下成功获得FCC结构单相HECs，Rietveld精修显示5HEC晶格参数a=4.511 ?，8HEC因Mo/W/Cr掺杂收缩至4.433 ?。

3.2 微观结构特征
HRTEM揭示关键结构特征：1) 3-6 nm厚非晶碳层包覆晶粒；2) 几何相位分析(GPA)显示8HEC晶格应变达0.4%，显著高于5HEC(0.2%)；3) EPR谱证实高浓度悬空键缺陷，8HEC信号强度超5HEC 1.8倍。

3.3 抗氧化性能
非晶碳层使5HEC氧化起始温度(T_o)达600°C，较传统球磨法制备样品(B-5HEC)提升138°C。等温氧化动力学显示，5HEC氧化速率常数(k=0.364)低于B-5HEC(k=0.391)，氧化产物(Hf,Zr)₆(Nb,Ta)₂O₁₇致密层起保护作用。

3.4 微波吸收性能
8HEC因更强晶格畸变产生多重Cole-Cole半圆，界面极化增强使其在11.36 GHz处反射损耗(RL)达?43.63 dB，有效吸收带宽(EAB)5.12 GHz(1.2 mm)。雷达散射截面(RCS)模拟显示，8HEC涂层使反射强度降低30.69 dBm²。

该研究通过CTS技术实现HECs氧化抗性与吸波性能的协同优化：非晶碳层既作为氧扩散屏障又构建导电网络，晶格畸变诱导的缺陷则增强极化/传导损耗。相比传统合成方法，该策略将制备时间从小时级缩短至秒级，晶粒尺寸减小至亚微米级(～440 nm)，为开发新一代航空航天热-电磁防护材料提供了新范式。