绿色化学方法使得传统的FeSiCr电磁波吸收剂具备了超宽的微波吸收范围和高耐腐蚀性

《Chemical Engineering Journal》：Green chemistry approach enables ultra-broad microwave absorption and high corrosion resistance in traditional FeSiCr electromagnetic wave absorbers

　　

邓超文|叶秋北|徐洋|王本强|张飞|严慧英|李桐|周廷东

中国四川省成都西华大学能源设备智能焊接工程技术研究中心，邮编610039

摘要

随着电磁污染和设备腐蚀问题的日益严重，开发兼具高效宽带微波吸收能力和良好环境稳定性的吸波材料变得越来越重要。传统的FeSiCr合金虽然具有优良的磁损耗特性，但存在一些固有的缺点，包括阻抗不匹配、有效吸收带宽（EAB）狭窄以及易腐蚀等问题，这些限制了它们的实际应用。在这项研究中，采用了一种基于绿色化学方法的新碳氮共渗工艺。 melamine（C₃H₆N₆）被用作碳和氮的来源，通过在传统FeSiCr合金中固溶碳和氮来制备碳氮共渗FeSiCr。碳和氮的引入有效优化了FeSiCr的介电性能，改善了阻抗匹配，并引入了多种损耗机制，从而提高了电磁波吸收（EMA）性能，特别是在带宽方面。结果表明，经过碳氮共渗处理的FeSiCr具有显著的反射损耗和吸收能力。使用0.2 mol C₃H₆N₆处理的FeSiCr样品在1.5 mm厚度时可实现最低54.14 dB的反射损耗，其在1.7 mm处的EAB为8.01 GHz，几乎覆盖了整个X波段和Ku波段。雷达截面（RCS）模拟进一步证实了碳氮共渗FeSiCr的有效微波吸收性能。此外，碳氮共渗FeSiCr的耐腐蚀性也显著提高。当C₃H₆N₆用量为0.2 mol时，腐蚀电位达到1.17 V，腐蚀电流密度降低到8.62 × 10^?11 A/cm²，表明其在腐蚀性环境中具有良好的稳定性。这项研究展示了碳氮共渗技术在微波吸收领域的广泛应用潜力。

引言

无线通信技术、雷达系统和高频电子设备的快速发展导致了电磁（EM）干扰和辐射污染的增加，从而对高性能电磁波吸收材料（MAMs）的需求不断增长[1]、[2]、[3]、[4]。理想的MAMs应同时具备强吸收能力、宽的有效吸收带宽、可靠的阻抗匹配以及在复杂工作条件下长期稳定的性能。然而，在单一材料系统中满足所有这些要求仍然是一个重大挑战。

作为传统的电磁波（EMW）吸收剂，FeSiCr合金由于其高饱和磁化强度、优良的磁损耗特性以及相对于许多常用吸收剂的较低成本而受到持续关注[5]、[6]、[7]。这使它们成为大规模微波吸收应用的有希望的候选材料。Wang等人报道的FeSiCr纳米颗粒在17.3 GHz处的反射损耗峰值为?50.7 dB[8]。然而，它们的实际性能常常受到介电损耗不足、有效吸收带宽（EAB）狭窄和阻抗不匹配的限制[9]、[10]、[11]。例如，Zhong等人报道的镀碳FeSiCr在2.4 mm处的EAB仅为5.60 GHz[12]。此外，裸露的FeSiCr在恶劣环境中的耐腐蚀性较差，显著影响了其使用寿命，尤其是在户外、海洋和苛刻的工业应用中。这些固有的局限性突显了开发同时优化电磁响应和环境耐久性的有效改性策略的必要性。

为了解决上述问题，通过向FeSiCr中添加碳（C）和氮（N）等轻元素以形成固溶体是一种有效的方法。这种方法可以有效地调节极化行为和缺陷密度，引入多种介电损耗机制，从而改善材料的EMW吸收性能。该方法能够精确控制极化行为和缺陷密度，引入多种介电损耗机制，从而提高材料的EMW吸收性能[13]、[14]。Jiang等人开发的三维多孔网络和花状CoNi纳米片/氮掺杂膨胀石墨（CoNi/N-EG）复合材料的反射损耗峰值在2.9 mm时为?59.98 dB，EAB达到7 GHz[15]。大多数报道的碳和氮固溶强化工艺依赖于高能耗、有毒试剂或复杂工艺，这些都与绿色化学的原则相悖，阻碍了其在工业规模上的应用[16]、[17]、[18]。例如，在采用镍氮共渗策略时，Mao等人使用了CO[19]。针对这一背景，Ye及其同事选择C₃H₆N₆作为额外的碳源来制备TiO/C/Co@C(CNTs)[20]。这种材料在1.5 mm处的最小反射损耗（RL_min）值为?47.52 dB，EAB为5.06 GHz。因此，在本研究中，使用了环保材料C₃H₆N₆作为碳氮共渗过程的碳和氮来源，通过机械化学诱导方法有效避免了有害副产品的产生。这种方法能够有效地引入碳和氮原子，提高了材料的EMW吸收性能和环境稳定性。与传统方法相比，这种方法具有成本低、效率高、环保和操作简便等优点。

为了提高材料在复杂环境中的使用寿命，本研究遵循绿色化学原则，利用C₃H₆N₆的机械化学诱导分解为FeSiCr提供碳和氮来源，从而克服了传统FeSiCr吸收材料的固有局限性。通过改变C₃H₆N₆的用量，研究了FeSiCr的微观结构、电磁参数和耐腐蚀性。结果表明，我们采用了一种新的绿色化学方法将碳和氮元素牢固地溶解在合金化FeSiCr中，这与传统的元素掺杂熔炼方法不同，极大地提高了传统FeSiCr电磁波吸收器的性能。这项工作提供了一种可扩展、环保的方法来开发具有超宽带微波吸收和强耐腐蚀性的FeSiCr电磁波吸收器，为恶劣环境下的电磁波吸收材料（EAMs）工程设计提供了新的途径。

章节摘录

材料与合成

实验中使用的FeSiCr粉末为球形，通过气雾化法制备。C₃H₆N₆（纯度≥99%）由上海Aladdin公司提供。

FeSiCrM复合材料的制备采用了绿色化学方法，其中M代表C₃H₆N₆. 制备过程示意图如图1所示。FeSiCr粉末分别与C₃H₆N₆以0、0.1、0.2和0.3 mol的摩尔量混合，同时保持混合物的总质量为20 g。

相组成和表面化学状态

样品的相组成如图2a所示。可以观察到所有样品在大约45.06°、65.48°和82.90°处展现出三个α-Fe的衍射峰，分别对应于（110）、（200）和（211）晶面。这种峰型与标准PDF卡片（JCPDS卡片编号87–0722）一致。在光谱中没有观察到C₃H₆N₆的特征峰，表明残留的C₃H₆N₆已被彻底洗除。（110）晶面的峰值

结论

在本研究中，碳源和氮源通过机械化学诱导的melamine分解提供，成功地通过绿色化学工艺制备了碳氮共渗FeSiCr。碳和氮原子在FeSiCr中的固溶引入了一系列界面极化、偶极极化和磁损耗机制，共同提高了EMW吸收性能。同时，碳氮共渗过程有效地调整了介电性能

CRediT作者贡献声明

邓超文：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，方法论，数据管理。叶秋北：研究，概念化。徐洋：软件，资源准备。王本强：验证，数据管理。张飞：研究。严慧英：可视化。李桐：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集。周廷东：监督，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了宜宾市科学技术局（2025GY002项目）的支持。我们衷心感谢成都Westar新材料技术有限公司为本研究提供必要的测试设备。