微秒级气氛调控电爆炸原位氧化：高熵异质结构修饰氧化石墨烯用于高效电磁波吸收

《CARBON》：Microsecond In-Situ Oxidation via Atmosphere-Regulated Electrical Explosion: High-Entropy Heterostructure-Modified GO for High-Efficiency Electromagnetic Wave Absorption

　　**摘要**碳骨架上的多相界面工程为调控电磁衰减和阻抗匹配提供了一种有效策略。本文利用氧化石墨烯（GO）作为二维碳平台，通过气氛调控的金属丝电爆技术实现高熵合金/金属氧化物异质结构在微秒尺度上的原位锚定。快速非平衡过程促进了GO上的合金化、氧化和界面耦合，形成了富含磁-介电异质界面、经高熵异质结构修饰的GO。我们提出了一种异质界面介导的磁-介电协同调控机制来解释增强的微波吸收行为。磁性耦合界面区域增强了局部磁各向异性，即使在相对较低的饱和磁化强度下，也能通过高频共振响应和交换能积累实现高频磁能衰减。同时，多种异质界面诱发的相界电荷非均匀性和丰富的缺陷位点促进了电荷积累、释放和极化弛豫，从而增强了介电损耗并优化了阻抗匹配。优化后的吸波材料在匹配厚度1.7 mm处表现出5.92 GHz的有效吸收带宽。与超材料结构设计集成后，有效吸收带宽扩展至13.82 GHz。本工作展示了基于GO吸波材料的微秒尺度界面修饰策略，为碳基电磁波吸收材料的异质界面调控提供了新见解。**引言**随着通信频率的升高、器件集成度和雷达探测技术的发展，复杂环境中的电磁波反射、串扰和散射问题日益突出[1], [2], [3]。因此，开发具有可调结构、可调电磁参数和强宽带吸收能力的吸波材料具有重要意义[4], [5]。近年来，石墨烯及其衍生物、碳纳米管[6], [7]、碳纤维[8], [9]、多孔碳[10], [11]和生物质碳[12], [13]等碳基材料凭借其低密度、可调导电性、丰富缺陷和灵活的结构设计，在电磁波（EMW）吸收领域发挥了重要作用[14], [15]。然而，单一的碳材料往往存在磁响应不足和阻抗调控有限的问题，难以实现强宽带吸收。磁性高熵合金在磁响应方面展现出巨大潜力，但仍受到Snoek极限、过高的电导率和有限的损耗机制的限制[16], [17], [18], [19]。构建异质结构复合材料是解决这些挑战的有效策略[20], [21]。异质结构通过多组分协同引入了丰富的界面、缺陷位点和多尺度损耗途径，从而实现电磁参数调控[22], [23], [24], [25], [26]。在此类体系中，金属基组分提供磁响应并调节介电行为，而基于氧化石墨烯（GO）的二维碳骨架则构建导电网络、多重反射路径和界面极化中心，同时为金属基纳米颗粒提供富含缺陷的锚定位点[27], [28]。此外，异质界面可诱导空间电荷积累、偶极弛豫和局部电荷重新分布，增强界面极化损耗。因此，异质复合材料是实现高效电磁波吸收的重要方向[29], [30], [31]。例如，Gong等人[25]制备了CoFe?O?@MIL-101@MoS?/GO多重异质结构，通过界面极化、阻抗匹配和多重反射实现了-55.13 dB的最小反射损耗和6.3 GHz的最大有效吸收带宽。Wang等人[32]构建了界面可调的三维Co/HNTs/GO复合材料，实现了-57.52 dB的最小反射损耗和5.02 GHz的有效吸收带宽。对于修饰有磁性金属组分的碳基吸波材料，高频磁损耗通常与涡流损耗相关[33], [34]。仅依赖涡流损耗会使高频磁损耗高度依赖于导电磁性相的电导率和结构连续性[35], [36]。电导率与磁损耗之间的强耦合限制了它们的独立优化和协同调控。因此，需要额外的磁响应机制来拓宽高频磁损耗的调控范围。在碳基框架中构建不连续的磁性合金/金属氧化物异质结是调控电磁损耗的有效策略，因为它将磁损耗从连续金属相中由宏观涡流主导的耗散转变为界面调控的复合磁响应[37], [38]。异质界面上的电导率、磁导率、交换耦合和磁各向异性不连续性可以调节局部感应电流路径和磁化动力学[38], [39]。具体而言，低电导率的氧化相可以中断长程金属传导并将涡流限制在局部区域[40]，而界面交换扰动、磁矩钉扎和增强的局部各向异性可能引入额外的磁损耗通道，如自然共振、交换共振和界面磁弛豫[37], [38], [41]。因此，磁性异质结为克服单一涡流损耗的局限性并设计高性能电磁波吸波材料提供了一条有前景的途径。传统方法，如湿化学合成、热处理和机械合金化，通常需要较长的反应、扩散或相变过程，在此期间系统趋向于向热力学平衡演化[42], [43]。这可能导致纳米颗粒重新团聚、晶粒长大和界面重构，从而削弱非平衡磁性异质界面。因此，快速非平衡合成对于多金属转化、相调控和界面锁定至关重要。与依赖长时间扩散和相变的传统前驱体热过程不同，电爆丝（EEW）技术可在微秒内通过瞬态熔化、气化、等离子体形成和快速凝结将多组分金属丝直接转化为纳米尺度异质结构。在金属丝电爆过程中，金属蒸气、等离子体物种和氧化簇团可在微秒内直接与GO表面相互作用，而碳骨架可充当快速凝结和界面锚定的辅助冷却载体和非均质成核平台。该过程可在颗粒明显长大和界面重构之前快速冻结合金/金属氧化物磁性异质结构，为碳基材料的界面工程和修饰提供了微秒尺度的策略[16], [44], [45]。本工作提出了一种气氛调控的电爆丝策略，通过调节金属蒸气的氧化和凝结，在二维GO骨架上构建高熵合金（HEA）/氧化物异质结构复合材料。在惰性气氛下，产物主要形成合金固溶体结构；而在空气气氛下，氧气参与反应并诱导原位氧化，促进合金/氧化物多相异质结构的形成。该过程实现了对组成、相结构、界面状态和电磁参数的调控。结果表明，异质界面对高频磁响应作出了贡献。合金/氧化物异质结构可能增加界面附近的有效磁各向异性势垒并诱发布换能积累，从而贡献于高频磁损耗。同时，多重异质界面和缺陷位点增强了电荷积累、释放和界面弛豫，使介电损耗主要受极化支配。这种以极化为主的介电损耗在保持良好阻抗匹配的同时实现了高效的能量耗散。得益于优化的介电损耗、磁损耗和阻抗匹配，Air-35 kV样品在1.7 mm处实现了5.92 GHz的有效吸收带宽。此外，与超材料结构设计集成后，有效吸收带宽扩展至13.82 GHz，覆盖了测量范围的86.38%。本研究表明，气氛调控的电爆技术可在HEA/氧化物/GO复合材料中实现异质界面工程，为碳基材料向高性能电磁波吸收发展提供了一种新的界面修饰策略。**章节摘要****HEA/金属氧化物/GO异质结构复合材料的制备**电爆丝实验使用由50 kV高压电源、4 μF储能电容器和同轴放电腔组成的系统进行。实验装置的详细示意图见图S1。电爆丝实验在密封的圆柱形聚乙烯反应腔中进行，腔体高度为12 cm，内径为10 cm。上下不锈钢板分别作为高压电极和接地电极，**气氛和电压调控的电爆丝动力学与相结构演化**图1(a)示意性地展示了气氛调控的电爆丝过程，用于构建HEA/氧化物/GO异质结构复合材料。在微秒级电爆过程中，多组分金属丝快速气化、转变为等离子体，随后凝结到GO表面[45]。在惰性氩气氛下，金属蒸气主要形成面心立方（FCC）高熵合金纳米颗粒。相比之下，在空气气氛下，氧物种参与反应并诱导原位氧化，导致**结论**本研究通过气氛调控的电爆丝策略在GO上开发了HEA/金属氧化物多相耦合复合材料，实现了显著增强的高频电磁波吸收。以GO作为二维碳框架和界面平台，氧的原位参与促进了合金相和氧化相的协同形成，使异相耦合成为调控电磁响应的关键因素。HEA/氧化物耦合区域增强了局部磁性**CRediT作者贡献声明****王彬**：指导监督。**孔春才**：指导监督。**梁立文**：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。**吴健**：撰写——审阅与编辑、指导监督、资源、项目管理、方法学、调查研究、概念构思。**李欣**：资源、调查研究。**刘兴宇**：调查研究。**施欢同**：资源。**李兴文**：项目管理、资金获取。**雷博森**：**利益冲突声明**? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**本工作受中国教育部"基础学科和交叉学科突破计划"资助（项目编号：JYB2025XDXM312）。梁立文|吴健|李欣|刘兴宇|施欢同|李兴文|雷博森|王彬|孔春才