一、研究背景

高频电磁技术的广泛应用推动了高效电磁波吸收材料的研究与实现。复杂的电磁环境需要吸收能力强、厚度薄、重量轻、吸收带宽的高效EMW吸收材料。传统的金属基吸收剂虽然在一定程度上表现出高的磁损耗和较强的吸收能力，但高密度和低稳定性的缺点严重阻碍了其进一步发展。

高熵材料（HEMs）是一类表现出高度成分复杂性的材料，其典型特征是存在接近等摩尔浓度的多个主元素。高熵吸收材料由于具有高构型熵、晶格畸变、延迟扩散和鸡尾酒效应等特性，在EMW吸收界受到了广泛的关注。如Zhao等人通过静电纺丝和热处理制备了高熵TiO3氧化物。TiO3具有较宽的吸收带宽，几乎是单相BaTiO3的两倍。EMW吸收性能的提高是由于多种阳离子掺入引起的晶格畸变和氧空位。同样，Sun等人也采用机械合金化的方法合成了高熵合金FeCoNiMn0.5Al0.2。合金化工艺提高了HEA的磁损耗能力，有效地优化了阻抗匹配。HEA吸收体的最佳吸收峰为- 44 dB，吸收带宽为3.8 GHz。虽然目前的HE吸收剂已经显示出很好的EMW吸收性能，但几个关键的挑战阻碍了它们的实际应用。这些挑战包括低吸收效率、高密度、高填充负荷和阻抗匹配差。解决这些问题对于提高hem在EMW吸收应用中的实际适用性至关重要。

金属和碳组件的集成带来了良好的物理、光学和电学性能，可以增强EMW的吸收性能。因此，在碳基体中加入分散良好的HEA磁性纳米颗粒可以在不牺牲吸收强度的情况下拓宽吸收带宽，降低整体密度。由静电纺聚合物纤维制成的纳米碳纤维（CNF）作为碳材料家族中的明星，具有多孔结构、高比表面积、高导电性和低制造成本等特点，引起了人们对EMW吸收研究的极大兴趣。电纺丝聚合物纤维是促进金属离子前驱体均匀分散的优良结构衬底，实现纳米颗粒在CNF基体中的均匀分布。除了匹配组成成分外，合理设计合适的多孔结构CNF是诱导界面极化和产生有效散射EMW的多界面和多空隙的有效策略。这种方法可以开发出填充负荷低、厚度薄的高效吸波材料。

然而，纳米HEA组成元素之间的热力学差异可能导致在缓慢高温处理过程中相分离，这对制备单相HEA提出了重大挑战。因此，精细控制HEA纳米颗粒的合成并确保其在多孔CNF中的均匀分散已成为人们关注的焦点。闪光焦耳加热方法已成为合成HEA解决这一问题的一种有前途的策略。该方法通过在导体两端施加大电流产生巨大的焦耳加热，使加工时间缩短至秒量级，可以有效地控制烧结HEA的成分和微观结构。此外，超高速热冲击的应用诱导了组成元素的均匀混合。该工艺有可能优化HEA的内部电子结构，从而提高其EMW吸收性能。然而，据我们所知，通过焦耳加热制备用于EWM吸收的多孔CNF/HEA复合材料仍未被探索。

本研究利用静电纺丝-焦耳加热设备制备了蜂窝状多孔碳纳米纤维(HCNF)/HEA复合材料。首先，将聚乙烯醇(PVA)-M-聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒（M代表硝酸金属）的溶胶静电纺丝成纤维膜。随后，通过超快焦耳加热处理，将预氧化的PVA碳化成一维CNF和分解的PTFE纳米颗粒，在纳米纤维中形成蜂窝状多孔结构。同时，金属前驱体被碳还原成HEA纳米颗粒并掺入HCNF中。通过协调金属前驱体的类型，获得了从低熵合金（LEA）到HEA的一系列样品。结果表明，随着熵的增加，复合材料的介电性能逐渐增强。蜂窝全开孔结构与HEA的协同作用提高了材料的EMW吸收性能。结果表明，在2 wt %的超低填充条件下，HCNF/HEA的最佳反射损耗（RL）为- 65.8 dB，有效吸收带宽（EAB）为7.68 GHz。如此低的填充负荷创造了cnf基和HEA基吸收剂的记录，表明HCNF/HEA作为轻质EMW吸收剂具有强大的潜力。

二、摘要

高熵合金（HEA）因其多种成分之间的高效协同作用和可调电子结构而在电磁波（EMW）吸收领域备受关注。然而，高密度和有限的化学稳定性阻碍了它们作为轻质吸收体的发展。将 HEA 与碳结合在一起是一种很有前景的解决方案，但由于在传统热处理过程中容易发生相分离，因此合成稳定的 HEA/ 碳复合材料面临着挑战。此外，由于高熵效应，HEA 中的电磁波吸收机制可能不同于已有的经验模型。这凸显了合成稳定、轻质的 HEA/carbon 吸收体并揭示其内在吸收机制的迫切需要。在此，我们利用静电纺丝和焦耳加热设备，成功地将二元铁镍铜锰 HEA 集成到蜂窝状多孔碳纳米纤维 (HCNF) 中。利用固有的晶格畸变效应和蜂窝结构，HCNF/HEA 复合材料在超低填充量（2 wt %）条件下表现出出色的电磁波吸收特性。它实现了 -65.8 dB 的最小反射损耗，并拥有高达 7.68 GHz 的最大吸收带宽。这项研究不仅展示了将 HCNF 与 HEA 结合在一起的有效性，还强调了焦耳加热合成法在开发基于 HEA 的轻质吸收体方面的潜力。

三、结论

本研究调查了多孔碳纤维上的铁钴镍铜锰氢氧化钴纳米颗粒在吸收电磁波方面的潜力。研究表明，结合静电纺丝和焦耳加热技术可成功制备出所需的 HCNF/HEA 复合材料。HCNF/HEA 复合材料具有优秀电磁波吸收体的基本特征，包括高孔隙率、导电性和导热性，以及较强的电磁能转换能力。HCNF/HEA 的 RLmin 在 10.9 GHz 时高达 -65.8 dB，最佳 EAB 为 7.68 GHz。最令人兴奋的是，吸波材料的填充量仅为 2 wt %，创下了 HEA 吸波材料的最高纪录。HCNF/HEA 复合材料的优异性能归功于其蜂窝状多孔结构和合金的高熵效应。这些效应增强了极化和传导损耗、阻抗匹配和电磁波衰减性能。总之，这项研究为了解 HEA 在电磁波吸收方面的潜力提供了宝贵的见解，并为利用焦耳加热技术开发基于 HEA 的先进电磁波吸收器提供了令人兴奋的途径。

图1.蜂窝状多孔碳纳米纤维图

图2.静电纺丝和焦耳加热法制备HCNF/HEA复合材料。(a) HCNF/HEA复合材料的合成过程。(b)纺丝胶片的数字图像。(c)焦耳加热合成过程前和过程中HCNF/HEA复合材料的数字图像。(d)焦耳加热过程的温度分布图。

图3. HCNF/HEA复合材料的形态和结构表征。合成的HCNF/HEA复合材料具有代表性的（a, b） SEM和（c, d） TEM图像。(e) HCNF/HEA复合物的HR-TEM图像。(f)原子分辨HAADF-STEM图像与HEA的快速傅里叶变换模式（插图）。(g) HEA纳米粒子的原子分辨元素映射图像。