近日，Nature Communications在線(xiàn)刊登了我校材料與環(huán)境工程學(xué)院張雪峰教授團(tuán)隊(duì)的研究論文“Highly anisotropic Fe3C microflakes constructed by solid-state phase transformation for efficient microwave absorption”。該工作利用電化學(xué)腐蝕去合金化方法從傳統(tǒng)共析鋼中獲得了磁性Fe3C微米片，通過(guò)控制等溫淬火溫度誘導(dǎo)固態(tài)相變調(diào)控磁性Fe3C微米片的各向異性，并展現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的功能化應(yīng)用。
鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45815-w
隨著電子信息技術(shù)趨向高頻化和小型化發(fā)展，電磁干擾問(wèn)題日趨凸顯，吸波材料可以通過(guò)吸收電磁波的方式減弱甚至消除電磁干擾，因此得到了人們的廣泛關(guān)注。目前已廣泛應(yīng)用的吸波材料主要為磁性粉末，通過(guò)磁損耗機(jī)制將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能，然而磁性材料受到斯諾克極限的限制，高頻下的磁損耗能力急劇下降，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有的高頻化應(yīng)用需求。盡管人們通過(guò)將介電材料與磁性材料復(fù)合獲得了高頻下性能優(yōu)異的吸波材料，但磁性材料本征磁損耗性能的提高仍然是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。
在這項(xiàng)研究中，研究者提出通過(guò)固態(tài)相變調(diào)控磁性Fe3C形狀各向異性，從而優(yōu)化磁損耗性能的設(shè)計(jì)思路。利用共析鋼在不同溫度下等溫淬火析出不同厚度的片狀滲碳體(Fe3C)，結(jié)合電化學(xué)腐蝕去合金化將鐵素體刻蝕，即可獲得具有不同各向異性的磁性Fe3C微米片粉末，這一方法也更易于大規(guī)模制備。磁損耗性能和理論模擬表明，鐵磁共振頻率的提高物理來(lái)源于片層幾何形狀引起的等效面內(nèi)各向異性的增加。最終發(fā)現(xiàn)，在550°C下等溫淬火處理的Fe3C微米片可以達(dá)到最高的各向異性，在11.56 GHz的頻率下復(fù)磁導(dǎo)率虛部可以達(dá)到0.9，最小反射損耗達(dá)到-52.09 dB (15.85 GHz, 2.90 mm)，有效吸收帶寬達(dá)到2.55 GHz (1.20 mm, ?-10 dB)。
這些結(jié)果為各向異性在高頻磁損耗能力中的作用提供了見(jiàn)解，并為設(shè)計(jì)高性能吸波材料提供了新的途徑。此外，該方法也有望激發(fā)人們從其他傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料中獲得功能材料的研究興趣。
圖1. Fe3C微米片制備工藝示意圖。(a)Fe-C二元相圖和共析鋼等溫淬火曲線(xiàn)。通過(guò)控制等溫淬火溫度分別獲得了珠光體、索氏體和屈氏體。白色和藍(lán)色條紋分別表示鐵素體和滲碳體(Fe3C)。其中，A表示奧氏體，B表示貝氏體，F(xiàn)表示鐵素體，L表示液相，Ld/Ld’表示萊氏體，M表示馬氏體，P表示珠光體，Mf表示馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度，Ms表示馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度，S0表示平均層間距。(b)電化學(xué)腐蝕去合金化過(guò)程示意圖。在此過(guò)程中白色的鐵素體被腐蝕后獲得片狀Fe3C。
圖2. 微結(jié)構(gòu)表征。(a)共析鋼在不同溫度下等溫淬火后的SEM圖像，標(biāo)尺為2 ?m。分別在不同溫度下等溫淬火后獲得的Fe3C微米片(b)SEM圖像和(c)TEM圖像，標(biāo)尺分別為10 ?m和1 ?m。(d)制備工藝示意圖。(a)珠光體微結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)腐蝕去合金化示意圖。(e)不同等溫淬火溫度下的Fe3C微米片厚度統(tǒng)計(jì)。
圖3.磁損耗性能。6-14 GHz頻段范圍內(nèi)的復(fù)磁導(dǎo)率(a)實(shí)部和(b)虛部?；疑€(xiàn)條為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，彩色線(xiàn)條通過(guò)LLG方程擬合獲得。(c)不同溫度等溫淬火下的鐵磁共振頻率、有效吸收帶寬、反射損耗和Fe3C微米片厚度。(d)對(duì)比不同軟磁材料的鐵磁共振頻率和復(fù)磁導(dǎo)率虛部。(e) Fe3C微米片在6-14 GHz頻段范圍內(nèi)的磁損耗角。
圖4. 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片的L-TEM表征。(a)正焦L-TEM圖像和(b)紅色框區(qū)域的局部放大圖，標(biāo)尺為500 nm。(c)過(guò)焦L-TEM圖像和(d)紅色框區(qū)域的局部放大圖，標(biāo)尺分別為2 ?m和500 nm。(e)微磁學(xué)模擬獲得的磁化方向分布圖，顏色表示x方向的磁化分量，標(biāo)尺為2 ?m。(f)TIE方法獲得的磁化方向分布圖，顏色表示平面內(nèi)磁化方向，標(biāo)尺為500 nm。
圖5.微磁學(xué)模擬Fe3C微米片的鐵磁共振行為。(a)模擬獲得的不同等溫淬火溫度下Fe3C微米片的復(fù)磁導(dǎo)率虛部。(b) 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片中振幅分布圖(15.1 GHz)及(c)白色線(xiàn)框的局部放大圖。(d) 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片中相位分布圖(15.1 GHz)及(c)白色線(xiàn)框的局部放大圖。
