通过优化煅烧温度提高介孔高熵钡铁矿的电磁吸收性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced Electromagnetic Absorption in Mesoporous High-Entropy Barium Ferrite via Calcination Temperature Optimization

高熵钡铁氧体通过调控煅烧温度实现多孔结构设计，有效降低密度并增强电磁波反射损耗（-55.10dB）和吸收带宽（11.64-18.00GHz，6.36GHz）。

　　高熵材料在电磁波吸收（EWA）领域的研究日益受到关注，主要得益于其多种组分之间的协同效应以及可调的电子结构。这种材料通常由五种或更多金属元素以近似等摩尔比例组成，能够通过元素的多样性提升其在电磁波吸收方面的性能。然而，尽管高熵材料在吸收能力上表现出色，其较高的密度和较差的化学稳定性仍然是限制其进一步发展为轻质吸收材料的主要障碍。因此，如何在不牺牲吸收性能的前提下降低材料的密度，成为当前研究的一个重点。

为了克服这些挑战，研究者们开始探索通过构建多孔结构来优化高熵材料的性能。多孔结构不仅能够有效降低材料的密度，还能在电磁波传播过程中产生多重反射和折射，从而增强界面极化损耗。这种策略被认为是一种高效的方法，用于制备具有优异吸收性能的轻质、薄型、宽频带和高强度的电磁波吸收材料。在本研究中，科学家们通过调控煅烧温度，成功制备了一种具有优异电磁波吸收能力的中孔高熵Ba_0.4Pb_0.3Sr_0.3Fe₁₀Ni_0.5Zr_0.5Mn_0.5Ti_0.5O₁₉（简称MHE-BaM）材料。这种材料不仅具备良好的电磁波吸收性能，还展现出可调的结构特性，为未来开发高性能吸收材料提供了新的思路。

电磁波吸收材料在现代电子技术中扮演着重要角色，尤其是在高频通信技术快速发展的背景下。5G通信的普及带来了更高速度的数据传输和更复杂的电磁环境，同时也增加了电磁污染的风险。电磁污染不仅影响电子设备的正常运行，还可能对人类健康构成潜在威胁。因此，开发具有高效吸收能力的材料成为解决这一问题的关键。在众多吸收材料中，钡铁氧体因其成本低廉、电阻率高、化学稳定性好以及具有较大的磁损耗而备受关注。然而，传统钡铁氧体材料的高密度和在高频段较差的阻抗匹配性能，限制了其在实际应用中的效果，尤其是在需要轻量化和宽频带吸收的场景中。

为了解决这一问题，研究者们尝试通过引入不同离子半径和价态的元素，来优化钡铁氧体的电磁性能。这些元素的共掺杂不仅能够提高材料的介电损耗，还能形成多个共振吸收峰，从而扩展吸收频带。这种多元素共掺杂的方法被认为是构建高熵结构的有效手段。高熵结构通过引入多种元素，可以改变材料的晶格结构和电子分布，进而影响其电磁响应。此外，高熵材料的多元素协同作用能够增强材料的磁性和介电性能，使其在电磁波吸收方面表现出更优异的特性。

然而，高熵材料的高密度问题仍然制约着其在轻质吸收材料中的应用。为此，科学家们探索了通过构建多孔结构来降低材料密度的方法。多孔结构的引入不仅能够减少材料的总体质量，还能在电磁波传播过程中产生更多的界面，从而促进界面极化损耗。同时，三维多孔结构有助于缓解材料与电磁波之间的阻抗失配，提高吸收面积，并延长电磁波的传播路径，这些因素都能显著增强电磁波的损耗效果。因此，构建多孔结构被认为是提升高熵材料电磁波吸收性能的重要策略。

在实际应用中，多孔结构的构建通常依赖于模板法。这种方法通过引入表面活性剂等物质，引导材料形成特定的孔隙结构。表面活性剂的选择和调控对于最终形成的多孔结构具有决定性影响。例如，使用CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）作为软模板，可以有效地控制材料的孔径和孔隙率。此外，煅烧温度的调控也是影响多孔结构形成的关键因素。通过改变煅烧温度，可以调节材料的孔隙分布，进而影响其电磁波吸收性能。

本研究中，科学家们采用了一种结合溶胶-凝胶自蔓延燃烧技术和软模板法的方法，成功制备了具有多孔结构的高熵钡铁氧体材料MHE-BaM。通过调整煅烧温度，研究人员制备了不同孔径和孔隙率的样品，并对其电磁参数和吸收性能进行了系统分析。研究结果表明，随着煅烧温度的升高，材料的比表面积、中孔体积和孔隙率均呈现下降趋势。这一现象可能与高温下材料的烧结过程有关，高温会导致材料颗粒之间的结合更加紧密，从而减少孔隙数量和体积。

在电磁波吸收性能方面，研究发现MHE-BaM在1000°C煅烧条件下表现出最佳的吸收效果。此时，材料的比表面积和总孔体积达到最大，这有助于提高其电磁波吸收能力。实验结果显示，MHE-BaM在1.8mm厚度下，其最小反射损耗（RL_min）达到了-55.10dB，对应的工作频率为13.86GHz。此外，材料在2.0mm厚度下，有效吸收带宽（EAB）达到了6.36GHz，覆盖频率范围为11.64至18.00GHz。这些数据表明，MHE-BaM在宽频带和高吸收效率方面具有显著优势。

为了进一步理解MHE-BaM的吸收机制，研究人员对其结构和电磁性能进行了深入分析。XRD图谱显示，MHE-BaM在不同煅烧温度下均呈现出BaFe₁₂O₁₉的主要衍射峰，表明其具有良好的晶体结构。这些衍射峰对应于（110）、（107）和（114）晶面，且在1300°C煅烧时，这些峰的位置有所偏移，但仍然与相应的晶面相对应。这表明，尽管煅烧温度的变化会影响材料的结构，但其基本晶体结构保持稳定，这为材料的性能优化提供了理论支持。

此外，研究还发现，MHE-BaM的多孔结构对其电磁波吸收性能具有重要影响。孔隙的存在不仅能够降低材料的密度，还能增强其介电和磁损耗能力。通过调控煅烧温度，研究人员能够精确控制孔隙的大小和分布，从而优化材料的电磁响应。在1000°C煅烧条件下，材料表现出最大的孔隙率和比表面积，这可能与其较高的介电损耗和磁损耗有关。这种结构的优化使得MHE-BaM能够在较宽的频率范围内实现高效的电磁波吸收，为未来开发高性能吸收材料提供了新的方向。

本研究的成果不仅为高熵材料在电磁波吸收领域的应用提供了理论依据，也为材料设计和制备提供了新的思路。通过合理调控材料的结构和成分，可以实现对电磁波吸收性能的精准控制。这不仅有助于提升材料的吸收效率，还能满足实际应用中对轻质、宽频带和高强度的要求。未来，随着对高熵材料研究的深入，有望开发出更多具有优异性能的电磁波吸收材料，为5G通信、雷达隐身、电子设备防护等领域提供更广泛的应用前景。