西安科技大学JACS：1300°C，30s焦耳加热超快制备用于增强微波吸收的高熵稀土硼化物

研究背景现代电子技术对电磁波吸收材料提出双重挑战既要高效衰减电磁能量又需在高温、氧化等极端环境下保持稳定。传统方案将导电与磁性材料复合以优化阻抗匹配但性能常受限于组分自身的物理瓶颈——导电聚合物环境稳定性差铁氧体遇热磁性能骤降磁性金属易氧化。因此研究焦点正从多相复合转向单相材料本征性质的调控通过设计晶格缺陷、电子结构等在简化工艺的同时实现高性能与高稳定性。高熵稀土硼化物因兼具本征导电性与可调磁性成为突破上述瓶颈的重要候选。论文概要2026年5月4日西安科技大学白钰航团队在《Journal of the American Ceramic Society》上发表了题为“Ultrafast Preparation of High-Entropy Rare-Earth Borides via Joule Heating Toward Enhanced Microwave Absorption”的研究论文。本研究采用焦耳热技术在约1300°C低温下仅用30秒便制备出五至八元高熵稀土硼化物成功绕过传统碳热还原法存在的碳污染、化学计量比敏感和晶粒粗化问题。核心发现是八元硼化物凭借创纪录的超高构型熵诱导出强烈的晶格畸变、丰富的点缺陷和致密的异质界面使其以介电损耗为主导、磁损耗为辅的协同衰减机制达到最优匹配。该材料在2.1 mm超薄厚度下实现-46.14 dB的最小反射损耗和3.52 GHz的有效吸收带宽展现出卓越的微波吸收与雷达隐身潜力。图文速览图1从五元到八元HERB的XRD图谱与Rietveld精修证实所有样品均为高纯度ReB₄/ReB₆双相固溶体。随着组元增加衍射峰向高角偏移揭示了晶格持续收缩。精修结果进一步表明构型熵升高促使ReB₆向ReB₄相的部分转变这源于晶格内应力累积引发的结构弛豫为8HERB创造了更加致密的异质界面网络。图25HERB的微观结构清晰呈现双相共存特征高分辨像与衍射花样标定了两相的晶面间距。关键的是应变分析揭示了晶粒内已出现由阳离子随机占位引起的位错与晶格畸变且应变在ReB₄相中更显著。元素面分布图则证实所有稀土元素呈均匀固溶无偏析现象。图38HERB的微观图像直接展示了超高构型熵引发的结构剧变。与5HERB相比其点缺陷数量激增位错密度和晶格畸变程度大幅加剧在纳米尺度上即可观察到压缩与拉伸应变共存。这种高度缺陷化的结构构成了后续增强电磁波极化损耗的物理基础。图4介电性能分析显示8HERB凭借其独特的缺陷结构与丰富的异质界面同时增强了传导损耗、偶极子极化与界面极化。其Cole-Cole图中出现多个大曲率半径的半圆弧这是多重极化弛豫过程共同作用的典型特征直接证明超高熵设计有效拓宽并强化了介电损耗机制。图5磁性分析表明所有HERBs均呈软磁特性磁损耗贡献相对微弱。然而一个明确的趋势是饱和磁化强度随构型熵增加而系统性提升证实熵增对磁损耗具有积极贡献。分析排除了交换共振机制表明磁损耗主要源于自然共振与涡流损耗。图68HERB实现了吸波性能的全面领先在2.1 mm处达到-46.14 dB的强吸收并在2.2 mm处实现3.52 GHz的宽频有效吸收。其性能突破源于阻抗匹配与衰减能力的同步优化——其表面阻抗最接近理想值允许电磁波有效进入同时衰减常数α在全频段内最高确保进入的能量被高效耗散。图7雷达散射截面模拟直观展示了8HERB的隐身优势。在模拟的远场条件下8HERB涂层在各个探测角度均使RCS值降至最低最大缩减量达32.55 dB·m²有力证明了其在宽角域内对电磁后向散射的卓越抑制能力。图8机理示意图凝练了8HERB的“结构-性能”内在逻辑超高构型熵创造的晶格缺陷与异质界面作为核心驱动了多重极化与传导损耗这些强烈的介电损耗机制协同本征磁损耗构筑起一个多尺度、宽频带的协同衰减网络最终将入射电磁波能量高效转化为热能。总结展望总之本研究开创性地融合“焦耳热超快合成”与“超高熵设计”两大策略成功构筑了八元高熵稀土硼化物吸波材料。其核心机制在于超高构型熵所引发的严重晶格畸变、高密度点缺陷及原位致密异质界面协同激发了强烈的偶极子极化、界面极化与传导损耗辅以本征磁损耗构建了一个以介电损耗为主导的高效能量耗散网络。得益于此8HERB在2.1 mm超薄厚度下实现了-46.14 dB的最小反射损耗与3.52 GHz的有效吸收带宽表现出卓越的吸波与宽角域雷达隐身性能。这项工作不仅深刻揭示了超高熵体系下“缺陷-应变-极化-损耗”的内在关联更提供了一种可规模化的材料制备新范式为设计下一代结构功能一体化的电磁防护材料奠定了理论与技术基础。未来可进一步探索通过精细调控ReB₄与ReB₆两相比实现对电磁参数的定向剪裁。