原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Liu C, Chen Q, Sun P, et al. Synthesis of novel high-entropy diborides with high-efficiency electromagnetic wave absorption and excellent thermal stability. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221030
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221030
ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/387801489_Synthesis_of_novel_high-entropy_diborides_with_high-efficiency_electromagnetic_wave_absorption_and_excellent_thermal_stability
1、导读
在当今科技飞速发展的时代，先进飞行器如隐形战机和无人机等对高温部件的雷达隐身能力提出了极高要求。为了满足这一需求，高性能陶瓷吸波材料的研发成为关键。近期，桂林理工大学陈青云团队携手宁波材料技术与工程研究所王跃忠团队，成功合成了一种新型高熵二硼化物陶瓷材料，其在电磁波吸收和热稳定性方面展现出卓越性能，为相关领域的发展带来了重大突破。相关成果发表于《Journal of Advanced Ceramics》期刊，文章DOI为10.26599/JAC.2025.9221030, ResearchGate链接为：https://www.researchgate.net/publication/387801489_Synthesis_of_novel_high-entropy_diborides_with_high-efficiency_electromagnetic_wave_absorption_and_excellent_thermal_stability
2、研究背景：传统材料的局限与陶瓷材料的潜力
随着先进飞行器的发展，其高温部件对雷达隐身能力的要求日益提高。然而，现有的电磁吸收材料如磁性材料和碳基材料在高温环境下存在诸多问题。磁性材料在高温下容易出现磁损失，导致吸波性能下降；而碳基材料在高温氧化环境下的抗氧化性能不足，显著降低了其对电磁波的衰减能力。相比之下，陶瓷材料在抗氧化性和化学稳定性方面表现出色，能够在极端环境下工作，是理想的电磁吸波材料。特别是高熵二硼化物陶瓷材料，因其独特的化学稳定性、可调节的导电性和热稳定性，成为了电磁吸波领域的研究热点。但如何平衡其抗氧化性能和电磁波吸收性能，一直是该领域面临的挑战。
3、研究创新：超快烧结方法与优异性能的实现
本研究采用焦耳热超快高温烧结方法，在短短10分钟内成功制备了三种新型高熵(V0.2Nb0.2Zr0.2Ta0.2X0.2)B2 (X=Mo, Ti, Hf)陶瓷材料，显著缩短了制备时间，提升了材料的生产效率。其中，(V0.2Nb0.2Zr0.2Ta0.2X0.2)B2 (HEB-Ti)样品表现尤为突出，其最小反射损耗可达-40.7 dB，在2~8 GHz低频段内具有广泛的吸收带，展现出优异的电磁波吸收性能。更为重要的是，HEB-Ti样品在550 °C的空气环境和1000 °C的氩气气氛下均表现出良好的热稳定性，使其在高温环境下的应用前景广阔。
4、研究成果：微观结构与性能的深入解析
通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等一系列分析手段，研究人员深入探究了这些材料的微观结构特性。结果显示，不同组分的高熵二硼化物陶瓷材料具有不同的晶格间距和缺陷密度，这些差异主要源于组成元素原子半径的差异。例如，HEB-Hf样品的衍射峰向较小的2θ值偏移较为显著，且晶粒尺寸较大，孔隙率也有所提高。而HEB-Ti样品中适量的孔隙有助于改善界面阻抗匹配，确保更多的电磁波能够进入材料并被吸收。此外，HRTEM图像进一步揭示了样品的微观结构演变，随着原子半径的增大，晶格间距相应增大，且晶格中的缺陷逐渐增多。这些缺陷可以作为偶极极化中心，进而增强电磁波的衰减性能。
图1（a-b）样品的XRD谱图及其（111）、（110）、（101）晶面的衍射峰。
图2合成样品的（a-c）SEM图和（d-f）EDS图。
图3 合成样品的（a-c）HRTEM图像与SAED模式和（d-f）EPR图。
在热稳定性方面，通过热重分析测试，研究人员发现HEB-Ti样品在空气和氩气气氛下均展现出良好的热稳定性。在空气气氛中，HEB-Ti样品在550 °C之前质量变化不大，而在氩气气氛下，其质量在整个温度范围内几乎没有变化，表明其在惰性环境中的高温性能优异。
图4合成样品在 (a)空气和(b)氩气中室温至1000℃的热重曲线。
在电磁波吸收性能方面，HEB-Ti样品同样表现出色。其在7.68 GHz、厚度为2.0 mm时，最小反射损耗为-40.7 dB，最大有效吸收带宽（EAB）为2.3 GHz，具有较低的反射损耗、更宽的有效吸收带宽和较薄的吸收层厚度。此外，HEB-Ti样品还具有良好的阻抗匹配和适中的衰减常数，二者的协同作用使其展现出卓越的电磁波吸收性能。其电磁波吸收机理主要包括适当的孔隙度改善界面阻抗匹配、良好的导电性使自由电子吸收电磁能量并增加能量消耗、以及空位缺陷的形成破坏原始极化平衡，增加极化损耗位点等。
图5合成样品在2-18 GHz下的三维反射损耗图及二维有效吸收带宽的映射图。
研究意义：为高性能陶瓷吸波材料设计提供重要参考
本研究通过调节高熵组分，成功实现了(V0.2Nb0.2Zr0.2Ta0.2X0.2)B2 (X=Mo, Ti, Hf)材料的可调谐电磁波吸收特性。HEB-Ti样品不仅在电磁波吸收方面表现出优异性能，还在热稳定性方面展现出巨大优势，使其在极端环境条件下具有广泛的应用潜力。这一成果为开发高性能陶瓷吸波材料提供了有益参考，有望推动相关领域的发展，为先进飞行器等高科技装备的性能提升提供有力支持。
作者及研究团队简介
第一作者：刘陈成，桂林理工大学物理与电子信息工程学院硕士研究生，期间于中国科学院宁波材料技术与工程研究所联合培养一年。现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素材料团队科研助理，研究方向主要聚焦于极端环境下耐热、透光及吸波功能材料研究，具体涉及金刚石材料、陶瓷材料等体系的设计制备、仿真模拟、与电磁波的相互作用研究等。参与5项国家、中国科学院、市级项目，发表SCI论文7篇，其中以第一作者(或通讯作者)发表SCI论文4篇，发表于Journal of Advanced Ceramics、Diamond and Related Materials、Materials Today Communications、Journal of Materials Science: Materials in Electronics。申请7项国家发明专利，其中1项已获授权。
共同第一作者：陈青云，桂林理工大学物理与电子信息工程学院副研究员，硕士生导师，中国物理学会会员，中国工程物理研究院和四川大学联合培养博士，香港大学研究助理（RA），师从环境材料专家 K. Shih 教授，主持国家自然科学基金青年基金1项、国家自然科学基金联合基金子项目1项、四川省科技厅国际科技创新合作项目/港澳台合作项目1项、广西自然科学基金面上项目1项、四川省教育厅重点项目1项；联合申报获四川省科技厅重点研发项目资助1项，主持国防重点实验室基金和其它横向项目多项。曾以第一作者或通讯作者身份在 Appl. Phys. Lett、J. Alloy. Comp.、Ceram. Inter.等期刊发表论文30余篇，授权发明专利4项。
通讯作者: 王跃忠，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，中国科学院BR，宁波市科技创新领军人才。主要从事光和热功能金刚石及陶瓷材料设计、关键技术研发及工程应用研究。以负责人身份承担国家重点研发、国家自然科学基金、JKW173重点、JPPT规划类、装发HY行动、天津市自然基金重点项目、航天系统内部项目、宁波市科技攻关重大专项等项目10余项。在Diamond & related materials、J Eu Ceram Soc、Journal of Advanced Ceramics、Infrared Physics and Technology、Opt Mater等期刊上发表论文40余篇，申请发明专利20余项。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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