通讯作者：黄竹林、胡小晔、李越
通讯单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所
论文DOI：10.1016/j.jmat.2026.101284
1. 背景
随着无线通信、高频电子设备和雷达探测技术快速发展，电磁干扰与电磁隐身需求持续提升，轻质、薄层、强吸收、宽频带的电磁波吸收材料成为功能材料研究重点。磁性金属/碳复合材料兼具碳基介电损耗和磁性组分磁损耗，是高效吸波体系的重要候选；其中普鲁士蓝类似物（PBA）可提供有序结构和可调金属组成，但传统慢速热解易导致金属颗粒长大团聚、界面减少和极化损耗下降，限制了材料的电磁能量耗散能力。如何在完成PBA快速转化的同时抑制金属纳米颗粒过度生长，是构筑高性能吸波复合材料的关键问题。
2. 论文概要
本研究以CoFe-PBA为前驱体，提出一种瞬态非平衡热冲击（焦耳加热）策略，在碳基体上快速锚定纳米CoFe合金，制备CoFe/C电磁波吸收复合材料。实验中，CoFe-PBA被分散在导电碳布上，并悬挂于两个铜电极之间；在惰性气氛下，通过可编程直流电源对碳布施加4 s电流脉冲，16、22和28 V分别对应约600、800和1000 °C处理温度，升温速率约104 K s-1，断电后样品在数秒内自然冷却。该过程将PBA热解与金属颗粒扩散长大动力学解耦，抑制CoFe颗粒粗化并保留多相界面和结构缺陷。优化样品CoFe-PBA-10在1.9 mm匹配厚度下获得最低反射损耗RLmin = -43.24 dB，并在2.2 mm下实现5.57 GHz有效吸收带宽；其性能来源于CoFe/C、CoFe/氧化物和氧化物/C界面极化、氮掺杂缺陷偶极极化、局域导电损耗、纳米CoFe磁耦合以及更优阻抗匹配的协同作用。
3. 图文解读
图文摘要 焦耳热冲击制备CoFe/C吸波材料
图文摘要概括了本文主线：以CoFe-PBA为前驱体，经焦耳热冲击快速生成CoFe合金/碳基复合结构；材料内部同时形成介电损耗、磁损耗和阻抗匹配调控通道，最终表现为强反射损耗、宽有效吸收带宽以及雷达散射抑制能力。
图1 CoFe-PBA热冲击转化的形貌、晶相与碳结构
图1展示了热冲击温度对形貌和相结构的影响。原始CoFe-PBA及低温处理样品保留纳米立方体结构，而800和1000 °C处理后PBA转化为碳基体负载CoFe纳米颗粒；XRD显示CoFe-PBA-8和CoFe-PBA-10出现面心立方CoFe合金特征峰，Raman中ID/IG升高说明更高热冲击温度带来更多缺陷和局域极化中心，有利于电磁能量耗散。
图2 TEM与元素分布揭示CoFe/C多相结构
图2从透射电镜尺度确认热冲击后的结构演化：CoFe-PBA-8和CoFe-PBA-10形成分散CoFe合金纳米颗粒支撑于多孔碳基体中的复合结构，HRTEM中约0.21和0.18 nm晶面间距对应FCC CoFe合金(111)和(200)晶面。EDS映射显示Fe、Co、O、C、N均匀分布，说明样品中同时存在CoFe/碳、CoFe/氧化物和氧化物/碳异质界面，这是后续界面极化的重要来源。
图3 CoFe-PBA-10的XPS化学态分析
图3表明CoFe-PBA-10含有Co、Fe、C、N和O元素，并同时存在金属态与氧化态Co/Fe组分。C 1s和N 1s谱证实碳基体中包含sp2碳、含氧官能团以及多种氮掺杂结构，O 1s进一步指示金属氧、金属羟基和含氧碳物种；这些缺陷、掺杂和表面氧化层共同构成偶极极化和界面极化位点。
图4 不同热冲击样品的反射损耗性能
图4系统比较CoFe-PBA-6、CoFe-PBA-8和CoFe-PBA-10在不同厚度下的电磁波吸收能力。低温样品因PBA转化不足、CoFe合金和导电碳网络未充分形成，吸收较弱；CoFe-PBA-8达到RLmin = -36.78 dB并具有4.86 GHz有效吸收带宽，而CoFe-PBA-10在1.9 mm下达到-43.24 dB、在2.2 mm下实现5.57 GHz带宽，说明1000 °C焦耳热冲击获得了更优的结构转化和损耗匹配。
图5 介电与磁参数分析
图5给出复介电常数、复磁导率及损耗角正切。CoFe-PBA-8和CoFe-PBA-10表现出明显频率色散和多个弛豫峰，反映界面极化、偶极极化与导电损耗增强；其中CoFe-PBA-10介电损耗更高，与其高密度异质界面、氮掺杂缺陷和更连续碳网络相吻合。磁参数中的共振峰则表明自然共振与交换共振参与磁损耗，但整体上介电损耗是主导衰减机制。
图6 磁性、衰减常数、阻抗匹配与极化弛豫
图6进一步揭示吸波性能来源。CoFe-PBA-8和CoFe-PBA-10呈软磁特征，饱和磁化强度约130和126 emu g-1，明显高于CoFe-PBA-6；CoFe-PBA-10具有最高衰减常数，说明其将入射电磁能转化为热能的能力更强。阻抗匹配图显示高温热冲击样品的|Zin/Z0|优选区域更宽，Cole-Cole曲线中的多个半圆证明多重极化弛豫过程共同增强介电损耗。
图7 CoFe/C复合材料电磁波吸收机制示意
图7总结了CoFe/C的吸波机制：焦耳热冲击保留的CoFe/C、CoFe/金属氧化物和金属氧化物/C异质界面诱导界面极化，氮掺杂和碳缺陷引发偶极极化，碳框架中的局域微电流贡献导电损耗，纳米CoFe合金则构建板上，并比较不同样品的雷达散射截面（RCS）。CoFe-PBA-10在0°附近和宽散射角范围内均显著降低反射信号，三维散射图也显示其对入射电磁波具有更强吸收和散射抑制能力，验证了该薄层材料在电磁防护和隐身涂层中的应用潜力。
4. 总结展望
这项研究证明，焦耳热冲击可在秒级时间内完成PBA向CoFe/C复合吸波材料的转化，并通过非平衡热过程抑制金属颗粒粗化、保留异质界面和缺陷，从而实现薄层强吸收与宽频带响应。面向后续应用，仍需进一步考察大面积涂层制备中的温度均匀性、不同基底和树脂体系中的分散稳定性、复杂湿热/氧化环境下的服役可靠性，以及从实验室同轴测试到实际装备曲面涂层的尺度放大问题；若这些环节得到解决，热冲击合成有望成为高性能磁性金属/碳基吸波材料的快速制造路径。
文献信息：Xinyang Li, Xiaonong Wang, Abdumutolib Atakhanov, Zhulin Huang, Xiaoye Hu, Yue Li,Rapid synthesis of nanoscale CoFe alloy anchored on carbon matrix via thermal shock for highly efficient electromagnetic wave absorption,Journal of Materiomics,2026,101284,ISSN 2352-8478,https://doi.org/10.1016/j.jmat.2026.101284.
