杭州电子科技大学张雪峰教授团队Nature Communications：传统结构材料的功能化应用

近日，Nature Communications在线刊登了杭州电子科技大学材料与环境工程学院张雪峰教授团队的研究论文“Highly anisotropic Fe₃C microflakes constructed by solid-state phase transformation for efficient microwave absorption”。该工作利用电化学腐蚀去合金化方法从传统共析钢中获得了磁性Fe₃C微米片，通过控制等温淬火温度诱导固态相变调控磁性Fe₃C微米片的各向异性，并展现出了优异的吸波性能，实现了传统结构材料的功能化应用。

随着电子信息技术趋向高频化和小型化发展，电磁干扰问题日趋凸显，吸波材料可以通过吸收电磁波的方式减弱甚至消除电磁干扰，因此得到了人们的广泛关注。目前已广泛应用的吸波材料主要为磁性粉末，通过磁损耗机制将电磁波的能量转化为热能，然而磁性材料受到斯诺克极限的限制，高频下的磁损耗能力急剧下降，已无法满足现有的高频化应用需求。尽管人们通过将介电材料与磁性材料复合获得了高频下性能优异的吸波材料，但磁性材料本征磁损耗性能的提高仍然是当前面临的主要挑战之一。

在这项研究中，研究者提出通过固态相变调控磁性Fe₃C形状各向异性，从而优化磁损耗性能的设计思路。利用共析钢在不同温度下等温淬火析出不同厚度的片状渗碳体(Fe₃C)，结合电化学腐蚀去合金化将铁素体刻蚀，即可获得具有不同各向异性的磁性Fe₃C微米片粉末，这一方法也更易于大规模制备。磁损耗性能和理论模拟表明，铁磁共振频率的提高物理来源于片层几何形状引起的等效面内各向异性的增加。最终发现，在550°C下等温淬火处理的Fe₃C微米片可以达到最高的各向异性，在11.56 GHz的频率下复磁导率虚部可以达到0.9，最小反射损耗达到-52.09 dB (15.85 GHz, 2.90 mm)，有效吸收带宽达到2.55 GHz (1.20 mm, £-10 dB)。

这些结果为各向异性在高频磁损耗能力中的作用提供了见解，并为设计高性能吸波材料提供了新的途径。此外，该方法也有望激发人们从其他传统结构材料中获得功能材料的研究兴趣。

图1. Fe₃C微米片制备工艺示意图。(a)Fe-C二元相图和共析钢等温淬火曲线。通过控制等温淬火温度分别获得了珠光体、索氏体和屈氏体。白色和蓝色条纹分别表示铁素体和渗碳体(Fe₃C)。其中，A表示奥氏体，B表示贝氏体，F表示铁素体，L表示液相，Ld/Ld’表示莱氏体，M表示马氏体，P表示珠光体，Mf表示马氏体转变结束温度，Ms表示马氏体开始转变温度，S₀表示平均层间距。(b)电化学腐蚀去合金化过程示意图。在此过程中白色的铁素体被腐蚀后获得片状Fe₃C。

图2. 微结构表征。(a)共析钢在不同温度下等温淬火后的SEM图像，标尺为2 mm。分别在不同温度下等温淬火后获得的Fe₃C微米片(b)SEM图像和(c)TEM图像，标尺分别为10 mm和1 mm。(d)制备工艺示意图。(a)珠光体微结构及其电化学腐蚀去合金化示意图。(e)不同等温淬火温度下的Fe₃C微米片厚度统计。

图3.磁损耗性能。6-14 GHz频段范围内的复磁导率(a)实部和(b)虚部。灰色线条为实验测得的数据，彩色线条通过LLG方程拟合获得。(c)不同温度等温淬火下的铁磁共振频率、有效吸收带宽、反射损耗和Fe₃C微米片厚度。(d)对比不同软磁材料的铁磁共振频率和复磁导率虚部。(e) Fe₃C微米片在6-14 GHz频段范围内的磁损耗角。

图4. 700℃等温淬火获得的Fe₃C微米片的L-TEM表征。(a)正焦L-TEM图像和(b)红色框区域的局部放大图，标尺为500 nm。(c)过焦L-TEM图像和(d)红色框区域的局部放大图，标尺分别为2 mm和500 nm。(e)微磁学模拟获得的磁化方向分布图，颜色表示x方向的磁化分量，标尺为2 mm。(f)TIE方法获得的磁化方向分布图，颜色表示平面内磁化方向，标尺为500 nm。

图5.微磁学模拟Fe₃C微米片的铁磁共振行为。(a)模拟获得的不同等温淬火温度下Fe₃C微米片的复磁导率虚部。(b) 700℃等温淬火获得的Fe₃C微米片中振幅分布图(15.1 GHz)及(c)白色线框的局部放大图。(d) 700℃等温淬火获得的Fe₃C微米片中相位分布图(15.1 GHz)及(c)白色线框的局部放大图。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45815-w