近日，Nature Communications在線刊登了我校材料與環境工程學院張雪峰教授團隊的研究論文“Highly anisotropic Fe3C microflakes constructed by solid-state phase transformation for efficient microwave absorption”。該工作利用電化學腐蝕去合金化方法從傳統共析鋼中獲得了磁性Fe3C微米片，通過控制等溫淬火溫度誘導固態相變調控磁性Fe3C微米片的各向異性，并展現出了優異的吸波性能，實現了傳統結構材料的功能化應用。
鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45815-w
隨著電子信息技術趨向高頻化和小型化發展，電磁干擾問題日趨凸顯，吸波材料可以通過吸收電磁波的方式減弱甚至消除電磁干擾，因此得到了人們的廣泛關注。目前已廣泛應用的吸波材料主要為磁性粉末，通過磁損耗機制將電磁波的能量轉化為熱能，然而磁性材料受到斯諾克極限的限制，高頻下的磁損耗能力急劇下降，已無法滿足現有的高頻化應用需求。盡管人們通過將介電材料與磁性材料復合獲得了高頻下性能優異的吸波材料，但磁性材料本征磁損耗性能的提高仍然是當前面臨的主要挑戰之一。
在這項研究中，研究者提出通過固態相變調控磁性Fe3C形狀各向異性，從而優化磁損耗性能的設計思路。利用共析鋼在不同溫度下等溫淬火析出不同厚度的片狀滲碳體(Fe3C)，結合電化學腐蝕去合金化將鐵素體刻蝕，即可獲得具有不同各向異性的磁性Fe3C微米片粉末，這一方法也更易于大規模制備。磁損耗性能和理論模擬表明，鐵磁共振頻率的提高物理來源于片層幾何形狀引起的等效面內各向異性的增加。最終發現，在550°C下等溫淬火處理的Fe3C微米片可以達到最高的各向異性，在11.56 GHz的頻率下復磁導率虛部可以達到0.9，最小反射損耗達到-52.09 dB (15.85 GHz, 2.90 mm)，有效吸收帶寬達到2.55 GHz (1.20 mm, ?-10 dB)。
這些結果為各向異性在高頻磁損耗能力中的作用提供了見解，并為設計高性能吸波材料提供了新的途徑。此外，該方法也有望激發人們從其他傳統結構材料中獲得功能材料的研究興趣。
圖1. Fe3C微米片制備工藝示意圖。(a)Fe-C二元相圖和共析鋼等溫淬火曲線。通過控制等溫淬火溫度分別獲得了珠光體、索氏體和屈氏體。白色和藍色條紋分別表示鐵素體和滲碳體(Fe3C)。其中，A表示奧氏體，B表示貝氏體，F表示鐵素體，L表示液相，Ld/Ld’表示萊氏體，M表示馬氏體，P表示珠光體，Mf表示馬氏體轉變結束溫度，Ms表示馬氏體開始轉變溫度，S0表示平均層間距。(b)電化學腐蝕去合金化過程示意圖。在此過程中白色的鐵素體被腐蝕后獲得片狀Fe3C。
圖2. 微結構表征。(a)共析鋼在不同溫度下等溫淬火后的SEM圖像，標尺為2 ?m。分別在不同溫度下等溫淬火后獲得的Fe3C微米片(b)SEM圖像和(c)TEM圖像，標尺分別為10 ?m和1 ?m。(d)制備工藝示意圖。(a)珠光體微結構及其電化學腐蝕去合金化示意圖。(e)不同等溫淬火溫度下的Fe3C微米片厚度統計。
圖3.磁損耗性能。6-14 GHz頻段范圍內的復磁導率(a)實部和(b)虛部。灰色線條為實驗測得的數據，彩色線條通過LLG方程擬合獲得。(c)不同溫度等溫淬火下的鐵磁共振頻率、有效吸收帶寬、反射損耗和Fe3C微米片厚度。(d)對比不同軟磁材料的鐵磁共振頻率和復磁導率虛部。(e) Fe3C微米片在6-14 GHz頻段范圍內的磁損耗角。
圖4. 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片的L-TEM表征。(a)正焦L-TEM圖像和(b)紅色框區域的局部放大圖，標尺為500 nm。(c)過焦L-TEM圖像和(d)紅色框區域的局部放大圖，標尺分別為2 ?m和500 nm。(e)微磁學模擬獲得的磁化方向分布圖，顏色表示x方向的磁化分量，標尺為2 ?m。(f)TIE方法獲得的磁化方向分布圖，顏色表示平面內磁化方向，標尺為500 nm。
圖5.微磁學模擬Fe3C微米片的鐵磁共振行為。(a)模擬獲得的不同等溫淬火溫度下Fe3C微米片的復磁導率虛部。(b) 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片中振幅分布圖(15.1 GHz)及(c)白色線框的局部放大圖。(d) 700℃等溫淬火獲得的Fe3C微米片中相位分布圖(15.1 GHz)及(c)白色線框的局部放大圖。
