昆明冶研院/昆理工/贵师大JAC：焦耳热构建FeCoNi@石墨烯核壳结构，以实现高效的电磁波吸收

随着5G通信、高功率雷达和可穿戴设备的普及电磁波污染已从局部工程问题演变为影响系统可靠性、数据安全乃至公共健康的全球性挑战。理想的电磁波吸收材料需同时满足“薄、宽、轻、强”四项要求但传统金属或碳基材料往往在“高衰减能力”与“良好阻抗匹配”之间难以兼得。多金属/石墨烯复合体系虽具潜力却受限于制备工艺复杂、金属易团聚氧化、多组分协同机制不清等瓶颈。论文简介2026年4月15日昆明冶金研究院的谢刚、昆明理工大学侯彦青、贵州师范大学陈彦团队在《Journal of Alloys and Compounds》期刊上发表题为Constructing FeCoNigraphene core–shell architectures via Joule flash to achieve efficient electromagnetic wave absorption的研究论文。本研究采用了 毫秒级闪蒸焦耳热FJH原位合成策略。在近2000℃极端条件下一步实现氧化石墨烯GO的还原与Fe、Co、Ni三元合金的原子级混合自组装形成rGO封装FeCoNi合金的核壳结构FeCoNirGO。该复合材料在1.5 mm超薄厚度下实现了−56.1 dB的最低反射损耗和4.4 GHz的有效吸收带宽。研究揭示了多金属协同效应通过调控介电常数与磁导率的配比优化了阻抗匹配并增强了介电-磁损耗耦合为轻质宽频吸收体的工程化应用提供了新路径。图文解读图1 工艺流程图先低压预放电30 V三次脉冲去除吸附水并部分还原GO后高压放电190 V1.3 s使温度骤升至1500℃。金属颗粒表面瞬间熔化形成FeCoNi固溶体同时GO被彻底还原为rGO在毛细作用下自发包裹合金核心形成完整核壳界面。超快升温/冷却10³ K/s有效抑制了晶粒粗化和元素偏析。图2 微观形貌与元素分布SEM显示颗粒呈规则球形5–10 μm表面被石墨烯片层紧密包裹。TEM证实~10 nm厚的rGO壳层连续包覆合金核心。HRTEM测得rGO层间距0.34 nm合金(111)面间距0.20 nm。SAED多晶环表明两相独立结晶。EDS与HAADF-STEM显示Fe、Co、Ni在核内均匀混合三色空间重叠度95%证实了原子级三元合金的形成。图3 物相与化学结构XRD中约26°的尖锐峰证明GO被高效还原为低缺陷rGO三元样品的合金衍射峰较二元体系发生合并与宽化结合HRTEM确认形成纳米晶固溶体。XPS显示Fe、Co、Ni以金属态为主表面存在微量氧化源于石墨烯壳层局部缺陷三元合金中金属2p峰向高结合能移动表明Fe、Co、Ni间存在电子相互作用降低了氧亲和力。图4 磁学性能FeCoNirGO的饱和磁化强度约100 emu/g矫顽力仅20.42 Oe剩余磁化强度趋近于零呈现典型准超顺磁特性。与二元合金相比三元体系在保持较高磁矩的同时拥有极低矫顽力有利于磁矩在交变磁场中快速旋转弛豫从而在宽频范围内维持高效磁损耗。图5 吸收性能对比二元合金中FeNirGO的RL_min−20.4 dB1.5 mm但EAB仅2.3 GHzCoNirGO的RL_min−21.2 dB但匹配厚度需5 mmFeCorGO性能居中RL_min−24.8 dBEAB2.7 GHz。三元FeCoNirGO综合性能最优1.5 mm下RL_min低至−56.1 dBEAB拓宽至4.4 GHz。表1对比文献表明该材料在薄厚度、强吸收和宽频带三项指标上均具显著优势。图6 电磁参数与损耗机制FeCoNirGO的介电常数实部ε′≈17.5与虚部ε″≈2.3–5.2均高于二元样品平均介电损耗角正切0.25归因于三元合金内部电负性差异引发的内禀极化以及核壳界面处的电荷转移极化。磁导率方面准超顺磁特性带来宽频高μ′与μ″。Cole-Cole图中多个半圆及线性尾部分别对应多重极化过程与电导损耗。衰减常数α计算表明FeCoNirGO在全频段均显著优于二元体系证实其最优的综合衰减能力。图7 阻抗匹配分析阻抗匹配比值越接近1电磁波越易进入材料内部而非表面反射。二元体系在各自最优厚度下匹配比值普遍偏离1较多尤其在低频段。而FeCoNirGO在1.5 mm厚度下的有效吸收带宽内匹配比值始终接近1尤其在RL_min对应频率点~12.5 GHz近乎完美匹配。这表明三元合金适中的电导率与rGO壳层的极化损耗形成了最佳平衡。图8 整体吸收机理示意图入射电磁波首先被rGO导电网络以传导损耗衰减同时石墨烯缺陷及官能团引发偶极极化波穿透碳壳进入合金核心后FeCoNi三元合金的晶格畸变与原子间电荷转移增强内禀极化核壳界面处的功函数差驱动界面极化磁响应方面准超顺磁纳米颗粒通过快速磁矩旋转弛豫、自然共振、交换共振及涡流损耗协同耗散磁能最后致密rGO壳层还起到抗氧化和防团聚的保护作用。上述介电-磁损耗的协同耦合在良好阻抗匹配的前提下实现了超薄厚度下的高效宽频吸收。结论总之本研究利用闪蒸焦耳热技术在毫秒级瞬态高温下同时完成了GO的还原、FeCoNi三元合金的原子级合金化以及核壳结构的自组装有效避免了传统多步法制备中常见的金属氧化与颗粒粗化问题。其核心机制在于rGO壳层提供连续导电网络与丰富极化位点FeCoNi合金核心贡献高饱和磁化强度与准超顺磁弛豫特性二者的协同耦合优化了介电常数与磁导率的配比从而在1.5 mm超薄厚度下实现阻抗匹配与高衰减常数的平衡。最终性能表现为−56.1 dB的最低反射损耗和4.4 GHz的有效吸收带宽同时该材料在800℃下仍保持99.81%的质量保留率兼具优异热稳定性与抗氧化性。该工作不仅为轻质、宽频、可规模化制备的电磁波吸收材料提供了新范式也为理解多金属-碳复合体系中介电-磁损耗耦合机制奠定了理论基础。未来可探索将FJH策略拓展至高熵合金或非晶合金体系进一步突破电磁参数的可调范围与吸收带宽极限。