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南京工业大学光电与微波功能材料团队：以缺陷工程，行双相调控——构筑高性能高熵氧化物微波吸收陶瓷精选

已有 1746 次阅读 2026-1-12 10:31 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Feng X, Lu Y, Meng F, et al. Defect-engineering-driven synergistic modulation of dual-phase (Fe₀.₅Mg₀.₅CoNiCuMn)₃O₄@CuO ceramics for superior microwave absorption. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221229

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221229

ResearchGate：Defect-engineering-driven synergistic modulation of dual-phase (Fe₀.₅Mg₀.₅CoNiCuMn)₃O₄@CuO ceramics for superior microwave absorption

1、导读

为克服单相高熵铁氧体损耗强度不足的挑战，本研究提出一种新颖的缺陷工程驱动双相策略，成功制备了尖晶石/岩盐结构(Fe₀.₅Mg₀.₅CoNiCuMn)₃O₄@CuO复合陶瓷。实验表征与第一性原理计算共同证实，缺陷浓度与微波吸收性能呈显著正相关关系。优化后的材料在X波段实现了卓越的电磁波吸收性能：最小反射损耗达-48 dB，有效吸收带宽为3.9 GHz。值得注意的是，该材料在1200 ℃氧化处理后仍保持70%的带宽保持率，热导率达2.154 W·m⁻¹·K⁻¹，展现出优异的高温稳定性和热管理能力。本研究通过缺陷工程驱动的协同调控，为发展抗氧化电磁防护材料开辟了新途径。

2、研究背景

为解决日益严重的电磁污染问题，开发高性能电磁波吸收材料具有重要现实意义。高熵陶瓷凭借其独特的组分可调性与多主元特性，为吸波材料设计提供了新思路。这类材料不仅具有良好的本征阻抗匹配特性，其晶格畸变效应更赋予了优异的热稳定性和抗氧化能力，适用于极端环境。其中，高熵铁氧体通过多元磁性离子与无序阳离子分布，可协同调控介电与磁损耗，展现出显著优势。然而，单相高熵铁氧体常因电导率与介电常数难以理想匹配，限制了其性能进一步提升。

为突破这一瓶颈，构建多相复合结构并实施精细缺陷工程成为关键。引入第二相可有效调节整体电磁参数、优化阻抗匹配，并在相界面诱发强界面极化。更重要的是，在多相体系形成过程中产生的各类缺陷及应力场，可作为额外极化中心增强电磁能耗散。但缺陷浓度需精确调控，其过度积累反而会导致电磁失衡。因此，通过材料设计实现对缺陷类型、浓度的主动调控，从而协同优化阻抗匹配与多重损耗机制，是发展兼具强吸收、宽频带与优异稳定性的下一代吸波材料的核心课题。

3、文章亮点

（1）提出了一种创新的缺陷工程驱动的双相策略，用于制备尖晶石/岩盐结构高熵陶瓷。

（2）突破了传统微米/纳米尺度结构设计对揭示材料本征响应机制的限制，将缺陷工程双相策略与第一性原理计算、电子顺磁共振等先进表征技术相结合，系统建立了缺陷参数（晶格畸变程度与氧空位浓度）与电磁响应之间的关联

（3）样品在X波段（晶格畸变度0.86%，氧空位含量51.89%）表现出卓越的吸波性能：最小反射损耗（RLmin）为–48 dB，有效吸收带宽（EAB）达3.9 GHz。此外，该材料还具备优异的抗氧化性能与热稳定性。

4、研究结果及结论

本研究成功构建了由尖晶石结构(Fe₀.₅Mg₀.₅CoNiCuMn)₃O₄与岩盐结构CuO组成的双相复合体系，其相分离现象源于组分配比对高构型熵形成驱动力的调控。微观表征证实该材料存在丰富的点缺陷、显著的晶格畸变及不连续晶格条纹，这些结构缺陷与界面处显著的应力梯度((Fe₀.₅Mg₀.₅CoNiCuMn)₃O₄相以拉应力为主，CuO相以压应力为主)共同诱导了强烈的极化效应。

图1 (a)扫描电子显微镜（SEM）图像及能谱面扫描分布图；(b-c)高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；(d-e)选区电子衍射（SAED）花样；(f-i) g区域的放大HRTEM图像；(j) 通过几何相位分析（GPA）方法获得的应力分布及统计曲线。

通过调控Mg离子浓度，实现了对材料晶格畸变度（-0.15%~0.86%）和氧空位浓度（40.54%~51.89%）的梯度调控。第一性原理计算表明，材料具有类金属导电特性，其氧空位通过提高载流子浓度和缩小带隙双重机制增强导电损耗。电荷密度分布分析进一步揭示，阳离子向氧配位环境的电荷转移导致电子云不对称分布，不仅促进氧空位处局域电子积累，也诱导高密度偶极子形成，从而协同实现宽频电磁波高效吸收。

图2 (a) 尖晶石与岩盐相的晶体结构示意图；(b)电荷密度差（CDD）图;(c) XRD精修图谱；(d) O 1s的高分辨XPS谱；(e)样品的缺陷、金属空位与氧空位的示意图；(f) 样品的能带结构、分波态密度（PDOS）及电荷密度差（CDD）图。

随着Mg掺杂量的增加，材料的吸波性能呈现先增强后减弱的非线性变化趋势。这一现象与材料内部晶格畸变度和氧空位浓度的演变规律高度吻合，源于二者协同的缺陷效应：适度的晶格畸变与氧空位浓度可分别增强极化损耗与降低电子跃迁势垒，但过度则会导致元素偏析或晶格完整性受损。当Mg/Fe摩尔比优化至1:1（对应晶格畸变度0.86%，氧空位浓度51.89%）时，材料在2.2 mm厚度下取得-48 dB的优异反射损耗，并几乎覆盖整个X波段。CST电磁仿真进一步证实，该材料在宽入射角范围内均表现出卓越的雷达散射截面（RCS）抑制能力。

图3. (a-c) 样品在8.2-12.4 GHz频率范围内的反射损耗二维等高线图；(d) 样品的最大有效吸收带宽值；(e-f) 雷达散射截面值；(g) 雷达散射截面仿真示意图；(h-j) 完美电导体和样品的三维雷达散射仿真结果。

通过双相异质结构、缺陷工程与磁损耗机制的协同作用，可实现高效的电磁波吸收。尖晶石与岩盐相之间形成的异质界面有效促进了界面极化。在此基础上，通过精确调控Fe/Mg比例进行缺陷工程，进一步优化了多种介电损耗机制：多元离子引起的晶格畸变形成高密度缺陷偶极子，增强了偶极极化；氧空位既作为极化中心提升极化损耗，又通过引入缺陷能级降低电子跃迁势垒，从而改善导电损耗；同时，晶界与不连续晶格条纹等界面缺陷也协同增强了极化效应。此外，受限的电导率使涡流损耗取代自然共振，成为主导的磁损耗机制。通过调控Fe/Mg比例，并结合双相结构与缺陷工程的协同设计，材料的介电与磁损耗特性得到整体优化，最终获得优异的电磁波吸收性能。

图4. 电磁波吸收机理示意图

5、作者及研究团队简介

第一作者，冯夏，南京工业大学材料学院博士研究生。主要从事多光谱兼容抑制材料等相关研究工作。

通讯作者，侯翼教授，长期从事电磁吸波/屏蔽材料、陶瓷纳米纤维材料、多频谱电磁兼容材料的研究。近年来，主持国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、南京市留学人员科技创新项目-A类、新加坡国立大学种子基金课题（Seed project）、中国船舶集团预研专项等课题。担任Molecules期刊客座主编，Journal of Advanced Ceramics、ACS applied materials & interfaces等国际期刊审稿人。发表论文30余篇，授权申请发明专利6件。

通讯作者，王丽熙教授，副院长，主要从事吸波材料及光谱转化材料的研究，2021年被评为“青蓝工程”中青年学术带头人，入选2019年度英国皇家化学学会全球“Top 1%高被引作者”，宿迁市双百工程优秀专家等。兼任中国材料研究学会青年工作委员会理事、江苏省复合材料学会理事。曾获中国石油和化学工业联合会技术发明三等奖（排名第二）和江苏省复合材料学会科技进步二等奖（排名第二）。主持国家级项目8项，省级项目2项。已发表SCI/CSSCI收录论文100余篇，申请发明专利二十余项。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1） Pan L, Liu R, Meng F, et al. Flexible and resilient Co/TiO₂/SiOC nanofibers via electrospinning: Towards thermal and electromagnetic wave protection. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(10): 1666-1676. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220968

《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、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，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。