航空发动机用FeCoNiCuAl合金电磁波吸收性能研究
在现代军工中，战机隐身性能已经成为衡量现代战机性能的一项重要指标，隐身涂料在一定程度上已经成为决定战机生存能力的重要材料。尤其是对于时刻处于高温高速运转的航空发动机而言，其在运行过程中不可避免地会产生高温、高噪音，这成为制约战机隐身性能的难题。为了解决这一难题，科学家们开发了各种先进材料和技术，其中包括在航空发动机某些部件上涂覆电磁波吸收涂层。电磁波（Electromagnetic-wave，EMW）吸波材料可以有效地吸收和耗散电磁波能量，被广泛应用于航空发动机的外壳和内部热端部件，吸收雷达电磁波以达到隐身效果。
高效的电磁波吸收（Electromagnetic-wave Absorbing，EMA）材料需要优异的EMW衰减能力，包括磁损耗和介电损耗。此外，阻抗匹配在EMW和吸收材料之间的相互作用中起着关键作用，这确保大部分EMW都能进入材料内部，而只有少量的EMW在表面被反射。但既具有优异的耗散能力又具有优异阻抗匹配的电磁材料很少。而高熵合金（High-entropy alloys，HEAs），特别是同时具有磁损耗和介电损耗能力的FeCoNi基HEAs，在EMA领域引起了广泛的关注。HEAs由多个主要元素组成，其独特的鸡尾酒效应使得多样性的组元之间产生协同效应，从而表现出优异的性能。另外，组分的多样性也使得HEAs作为EMW吸波材料具有很大的性能可协调性，以便于实现最佳阻抗匹配和多功能设计。然而，关于如何找到有效的制造方法来同时满足适当的电磁性能和独特的结构要求，却仍然是一个挑战。
近期，针对制备同时具有优异的EMW耗散能力和良好阻抗匹配的的高熵合金的问题，文章中采用KOH刻蚀法制备了脱合金FeCoNiCuAl HEAs，提高了EMW的耗散能力。相关成果在线发表在应用物理快报Applied Physics Letters，通讯作者为宁波大学姜林文和和广东省科学院新材料研究所张小锋。
论文连接：https://doi.org/10.1063/5.0193890
该研究以采用KOH刻蚀法得到的脱合金FeCoNiCuAl 高熵合金（HEAs）为研究对象，探究FeCoNiCuAl 高熵合金脱合金机制及其电磁波吸收（EMA）机理。本文实验表明，经KOH碱液侵蚀脱合金处理的FeCoNiCuAl高熵合金未发生相变，只侵蚀了表面的金属铝，且处理后形貌无明显变化，仍然保持着高能球磨的片状结构，各元素分布均匀，如图1所示。
图1 (a)各试样的XRD谱图和(b)晶粒尺寸、晶格常数、微应变图; (c) A00和A06样品的SEM显微图和元素分布图; (d) N2的吸附/解吸曲线和每个样品的表面积。
同时，与未经脱合金处理的FeCoNiCuAl高熵合金相比，其表面的金属原子被不同程度的氧化，进而使得氧化层电阻率增加，降低了介电常数，如图2所示。
图2 A00和A06的XPS高分辨率光谱: (a)全谱，(b) Al 2p， (c) Fe 2p， (d) Co 2p， (e) Ni 2p， (f) Cu 2p
经脱合金处理后，样品表面产生了大量的孔隙，有效地增加了表面积，产生的大量固-气界面使得其在振荡EMW作用下，界面极化得到增强，此外，样品表面众多的孔隙，使得EMW产生多次反射和散射，也增加了EMW能量的消耗，如图3所示。
图3 (a)样品复介电常数实部，(b)样品复介电常数虚部，以及(c) A00， (d) A02， (e) A04， (f) A06的阻抗匹配图
此外，由于介电损耗的增强，样品A02在13.01 GHz时实现最低RL为-56.04 dB，厚度低至2.21 mm。当吸收层厚度薄至2.43 mm时，有效吸收带仍可达到3.29 GHz。对于A06样品，当厚度为3.23 mm时，由于阻抗匹配的优化，在6.88 GHz处最低RL可达到-56.12 dB，有效吸收波段为7.36 ~ 10.24 GHz，达到2.88 GHz，如图4所示。
图4 [(a)和(b)] A02和[(c)和(d)] A06样品的三维RL曲线和最佳匹配厚度对应样品的最低RL图。
上述工作为制备同时具有优异EMW耗散能力和优异阻抗匹配的的高熵合金提供了实验方法及数据支持，为通过改变材料的形态来控制高频电磁特性提供了一种策略，对我国EMA材料领域做出了贡献。
供稿|热喷涂研究中心
供图|热喷涂研究中心
