大连理工段玉平等：新策略诱导下的强交互作用提升高熵合金的高温磁损耗

大连理工大学段玉平教授团队提出了一种新协同策略诱导下的强交互作用，实现吸波材料优异的高温磁性能和磁损耗。该策略利用稀土元素钆（Gd）掺杂作用下在高熵合金（HEA）中形成富集磁元素纳米颗粒（MENPs）的磁性增强相，实现高温下铁磁序的稳定性。实验结果表明，采用该策略设计的FeCoCrAlGd_0.2高熵合金实现了947℃的居里温度（T_C），其饱和磁化强度（Ms）从室温到700℃维持在102 emu/g。优异的本征磁性能使该合金在400℃时仍表现出显著的磁损耗。密度泛函理论（DFT）计算揭示了合金优异磁性能的源于3d和4f电子轨道间的强交互作用。

随着电子信息技术的飞速发展，电子设备热辐射产生的电磁干扰（EMI）和高速武器的隐形要求对高温微波吸收材料提出了更高要求。微波吸收材料的磁损耗会随温度升高急剧下降，其性能受限于居里温度（T_C）。传统单主元素合金通过添加高比例钴、铁等磁性金属提升居里温度，但这会导致电导率升高，引发高温下的阻抗失配和电磁波反射问题。高熵合金（HEA）凭借多主元特性，兼具低电导率和成分可调优势，成为高温微波吸收材料的理想候选。然而，如何在高熵合金中构建稳定的高温铁磁序、抑制饱和磁化强度随着温度的下降，仍是亟待解决的关键科学问题。

微结构表征

段玉平教授研究团队通过多步机械合金化法制备了FeCoCrAlGd_X高熵合金粉末，粉末具有直径10 μm，厚度 100-200 nm的形态。通过X射线衍射(XRD)，高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)，及透射电子显微镜的暗场图像，确认了高熵合金基体中均匀分布着BCC纳米晶粒，晶粒尺寸为20-30nm。

通过透射电子显微镜能谱仪的元素分布成像(STEM-EDS mapping)揭示了 FeCoCrAlGd_0.2高熵合金粉末的纳米级元素分布(图2a)，发现BCC纳米颗粒中有明显的磁性元素富集（MENPs）。Fe和Co在 MENPs 内呈聚集分布，机械合金化过程中，Fe基BCC晶粒逐渐细化为亚晶粒并最终形成纳米晶，由于Co的原子半径和电子结构更兼容，其优先溶解到Fe基BCC晶格中。该研究通过STEM-EDS线扫描进行了元素分布分析，同时建立了100 个原子的体心立方(BCC)超胞。这种基于纳米级元素分布数据构建的超胞，可更准确地反映了高熵合金真实的化学成分。

图1、FeCoCrAlGd_X高熵合金粉末的微结构表征

图2、FeCoCrAlGd_0.2高熵合金粉元素分布

高熵合金粉末的高温磁性能

该研究发现具有MENP微结构的FeCoCrAlGdx合金均展现出优异的高温磁性能(图3a)，所有合金的居里温度均超过800℃。值得注意的是，Gd元素的添加显著减缓了饱和磁化强度(Ms)随温度升高而下降，FeCoCrAlGd0.2合金的居里温度(T_C)达 947℃，且其Ms从室温到 700℃保持稳定，大大拓宽了磁性高熵合金的实际应用范围。分析认为：磁元素富集于纳米颗粒（MENPs）诱导了3d层电子之间的强交互作用，同时 Gd元素的添加使这种强交互作用产生的铁磁序在高温下保持稳定。为进一步评估FeCoCrAlGdx的热稳定性，对合金在 500℃进行 24 小时退火处理。合金保持单相BCC结构，且BCC纳米颗粒尺寸维持在20 nm左右，表明优异的结构稳定性，并且合金的居里温度超过 900℃，因此合金经过长时间高温退火后，仍展现了出色的高温磁性能。

在高熵合金(HEA)的成分设计中，增加Fe、Co、Ni等铁磁元素的含量通常会提高合金的平均玻尔磁矩。为了展示协同策略带来的性能优势，通过计算多种磁性高熵合金的平均玻尔磁矩值，观察到饱和磁化强度(Ms)与平均玻尔磁矩之间存在一定的线性关系。而该FeCoCrAlGd_0.2合金的饱和磁化强度(Ms)明显高于预测趋势线。此外，该研究将FeCoCrAlGd_0.2合金的高温性能与传统磁性Fe基合金、磁性稀土合金及其他已报道的磁性高熵合金进行了对比，表明FeCoCrAlGd_0.2在较低的平均玻尔磁矩下实现了超高居里温度（T_C）。这都归因于磁性元素富集的纳米颗粒(MENP)微结构及稀土元素掺杂的协同作用优势。

图3、FeCoCrAlGd_x高熵合金粉末的高温磁性能

密度泛函理论 (DFT)计算

利用图2中的超胞模型进行了密度泛函理论(DFT)计算。根据FeCoCrAlGd_0.2合金各元素3d和 4f电子层的磁矩、电子占据数及态密度计算结果显示Fe/Co的3d层电子、Gd的 4f 层电子具有大的净磁矩，并表现出明显的能带劈裂。根据Stoner的铁磁理论，强交换相互作用引起的能带分裂导致自旋向上电子优先占据Ef以下的低能态，造成自旋向上和自旋向下电子数的显著差异。这种更强的电子分布不对称性直接提高了净磁矩，驱动材料表现出强铁磁性。根据磁性原子对之间的交互作用(图4h)研究发现所有原子对均表现出正磁耦合，并且Co-Co 和 Co-Gd 原子对的磁耦合强度最强。这表明强的3d-3d及3d-4f交互作用稳定了高温铁磁序，实现了高温磁稳定性和高的居里温度。

根据 Fe/Co/Cr 的 d 轨道和 Gd的 f 轨道的能带中心计算研究如图4i。结果显示Fe 和 Co 自旋向上电子带的d带中心紧密排列。根据分子轨道理论，匹配的能级使d轨道之间发生强交互作用，使得具有MENP微结构的FeCoCrAl合金表现出高饱和磁化强度。更为重要的是，Gd掺杂引入了额外效应：Fe/Co的带中心与Gd的 fy3x2和fzx2轨道密切对齐，诱发了d-f强交互作用。强耦合稳定了磁性原子在高温下的铁磁序，使 FeCoCrAlGd_0.2表现出更优异的高温磁性能。

图4、FeCoCrAlGd_x高熵合金的密度泛函理论计算研究

高温磁损耗

磁性材料的磁矩在电磁场中会产生进动行为，磁矩进动的阻尼会导致能量以热或电磁波形式耗散，从而实现电磁波的有效吸收。根据高温复磁导率研究发现本征高温磁性能的提升，FeCoCrAlGd_0.2高熵合金在400℃仍保持优异的磁损耗，高于传统羰基铁的应用温度，拓宽了磁损耗的工作温度范围。

图5、FeCoCrAlGd_x高熵合金的高温复磁导率

段玉平教授团队利用稀土元素钆（Gd）掺杂作用下在高熵合金（HEA）中形成富集磁元素纳米颗粒（MENPs）的磁性增强相，在其诱导下的强交互作用产生的铁磁序在高温下保持稳定。与传统磁性Fe基合金、磁性稀土合金及其已报道的高熵合金对比，FeCoCrAlGd_0.2在较低的平均玻尔磁矩下实现居里温度（T_C）达到947℃。该研究通过高熵合金的磁损耗提升策略，从微观层面揭示了高熵合金磁性能调控策略中的科学问题，为磁性材料提升磁损耗的温度稳定性提供了一种新方法。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202507152

作者简介

李泽瑞，本文第一作者，大连理工大学硕士研究生，硕士期间获硕士研究生国家奖学金，大连理工大学优秀研究生，辽宁省优秀毕业生等奖项，以第一作者在Advanced Functional Materials，Journal of Alloys and Compounds等期刊发表多篇学术论文。

段玉平，本文通讯作者，大连理工大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向为吸波涂层、高熵合金吸收剂、仿生超结构隐身材料。荣获辽宁省优秀共产党员、辽宁省教学名师、宝钢优秀教师奖、辽宁省科技创新领军人才等荣誉。现为中国材料研究学会超材料分会理事，中国材料研究学会智能传感功能材料与器件分会常务委员，中国复合材料学会电磁复合材料分委会。获中国建筑材料联合会科学技术发明一等奖，中国材料研究学会科学技术进步二等奖等。先后主持和参与GF基础加强重大项目、JW创新特区重大项目、航空产学研项目、国家自然科学基金、重点研发计划等20余项。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Small、Carbon、Advanced Optical Materials等国内外著名期刊发表论文共200余篇，授权国家发明专利20项，转让2项。出版学术专著6部，主编教材1部，参与制定行业标准1项。

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