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近日，制造技術(shù)與裝備自動(dòng)化研究所沈彬教授團(tuán)隊(duì)在高性能磨粒領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，在機(jī)械制造期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture發(fā)表了題為“Covalently armoring graphene on diamond abrasives with unprecedented wear resistance and abrasive performance”的研究論文，通過(guò)石墨烯以共價(jià)鍵界面裝甲金剛石磨粒，首次實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)磨粒物理性能極限的突破。該研究提升了傳統(tǒng)磨粒的耐磨損與拋光性能，也為基于液態(tài)金屬催化的微/納米顆粒表面原位改性提供了新的技術(shù)方案。論文第一作者是博士后林強(qiáng)，通訊作者是沈彬教授，上海交通大學(xué)為唯一通訊單位。
新一代半導(dǎo)體材料如金剛石、碳化硅等在高功率器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，這類材料具有超高的硬度和耐磨性，導(dǎo)致其表面拋光加工困難，而傳統(tǒng)金剛石磨粒耐磨損性能有限且材料去除質(zhì)量差，難以滿足超硬材料表面的高效精密拋光需求，制約了新一代半導(dǎo)體高性能表面制造的發(fā)展。鑒于石墨烯具有超高的本征強(qiáng)度與面內(nèi)耐磨損性能，將石墨烯與金剛石磨粒結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)磨粒性能的進(jìn)一步突破。
基于這一理論構(gòu)想，研究團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬鎵微液滴化并快速原位裹覆金剛石顆粒，構(gòu)筑了一種鎵-金剛石“細(xì)胞式”的懸浮浸潤(rùn)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了金剛石顆粒表面的原位石墨烯生長(zhǎng)與批量制備。采用該方法制備的石墨烯與金剛石磨粒本體通過(guò)共價(jià)鍵界面相連，在金剛石磨粒表面形成一層具有超高界面結(jié)合強(qiáng)度與耐磨性的石墨烯“裝甲”，突破了石墨烯在機(jī)械應(yīng)用中易脫落失效、金剛石耐磨性提升受限的瓶頸問(wèn)題。此外，這種“細(xì)胞式”的懸浮浸潤(rùn)策略可實(shí)現(xiàn)千克級(jí)石墨烯“裝甲”金剛石磨粒的制備，相比傳統(tǒng)制備方法的有效產(chǎn)率提升3-5個(gè)數(shù)量級(jí)，展現(xiàn)出廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
在實(shí)際應(yīng)用中，與目前具有最強(qiáng)物理性能的金剛石磨粒相比，通過(guò)石墨烯“裝甲”后的金剛石磨粒在超硬半導(dǎo)體材料（金剛石、碳化硅等）的拋光加工中展現(xiàn)出更高的耐磨性、拋光效率與拋光質(zhì)量，其原子級(jí)材料去除率是傳統(tǒng)金剛石磨粒的5倍，顯著超越了現(xiàn)有其它磨粒的性能。這一成果突破了傳統(tǒng)磨粒的性能極限，并為實(shí)現(xiàn)超硬半導(dǎo)體的高效無(wú)損傷拋光提供了創(chuàng)新性的技術(shù)方案。此外，這種多功能顆粒材料憑借其大比表面積和優(yōu)異的界面強(qiáng)度，在電催化高性能電極、儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能添加劑，以及通過(guò)燒結(jié)或增材制造技術(shù)制備具有優(yōu)異導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的高性能塊體材料等方面同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。
該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃等的支持。復(fù)旦大學(xué)孫正宗教授、上海交通大學(xué)張執(zhí)南教授、德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Martin Diewiebel教授、弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所Michael Moseler教授對(duì)研究工作提供了重要指導(dǎo)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104254
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