近日，上海交大機械與動力工程學院制造技術與裝備自動化研究所沈彬教授團隊在高性能磨粒領域取得了重要進展，在機械制造期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture發表了題為“Covalently armoring graphene on diamond abrasives with unprecedented wear resistance and abrasive performance”的研究論文，通過石墨烯以共價鍵界面裝甲金剛石磨粒，首次實現了傳統磨粒物理性能極限的突破。該研究提升了傳統磨粒的耐磨損與拋光性能(neng)，也為基于(yu)液態金屬催化的微/納米顆(ke)粒表面原位改性提供了新的技(ji)術方案(an)。論文第(di)一(yi)作者是(shi)博士(shi)后林強，通訊(xun)作者是(shi)沈彬教授，上海交通大(da)學為唯一(yi)通訊(xun)單位。

       新一代半導體材料如金剛石、碳化硅等在高功率器件領域具有廣闊的應用前景。然而，這類材料具有超高的硬度和耐磨性，導致其表面拋光加工困難，而傳統金剛石磨粒耐磨損性(xing)(xing)能(neng)有限且材(cai)料去除質量差(cha)，難以滿足超(chao)硬材(cai)料表面(mian)的(de)高效精密拋光需求，制約了新一(yi)代半導體高性(xing)(xing)能(neng)表面(mian)制造的(de)發展。鑒于石墨(mo)烯具有超(chao)高的(de)本(ben)征強度與面(mian)內耐磨損性(xing)(xing)能(neng)，將石墨(mo)烯與金剛石磨粒結(jie)合有望實現磨粒性(xing)(xing)能(neng)的(de)進一(yi)步突(tu)破。

       基于這(zhe)一(yi)理論構想，研究團隊將(jiang)液(ye)態金(jin)(jin)屬鎵微液(ye)滴化并(bing)快(kuai)速原位裹覆金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)顆粒(li)，構筑了(le)一(yi)種鎵-金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)“細(xi)胞(bao)式”的懸浮浸潤(run)網(wang)絡，從而實現(xian)(xian)了(le)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)顆粒(li)表面的原位石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯生長與批量(liang)制備(bei)。采(cai)用該方法(fa)制備(bei)的石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯與金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒(li)本(ben)體通過共(gong)價鍵界(jie)面相連，在(zai)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒(li)表面形(xing)成一(yi)層具有超高界(jie)面結合強度與耐磨(mo)(mo)性的石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯“裝甲”，突破(po)了(le)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯在(zai)機(ji)械應(ying)用中(zhong)易脫落失效、金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)耐磨(mo)(mo)性提升(sheng)受限的瓶頸問題。此外(wai)，這(zhe)種“細(xi)胞(bao)式”的懸浮浸潤(run)策略(lve)可(ke)實現(xian)(xian)千克級(ji)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯“裝甲”金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒(li)的制備(bei)，相比傳統制備(bei)方法(fa)的有效產(chan)率提升(sheng)3-5個(ge)數量(liang)級(ji)，展現(xian)(xian)出廣(guang)闊(kuo)的工業應(ying)用前(qian)景。

       在實際應(ying)(ying)用(yong)中(zhong)，與(yu)目(mu)前具(ju)(ju)(ju)有最(zui)強物理性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)金(jin)剛石磨(mo)粒(li)(li)相(xiang)比，通過(guo)石墨烯“裝甲(jia)”后(hou)的(de)(de)金(jin)剛石磨(mo)粒(li)(li)在超(chao)硬(ying)半(ban)導體(ti)材料（金(jin)剛石、碳(tan)化硅等）的(de)(de)拋光加工(gong)中(zhong)展現出更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)耐磨(mo)性、拋光效率(lv)與(yu)拋光質量，其原子級材料去除率(lv)是(shi)傳(chuan)統金(jin)剛石磨(mo)粒(li)(li)的(de)(de)5倍，顯著(zhu)超(chao)越了(le)現有其它磨(mo)粒(li)(li)的(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)。這一成(cheng)果突破(po)了(le)傳(chuan)統磨(mo)粒(li)(li)的(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)極(ji)限，并為實現超(chao)硬(ying)半(ban)導體(ti)的(de)(de)高(gao)(gao)效無損(sun)傷拋光提供了(le)創新性的(de)(de)技術方(fang)(fang)案。此外(wai)，這種多功能(neng)(neng)(neng)顆(ke)粒(li)(li)材料憑借其大比表面(mian)(mian)積和優(you)異的(de)(de)界面(mian)(mian)強度，在電(dian)(dian)催化高(gao)(gao)性能(neng)(neng)(neng)電(dian)(dian)極(ji)、儲能(neng)(neng)(neng)系統的(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)添加劑，以及通過(guo)燒(shao)結或增(zeng)材制造技術制備具(ju)(ju)(ju)有優(you)異導電(dian)(dian)性和導熱性的(de)(de)高(gao)(gao)性能(neng)(neng)(neng)塊體(ti)材料等方(fang)(fang)面(mian)(mian)同(tong)樣具(ju)(ju)(ju)有廣闊的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)前景。

       該研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)工作(zuo)得(de)到國家優秀青年科學(xue)基(ji)金(jin)、國家自(zi)然科學(xue)基(ji)金(jin)青年項目，以及國家資助(zhu)博士后研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)人員(yuan)計劃的支持。復旦(dan)大(da)學(xue)孫正宗教(jiao)授(shou)、上海交通大(da)學(xue)張執南教(jiao)授(shou)、德國卡爾斯(si)魯(lu)厄理工學(xue)院Martin Diewiebel教(jiao)授(shou)、弗(fu)勞恩霍(huo)夫材料力學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)所Michael Moseler教(jiao)授(shou)對(dui)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)工作(zuo)提供了重要指導。

        論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104254