【儀表網 研發快訊】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，也為基于液態金屬催化的微/納米顆粒表面原位改性提供了新的技術方案。論文第一作者是博士后林強，通訊作者是沈彬教授，上海交通大學為唯一通訊單位。
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能有限且材料去除質量差，難以滿足超硬材料表面的高效精密拋光需求，制約了新一代半導體高性能表面制造的發展。鑒于石墨烯具有超高的本征強度與面內耐磨損性能，將石墨烯與金剛石磨粒結合有望實現磨粒性能的進一步突破。
基于這一理論構想，研究團隊將液態金屬鎵微液滴化并快速原位裹覆金剛石顆粒，構筑了一種鎵-金剛石“細胞式”的懸浮浸潤網絡，從而實現了金剛石顆粒表面的原位石墨烯生長與批量制備。采用該方法制備的石墨烯與金剛石磨粒本體通過共價鍵界面相連，在金剛石磨粒表面形成一層具有超高界面結合強度與耐磨性的石墨烯“裝甲”，突破了石墨烯在機械應用中易脫落失效、金剛石耐磨性提升受限的瓶頸問題。此外，這種“細胞式”的懸浮浸潤策略可實現千克級石墨烯“裝甲”金剛石磨粒的制備，相比傳統制備方法的有效產率提升3-5個數量級，展現出廣闊的工業應用前景。
在實際應用中，與目前具有最強物理性能的金剛石磨粒相比，通過石墨烯“裝甲”后的金剛石磨粒在超硬半導體材料(金剛石、碳化硅等)的拋光加工中展現出更高的耐磨性、拋光效率與拋光質量，其原子級材料去除率是傳統金剛石磨粒的5倍，顯著超越了現有其它磨粒的性能。這一成果突破了傳統磨粒的性能極限，并為實現超硬半導體的高效無損傷拋光提供了創新性的技術方案。此外，這種多功能顆粒材料憑借其大比表面積和優異的界面強度，在電催化高性能電極、儲能系統的功能添加劑，以及通過燒結或增材制造技術制備具有優異導電性和導熱性的高性能塊體材料等方面同樣具有廣闊的應用前景。
該研究工作得到國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金青年項目，以及國家資助博士后研究人員計劃的支持。復旦大學孫正宗教授、上海交通大學張執南教授、德國卡爾斯魯厄理工學院Martin Diewiebel教授、弗勞恩霍夫材料力學研究所Michael Moseler教授對研究工作提供了重要指導。
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