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上海交大沈彬教授團(tuán)隊(duì)通過石墨烯共價裝甲金剛石磨粒突破傳統(tǒng)磨粒性能極限

2025-02-25 08:34:34來源：上海交通大學(xué) 閱讀量：16623 評論

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　　近日，上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院制造技術(shù)與裝備自動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，通過石墨烯以共價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。
 
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       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(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題。此外，這種“細(xì)胞式”的懸浮浸潤策略可實(shí)現(xiàn)千克級石墨烯“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個數(shù)量級，展現(xiàn)出廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
 
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       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、儲能系統(tǒng)的功能添加劑，以及通過燒結(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。
 
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       該研究工作得到國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，以及國家資助博士后研究人員計(jì)劃的支持。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教授對研究工作提供了重要指導(dǎo)。
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