上海交通大学沈彬课题组：石墨烯共价装甲金刚石磨粒实现磨粒性能新突破

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近日，上海交通大学沈彬教授课题组在高性能磨粒领域取得了重要进展，该课题组在机械顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》发表了题为“Covalently armoring graphene on diamond abrasives with unprecedented wear resistance and abrasive performance”的研究论文（DOI：10.1016/j.ijmachtools.2025.104254），通过石墨烯以共价键界面装甲金刚石磨粒，首次实现了传统磨粒物理性能极限的突破。该研究不仅提升了传统磨粒的耐磨损与抛光性能，也为基于液态金属催化的微/纳米颗粒表面原位改性提供了新的技术方案。

图1 石墨烯共价装甲金刚石磨粒示意图

背景介绍

新一代半导体材料如金刚石、碳化硅等在高功率器件领域具有广阔的应用前景。然而，这类材料具有超高的硬度和耐磨性，导致其表面抛光加工困难；而传统金刚石磨粒耐磨损性能有限且材料去除质量差，难以满足超硬材料表面的高效精密抛光需求，从而制约了新一代半导体高性能表面制造的发展。石墨烯具有超高的本征强度与面内耐磨损性能，因此，将石墨烯与金刚石磨粒结合有望实现磨粒性能的进一步突破。然而，传统方法如化学气相沉积、物理沉积、机械剥离转移等均只能实现石墨烯与金刚石以范德华力结合，导致界面结合力差，石墨烯极易脱落，无法满足机械应用需求。采用液态金属镓催化金刚石表面相变或采用激光机械耦合制备方法可以实现金刚石表面原位制备具有共价键界面的石墨烯片层，但该方法目前只适用于平面，而无法满足具有多层级、多表面的颗粒制备的需求。

本文亮点

针对这一难题，上海交通大学沈彬教授课题组将液态金属镓微液滴化与快速原位裹覆金刚石颗粒，构筑了一种镓-金刚石“细胞式”的悬浮浸润网络，从而实现了金刚石颗粒多表面的原位石墨烯生长与批量制备。这种“细胞式”的悬浮浸润策略可实现千克级的石墨烯-金刚石共价异质颗粒的制备，相比传统的制备方法的有效产率提升3-5个数量级，具有广阔的工业应用前景。相比传统金刚石磨粒，这一新型磨粒在超硬半导体材料（金刚石、碳化硅等）的抛光加工中具有更高的抛光效率与更高的抛光质量，其原子级材料去除率是传统金刚石磨粒的5倍。

图文解析

石墨烯共价装甲金刚石磨粒的制备

图2 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）制备方法：液态金属镓微液滴化并原位裹覆金刚石颗粒形成镓-金刚石细胞结构，通过1050℃真空退火30min便可实现GDA的批量制备

图3 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）基础表征：扫描电镜、光镜、XRD以及拉曼揭示GDA的结构特征、批量转化显著性以、石墨烯覆盖率与石墨烯质量

图4 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）的界面结构、制备策略对比及基于该磨粒所制备的抛光液

石墨烯共价装甲金刚石磨粒的抛光性能研究

图5 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）与传统金刚石磨粒的抛光性能对比（抛光工件为金刚石）：GDA抛光效率显著提升，抛光表面无裂纹

图6 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）与传统金刚石磨粒的抛光质量对比（抛光工件为金刚石）：GDA抛光工件表面金刚石晶格结构完整性显著提升

石墨烯共价装甲金刚石磨粒的物理性能与材料去除机理研究（实验）

图7 粗抛光阶段工件材料与传统金刚石磨粒的结构与形貌演化规律：工件表面粗糙峰发生显著脆性断裂与局部平坦化，磨粒刃角发生显著磨损

图8 粗抛光阶段工件材料与石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）的结构与形貌演化规律：工件表面发生脆性断裂与平坦化，磨粒刃角受到石墨烯保护

图9 精密抛光阶段工件材料与传统金刚石磨粒的结构与形貌演化规律：工件产生亚表面裂纹损伤，磨粒持续钝化，抛光效率降低

图10 精密抛光阶段工件材料与石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）的结构与形貌演化规律：工件无显著亚表面损伤，磨粒刃角受到较好保护，持续发挥抛光作用

图11 FIB-TEM分析：采用石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）精密抛光后金刚石工件表面存在非晶层，证明原子级去除机制；非晶层仅有2 nm厚，相比传统金刚石磨粒下降13倍，金刚石表面质量显著提升

石墨烯共价装甲金刚石磨粒的物理性能与材料去除机理研究（分子动力学模拟）

图12 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）的原子级材料去除机制：石墨烯能够显著提升金刚石工件表面原子级去除，减少非晶碳化，并保护磨粒基体不受磨损

图13 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）材料去除过程的量化分析与材料去除演化过程：GDA的原子级去除速率达到传统金刚石磨粒的5倍，其与工件材料发生化学成键数量显著增加，从而加速工件表面原子的粘着磨损，进而促进材料去除

图14 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）材料去除演化规律（蓝色为工件材料，橘黄色为工件表面即将去除的原子，灰色为GDA表面的石墨烯）：当GDA与工件表面原子键合数量达到2个及以上时，该原子由于双边结合强度不平衡而发生持续断键与脱落，造成原子磨损

图15 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）表面原子密度小，相变传统金刚石磨粒更易促进工件表面脱落原子发生扩散磨损，从而进一步加速工件表面原子去除

石墨烯共价装甲金刚石磨粒与其它磨粒和抛光技术的性能对比

图16 石墨烯共价装甲金刚石磨粒（GDA）抛光性能与其它磨粒及抛光技术对比分析（a,b,c），以及GDA在碳化硅抛光中的有效性证明（d，e）

总结与展望

本研究提出了一种基于液态镓与金刚石颗粒“细胞式”浸润的制备方法，实现了石墨烯装甲金刚石磨料（GDA）的批量制备。该方法实现的高产率（1 kg/L）使其能够无缝集成到商业化金刚石磨料的工业生产中，展现出广阔的工业应用前景。这一突破为实现超硬半导体的高效无损伤抛光提供了创新性的技术方案。此外，这种多功能粉末材料凭借其大比表面积和优异的界面强度，在电催化高性能电极、储能系统的功能添加剂，以及通过烧结或增材制造技术制备具有优异导电性和导热性的高性能块体材料等方面同样具有广阔的应用前景。

该研究工作得到国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金青年项目、以及国家资助博士后研究人员计划的支持。复旦大学孙正宗教授、上海交通大学张执南教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Diewiebel教授、弗劳恩霍夫材料力学研究所Michael Moseler教授对本研究工作与论文修改提供了重要指导与支持。

作者介绍

通讯作者：沈彬，上海交通大学教授、博士生导师、国家优青，主要研究方向为高性能表面制造、智能制造。曾获国家科学技术进步奖二等奖、中国机械工业科学技术奖（技术发明奖）一等奖、上海市科技进步二等奖、机械工程学会上银优秀机械博士论文奖（铜奖）、上海市优秀博士论文奖等奖励。作为项目负责人先后主持国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金联合基金项目、国家重点研发计划等国家、省部级纵向课题10余项，在International Journal of Machine Tools and Manufacture、Journal of the American Chemical Society、Chemistry of Materials、Mechanical Systems and Signal Processing、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文100余篇，牵头制订行业技术标准2项，目前担任International Committee for Abrasive Technology（ICAT）青年委员。

第一作者：林强，上海交通大学博士、博士后。主要研究方向为高性能石墨烯/金刚石表面制造、摩擦学/纳米力学、超精密抛光。作为项目负责人获国家自然科学基金青年科学基金、国家资助博士后研究人员计划（B档）资助。曾获第二十二届中国磨粒技术学术会议优秀论文奖与优秀报告奖（4/60）、上海交通大学优秀博士毕业生、上海交通大学潍柴动力奖学金等奖励与荣誉。研究成果在International Journal of Machine Tools and Manufacture、Journal of the American Chemical Society、Carbon、Chemistry of Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文20余篇，授权发明专利1项。