3D打印“獨家漿料”，實現輕質超導塊材製備突破

想象一下，如果握在手裏的甜筒冰淇淋化了，而甜筒殼底部恰好破了個(ge) 洞，可能你會(hui) 想盡快把它處理掉。可你是否想過，如果任由冰淇淋往下滴，會(hui) 滴出怎樣的圖景？

近期，蘭(lan) 州大學土木工程與(yu) 力學學院周又和教授團隊用這樣的“冰淇淋”設計解決(jue) 了一個(ge) 可控YBa2Cu3O7x超導材料製備的國際難題，相關(guan) 成果《一種形狀及結構可裁剪設計的超輕釔鋇銅氧超導體(ti) 高效製備方式》發表在國際著名期刊《先進功能材料》。在這個(ge) “冰淇淋”中，類似甜筒外殼的裝置叫做3D打印噴頭，“甜筒”裏裝的則是經過數次配比而成的YBCO超導塊材漿料。在團隊設計的程序控製下，漿料自如地從(cong) 噴頭中滴落，按照既定“路線”打印出具有複雜形狀的超導樣品。

綠色超導YBCO塊材製備工藝示意圖

“獨家漿料”+低溫冷鑄，解決(jue) 收縮坍塌與(yu) 隨機裂紋難題

一直以來，超導塊材因其獨特的超導性在電機、磁懸浮運輸、磁透鏡等領域具有廣泛的應用前景。其中，YBa2Cu3O7x（YBCO）作為(wei) 一種高臨(lin) 界溫度、高臨(lin) 界電流密度和高俘獲磁場的優(you) 質超導塊材，更是在準永磁體(ti) 、懸浮裝置等方麵顯示出良好的應用前景。

但由於(yu) YBCO氧化物陶瓷的本征脆性，再加上高溫燒結製備過程中由於(yu) 溫度變化引起的機械應力，傳(chuan) 統冷壓燒結製備出的YBCO塊材往往存在大量無序裂紋和大幅度收縮變形，無法實現各種形狀、各種結構的製備和塑形要求，從(cong) 而難以直接加工生產(chan) 。

“超導材料的固有脆性極大地製約了超導應用的力學性能，其超導性與(yu) 力學性能是一大矛盾，建議蘭(lan) 州大學針對增韌改性進行攻關(guan) 。”2015年在浙江大學召開固體(ti) 力學國家基金委創新研究群體(ti) 交流會(hui) 時，時任國家自然科學基金委主任楊衛院士得知周又和團隊長期關(guan) 注此領域，便提出了期許。

經過近5年的攻堅，周又和團隊成功探索出高精度直接書(shu) 寫(xie) 式（DIW）3D打印技術，將YBCO打印程序直接編寫(xie) 輸入到3D打印設備中，加上打印漿料即可直接打印。他們(men) 發現，3D打印出的樣品結構具有多尺度、多層次的多孔結構和密度低的特點，能使超導塊材的結晶性和臨(lin) 界電流密度更好，熱交換能力也更高。

經過多次調試，團隊最終確定了氧化釔、碳酸鋇和氧化銅的合適配比，其中還加入羧甲基纖維素鈉和環氧化大豆油兩(liang) 種可食用有機輔料，使得調製出的漿料具有優(you) 良的流變特性，就像一條毫無阻礙、順流而下的河流一樣，能夠完全按照程序設定控製流速，實現精細化複雜可控結構YBCO塊材的製備，同時增強漿料的環保性。

此外，周又和團隊還考慮通過低溫冷鑄微結構調控解決(jue) 材料收縮難題。團隊對3D打印而成的濕樣品進行冷凍幹燥，低溫環境下冰晶的定向擠壓使得材料內(nei) 部的前驅粒子緊密接觸並有序排列，進一步克服了YBCO塊材燒結收縮開裂的問題，將YBCO的收縮率由傳(chuan) 統的50%降低到基本不收縮。

經過上述攻關(guan) ，周又和團隊成功製備出尺度40mm，質量密度僅(jin) 為(wei) 每立方厘米1.38克的超輕質YBCO超導塊材。這一YBCO塊材不僅(jin) 具有結構複雜、高超導性的優(you) 良特性，將YBCO塊材的臨(lin) 界電流密度提高到了傳(chuan) 統冷壓燒結樣品的3.15倍，其密度值也為(wei) 目前國際最低，約為(wei) 傳(chuan) 統冷壓燒結工藝製備樣品的1/3。同時，材料的多孔結構特點為(wei) 後續迅速的補氧成相即顯著降低補氧時間奠定了基礎，其製備效率將得到大幅度提升。

製備出液氮內(nei) 懸浮的航天陀螺飛輪模型

3D打印製備的超導陀螺模型樣品懸浮過程截圖

在一個(ge) 銀色的永磁體(ti) 圓盤中，團隊對製備出的YBCO航天導航陀螺模型樣品進行可懸浮、旋轉驗證實驗，三角結構的黑色小飛輪懸浮於(yu) 圓盤之上，可自如流暢地旋轉超過2分鍾。由該3D打印製備出的厘米尺度級的超導塊材和超導飛輪，實現了在液氮溫度下航天陀螺飛輪懸浮及旋轉，進而為(wei) 工程應用奠定了基礎。

比如，具有特定結構的三維印製YBCO晶格結構可應用於(yu) 高溫超導濾波器，為(wei) 5G通信和軍(jun) 事設備提供更好的服務。對於(yu) 傳(chuan) 統工藝難以實現的航天導航所需的宏觀YBCO旋轉陀螺結構，新工藝也能輕易製備，且性能不會(hui) 隨形狀的變化而改變。

事實上，要想實現超導體(ti) 的實際懸浮應用，提高超導體(ti) 的冷卻速度、懸浮力和使用時間這三者缺一不可。周又和團隊製備出的這一飛輪結構的高空心特性使其能儲(chu) 存更多的液氮，從(cong) 而降低材料溫度升高的速率並增加懸浮時間。

“在不遠的將來，在無接觸磁懸浮、儲(chu) 能旋轉機械、準永磁體(ti) 、混音器、磁透鏡、便攜式醫療器械、濾波器、航天導航陀螺等新型高性能器件與(yu) 電磁裝置中，將會(hui) 出現各種形狀、各種結構的超導塊材，影響著人們(men) 的生活和發展。”周又和說。

下一步，團隊將著力研究超導材料的增韌改性，致力於(yu) 實現超導塊材的強韌化，進而實現高可加工性，同時進一步提高3D打印製備樣品的臨(lin) 界電流，為(wei) 超輕、可控製備的YBCO超導塊材的應用築牢基礎。