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綠色超導(dǎo)YBCO塊材制備工藝示意圖

想象一下，如果握在手里的甜筒冰淇淋化了，而甜筒殼底部恰好破了個洞，可能你會想盡快把它處理掉?？赡闶欠裣脒^，如果任由冰淇淋往下滴，會滴出怎樣的圖景？
近期，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院周又和教授團(tuán)隊用這樣的“冰淇淋”設(shè)計解決了一個可控YBa2Cu3O7?x超導(dǎo)材料制備的國際難題，相關(guān)成果《一種形狀及結(jié)構(gòu)可裁剪設(shè)計的超輕釔鋇銅氧超導(dǎo)體高效制備方式》發(fā)表在國際著名期刊《先進(jìn)功能材料》。在這個“冰淇淋”中，類似甜筒外殼的裝置叫做3D打印噴頭，“甜筒”里裝的則是經(jīng)過數(shù)次配比而成的YBCO超導(dǎo)塊材漿料。在團(tuán)隊設(shè)計的程序控制下，漿料自如地從噴頭中滴落，按照既定“路線”打印出具有復(fù)雜形狀的超導(dǎo)樣品。
“獨家漿料”+低溫冷鑄 解決收縮坍塌與隨機(jī)裂紋難題
一直以來，超導(dǎo)塊材因其獨特的超導(dǎo)性在電機(jī)、磁懸浮運輸、磁透鏡等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，YBa2Cu3O7?x（YBCO）作為一種高臨界溫度、高臨界電流密度和高俘獲磁場的優(yōu)質(zhì)超導(dǎo)塊材，更是在準(zhǔn)永磁體、懸浮裝置等方面顯示出良好的應(yīng)用前景。
但由于YBCO氧化物陶瓷的本征脆性，再加上高溫?zé)Y(jié)制備過程中由于溫度變化引起的機(jī)械應(yīng)力，傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)制備出的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(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)的制備和塑形要求，從而難以直接加工生產(chǎn)。
“超導(dǎo)材料的固有脆性極大地制約了超導(dǎo)應(yīng)用的力學(xué)性能，其超導(dǎo)性與力學(xué)性能是一大矛盾，建議蘭州大學(xué)針對增韌改性進(jìn)行攻關(guān)。”2015年在浙江大學(xué)召開固體力學(xué)國家基金委創(chuàng)新研究群體交流會時，時任國家自然科學(xué)基金委主任楊衛(wèi)院士得知周又和團(tuán)隊長期關(guān)注此領(lǐng)域，便提出了期許。
經(jīng)過近5年的攻堅，周又和團(tuán)隊成功探索出高精度直接書寫式（DIW）3D打印技術(shù)，將YBCO打印程序直接編寫輸入到3D打印設(shè)備中，加上打印漿料即可直接打印。他們發(fā)現(xiàn)，3D打印出的樣品結(jié)構(gòu)具有多尺度、多層次的多孔結(jié)構(gòu)和密度低的特點，能使超導(dǎo)塊材的結(jié)晶性和臨界電流密度更好，熱交換能力也更高。
經(jīng)過多次調(diào)試，團(tuán)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(huán)氧化大豆油兩種可食用有機(jī)輔料，使得調(diào)制出的漿料具有優(yōu)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(shè)定控制流速，實現(xiàn)精細(xì)化復(fù)雜可控結(jié)構(gòu)YBCO塊材的制備，同時增強(qiáng)漿料的環(huán)保性。
此外，周又和團(tuán)隊還考慮通過低溫冷鑄微結(jié)構(gòu)調(diào)控解決材料收縮難題。團(tuán)隊對3D打印而成的濕樣品進(jìn)行冷凍干燥，低溫環(huán)境下冰晶的定向擠壓使得材料內(nèi)部的前驅(qū)粒子緊密接觸并有序排列，進(jìn)一步克服了YBCO塊材燒結(jié)收縮開裂的問題，將YBCO的收縮率由傳統(tǒng)的50%降低到基本不收縮。
經(jīng)過上述攻關(guān)，周又和團(tuán)隊成功制備出尺度40mm，質(zhì)量密度僅為每立方厘米1.38克的超輕質(zhì)YBCO超導(dǎo)塊材。這一YBCO塊材不僅具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高超導(dǎo)性的優(yōu)良特性，將YBCO塊材的臨界電流密度提高到了傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)樣品的3.15倍，其密度值也為目前國際最低，約為傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)工藝制備樣品的1/3。同時，材料的多孔結(jié)構(gòu)特點為后續(xù)迅速的補(bǔ)氧成相即顯著降低補(bǔ)氧時間奠定了基礎(chǔ)，其制備效率將得到大幅度提升。
制備出液氮內(nèi)懸浮的航天陀螺飛輪模型

3D打印制備的超導(dǎo)陀螺模型樣品懸浮過程截圖

在一個銀色的永磁體圓盤中，團(tuán)隊對制備出的YBCO航天導(dǎo)航陀螺模型樣品進(jìn)行可懸浮、旋轉(zhuǎn)驗證實驗，三角結(jié)構(gòu)的黑色小飛輪懸浮于圓盤之上，可自如流暢地旋轉(zhuǎn)超過2分鐘。由該3D打印制備出的厘米尺度級的超導(dǎo)塊材和超導(dǎo)飛輪，實現(xiàn)了在液氮溫度下航天陀螺飛輪懸浮及旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
比如，具有特定結(jié)構(gòu)的三維印制YBCO晶格結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于高溫超導(dǎo)濾波器，為5G通信和軍事設(shè)備提供更好的服務(wù)。對于傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的航天導(dǎo)航所需的宏觀YBCO旋轉(zhuǎn)陀螺結(jié)構(gòu)，新工藝也能輕易制備，且性能不會隨形狀的變化而改變。
事實上，要想實現(xiàn)超導(dǎo)體的實際懸浮應(yīng)用，提高超導(dǎo)體的冷卻速度、懸浮力和使用時間這三者缺一不可。周又和團(tuán)隊制備出的這一飛輪結(jié)構(gòu)的高空心特性使其能儲存更多的液氮，從而降低材料溫度升高的速率并增加懸浮時間。
“在不遠(yuǎn)的將來，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉(zhuǎn)機(jī)械、準(zhǔn)永磁體、混音器、磁透鏡、便攜式醫(yī)療器械、濾波器、航天導(dǎo)航陀螺等新型高性能器件與電磁裝置中，將會出現(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)塊材，影響著人們的生活和發(fā)展。”周又和說。
下一步，團(tuán)隊將著力研究超導(dǎo)材料的增韌改性，致力于實現(xiàn)超導(dǎo)塊材的強(qiáng)韌化，進(jìn)而實現(xiàn)高可加工性，同時進(jìn)一步提高3D打印制備樣品的臨界電流，為超輕、可控制備的YBCO超導(dǎo)塊材的應(yīng)用筑牢基礎(chǔ)。