獨(dú)家漿料+3D打印,，蘭大這支團(tuán)隊(duì)取得科研新突破

來源：蘭州大學(xué)

3D打印“獨(dú)家漿料”

實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)超導(dǎo)塊材制備突破

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(gè)洞，可能你會(huì)想盡快把它處理掉,�,？赡闶欠裣脒^，如果任由冰淇淋往下滴,，會(huì)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(duì)用這樣的“冰淇淋”設(shè)計(jì)解決了一個(gè)可控YBa2Cu3O7x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(jì)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(gè)“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(duì)設(shè)計(jì)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,。

△綠色超導(dǎo)YBCO塊材制備工藝示意圖

“獨(dú)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(dú)特的超導(dǎo)性在電機(jī),、磁懸浮運(yùn)輸,、磁透鏡等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。其中，YBa2Cu3O7x（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)�結(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(shí)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(duì)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(huì)時(shí)，時(shí)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(duì)長期關(guān)注此領(lǐng)域,，便提出了期許,。

經(jīng)過近5年的攻堅(jiān)，周又和團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，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(duì)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(shí)現(xiàn)精細(xì)化復(fù)雜可控結(jié)構(gòu)YBCO塊材的制備,，同時(shí)增強(qiáng)漿料的環(huán)保性。

此外,，周又和團(tuán)隊(duì)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(duì)對(duì)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(duì)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(shí)，材料的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為后續(xù)迅速的補(bǔ)氧成相即顯著降低補(bǔ)氧時(shí)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(gè)銀色的永磁體圓盤中，團(tuán)隊(duì)對(duì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn),，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(jí)的超導(dǎo)塊材和超導(dǎo)飛輪,，實(shí)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(duì)于傳統(tǒng)工藝難以實(shí)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(huì)隨形狀的變化而改變,。

事實(shí)上,，要想實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的實(shí)際懸浮應(yīng)用，提高超導(dǎo)體的冷卻速度,、懸浮力和使用時(shí)間這三者缺一不可,。周又和團(tuán)隊(duì)制備出的這一飛輪結(jié)構(gòu)的高空心特性使其能儲(chǔ)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(shí)間,。

“在不遠(yuǎn)的將來,，在無接觸磁懸浮、儲(chǔ)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(huì)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�,！敝苡趾驼f,。

下一步，團(tuán)隊(duì)將著力研究超導(dǎo)材料的增韌改性,，致力于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)塊材的強(qiáng)韌化,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高可加工性，同時(shí)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)。

內(nèi)容來源 | 蘭州大學(xué)黨委宣傳部（新聞中心）

文字 | 蔣云鑫 孔子俊 法伊莎

編輯 | 吳佳妮