西北大學研究人員3D打印YBCO超導體

2025年2月26日，南極熊獲悉，西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程教授David Dunand及其費米實驗室的合作團隊，利用陶瓷漿料材料擠出（MEX）3D打印工藝，成功制造出YBCO超導體。陶瓷超導材料雖具有優(yōu)異的性能，但其固有的脆性一直是制約更先進超導體發(fā)展的瓶頸，David Dunand團隊成功突破這一限制，制造出的YBCO超導體具有更強的功率，有助于降低超導設備的成本。



研究背景與意義

該團隊的研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上，論文題為"增材制造單晶YBCO超導體"。Dunand與加州大學伯克利分校博士后研究員Dingchang Zhang（前Dunand實驗室學生）共同擔任論文通訊作者。費米實驗室PIP-II項目經理Cristian Boffo也參與了這項研究。

David Dunand教授表示："陶瓷基銅酸鹽是常見的高溫超導體，由于可以使用液氮運行，比低溫金屬超導體便宜得多，也更容易使用。但這些材料由于脆性，其可制造的形狀一直受到限制。"為避免受到銅酸鹽脆性的限制，研究團隊開發(fā)出一種方法，成功使用增材制造技術生產單晶YBCO——一種普通的多晶超導體。釔鋇銅氧化物（YBCO）是一類具有高溫超導性的晶體化合物家族，它是首個在液氮沸點以上實現超導的材料。


△ a 一張微晶格的照片，經過3D墨水打印（綠色狀態(tài)）、燒結和YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)的單晶生長。
b 經過燒結和頂籽熔融生長后的3D打印晶格橫截面的SEM-BSE顯微照片，展示了通過熔體有效去除孔隙的過程。插圖顯示了Y123基體中的Y211和BaCeO3粒子。
c 單晶生長后3D打印晶格頂部和底部表面的XRD光譜，顯示兩個表面均為單一c軸取向。
d 高倍放大的逆極圖 (IPF，左) 和相圖 (右)，展示了Y123相（灰色）中Y211相（綠色）的分布。
e 3D打印晶格側面完整垂直橫截面的拼接IPF圖，使用Y123的立方版本進行索引，顯示晶體取向（單晶）。
f 放大的SEM-BSE顯微照片顯示了在單晶生長過程中（用虛線標記）會聚平面上Y211濃度的分布（用圓圈標出）。

創(chuàng)新工藝流程

研究團隊開發(fā)的工藝過程包括以下步驟：

● 使用商用前驅體粉末制備墨水；
● 將墨水裝入注射器中，創(chuàng)建YBCO微晶格或其他復雜的多晶幾何結構；
● 利用熔融生長方法，3D打印的材料在打印部件上形成單晶。

傳統(tǒng)上，塊體超導體通常使用模具壓制的簡單形式制造，然后進行燒結或加熱，融合壓制的粉末。而研究人員創(chuàng)新性地使用含有YBCO粉末的墨水（漿料），通過3D打印技術制造復雜物體進行燒結。研究人員成功消除了材料的晶界，這些晶界是晶體結構中會降低材料電導率和熱導率的微小缺陷。這一突破使得超導電流更加有效。


△ 3D打印的多晶和單晶物體具有復雜的結構。
a 3D打印的YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)水平線圈環(huán)的照片，包括打印（綠色狀態(tài)）、燒結、單晶生長（種子標記為“S”）、去除基底以及在77 K（LN2：液氮）下的懸浮。去除基底后的樣品旁邊展示了側視的IPF和相位圖以及頂視的IPF圖。在引入持久場/電流后，生成磁場隨時間變化的演化情況顯示時間長達1000 秒。
b 3D打印、燒結、單晶化和懸浮管的照片。展示了種子表面的SEM-BSE顯微照片。磁場隨外部施加磁場變化的測量結果顯示在管內的磁場情況。
c 3D打印、燒結、單晶化（去掉基底）和懸浮環(huán)形線圈的照片。展示了種子表面的SEM-BSE顯微照片。SEM-BSE顯微照片和橫截面的IPF圖顯示了高致密化，單獨的墨水沉積線彼此融合。打印路徑也進行了說明。
d 3D打印的綠色板的照片及綠色晶格帶的示意圖。后續(xù)的照片展示了經過折紙折疊、燒結（未進行單晶生長）以及懸浮后的船、飛機和晶格帶。

應用前景

Dingchang Zhang表示："人們已經在材料塊中制造出單晶，我們證明可以將這種技術與3D打印結合使用。在我們的工藝中，我們可以制造復雜的形狀，比如環(huán)形線圈，在頂部放置單晶種子。這些3D打印部件通過受控的工藝窗口部分熔化，轉變?yōu)閱尉В�同時保持原有的3D打印形狀。"

Cristian Boffo："在費米實驗室，我們正在開發(fā)下一代超導磁體，這將推動未來幾十年的科學實驗。這次合作開發(fā)的技術將實現以前無法想象的設計，從而提升我們的發(fā)展?jié)摿Α?