3D打印“獨家漿料”，實現輕質超導塊材制備突破
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洞，可能你會想盡快把它處理掉。可你是否想過，如果任由冰淇淋往下滴，會滴出怎樣的圖景？
近期，蘭州大學土木工程與力學學院周又和教授團隊用這樣的“冰淇淋”設計解決了一個可控YBa2Cu3O7x超導材料制備的國際難題，相關成果《一種形狀及結構可裁剪設計的超輕釔鋇銅氧超導體高效制備方式》發表在國際著名期刊《先進功能材料》。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”里裝的則是經過數次配比而成的YBCO超導塊材漿料。在團隊設計的程序控制下，漿料自如地從噴頭中滴落，按照既定“路線”打印出具有復雜形狀的超導樣品。
綠色超導YBCO塊材制備工藝示意圖
“獨家漿料”+低溫冷鑄，解決收縮坍塌與隨機裂紋難題
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）作為一種高臨界溫度、高臨界電流密度和高俘獲磁場的優質超導塊材，更是在準永磁體、懸浮裝置等方面顯示出良好的應用前景。
但由于YBCO氧化物陶瓷的本征脆性，再加上高溫燒結制備過程中由于溫度變化引起的機械應力，傳統冷壓燒結制備出的YBCO塊材往往存在大量無序裂紋和大幅度收縮變形，無法實現各種形狀、各種結構的制備和塑形要求，從而難以直接加工生產。
“超導材料的固有脆性極大地制約了超導應用的力學性能，其超導性與力學性能是一大矛盾，建議蘭州大學針對增韌改性進行攻關。”2015年在浙江大學召開固體力學國家基金委創新研究群體交流會時，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寫式（DIW）3D打印技術，將YBCO打印程序直接編寫輸入到3D打印設備中，加上打印漿料即可直接打印。他們發現，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種可食用有機輔料，使得調制出的漿料具有優良的流變特性，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制流速，實現精細化復雜可控結構YBCO塊材的制備，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材料收縮難題。團隊對3D打印而成的濕樣品進行冷凍干燥，低溫環境下冰晶的定向擠壓使得材料內部的前驅粒子緊密接觸并有序排列，進一步克服了YBCO塊材燒結收縮開裂的問題，將YBCO的收縮率由傳統的50%降低到基本不收縮。
經過上述攻關，周又和團隊成功制備出尺度40mm，質量密度僅為每立方厘米1.38克的超輕質YBCO超導塊材。這一YBCO塊材不僅具有結構復雜、高超導性的優良特性，將YBCO塊材的臨界電流密度提高到了傳統冷壓燒結樣品的3.15倍，其密度值也為目前國際最低，約為傳統冷壓燒結工藝制備樣品的1/3。同時，材料的多孔結構特點為后續迅速的補氧成相即顯著降低補氧時間奠定了基礎，其制備效率將得到大幅度提升。
制備出液氮內懸浮的航天陀螺飛輪模型
3D打印制備的超導陀螺模型樣品懸浮過程截圖
在一個銀色的永磁體圓盤中，團隊對制備出的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于圓盤之上，可自如流暢地旋轉超過2分鐘。由該3D打印制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，進而為工程應用奠定了基礎。
比如，具有特定結構的三維印制YBCO晶格結構可應用于高溫超導濾波器，為5G通信和軍事設備提供更好的服務。對于傳統工藝難以實現的航天導航所需的宏觀YBCO旋轉陀螺結構，新工藝也能輕易制備，且性能不會隨形狀的變化而改變。
事實上，要想實現超導體的實際懸浮應用，提高超導體的冷卻速度、懸浮力和使用時間這三者缺一不可。周又和團隊制備出的這一飛輪結構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。
“在不遠的將來，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉機械、準永磁體、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電磁裝置中，將會出現各種形狀、各種結構的超導塊材，影響著人們的生活和發展。”周又和說。
下一步，團隊將著力研究超導材料的增韌改性，致力于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打印制備樣品的臨界電流，為超輕、可控制備的YBCO超導塊材的應用筑牢基礎。
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