3D打印制備的超導(dǎo)陀螺模型樣品懸浮過程截圖

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)制備出的超輕質(zhì)YBCO超導(dǎo)塊，不僅具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高超導(dǎo)性的優(yōu)良特性，且其臨界電流密度還提高到了傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)樣品的3.15倍，其密度值也為目前國際最低。

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，任由冰淇淋往下滴，會滴出怎樣的圖景？科技日報(bào)記者5月23日從蘭州大學(xué)獲悉，該校土木工程與力學(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)可控超導(dǎo)材料制備的國際難題。相關(guān)成果近日發(fā)表在國際著名期刊《先進(jìn)功能材料》上。

在這個(gè)“冰淇淋”中，類似甜筒外殼的裝置叫作3D打印噴頭，“甜筒”里裝的則是經(jīng)過數(shù)次配比而成的YBCO（釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)體）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，可按照既定“路線”打印出具有復(fù)雜形狀的超導(dǎo)樣品。

一直以來，高溫超導(dǎo)YBCO塊材因其高臨界溫度、高臨界電流密度和高俘獲磁場的優(yōu)異性能，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉(zhuǎn)機(jī)械、準(zhǔn)永磁體等方面顯示出良好的應(yīng)用前景。但由于制備YBCO塊材的原材料——YBCO氧化物陶瓷自帶本征脆性，再加上高溫?zé)Y(jié)制備過程中溫度變化引起的機(jī)械應(yīng)力，傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)制備無法實(shí)現(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)的制備和塑形要求。

“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)?！?015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(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，就未來研究方向與周又和進(jìn)行了深入探討。

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)，采用低溫冷鑄微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，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，為YBCO超導(dǎo)塊材的高精度制備奠定了基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)制備出的超輕質(zhì)YBCO超導(dǎo)塊不僅具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高超導(dǎo)性的優(yōu)良特性，還將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)也為后續(xù)縮短補(bǔ)氧耗時(shí)奠定了基礎(chǔ)，使其制備效率得到大幅度提升。

由該3D打印設(shè)備制備出的厘米尺度級的超導(dǎo)塊材，比如具有特定結(jié)構(gòu)的3D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)。而由該3D打印設(shè)備制備出的超導(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)，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

周又和說，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)易加工性，同時(shí)進(jìn)一步提高3D打印制備樣品的臨界電流，為超輕YBCO超導(dǎo)塊材的可控制備和未來應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?？鬃涌?杜 英

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