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兰州大学周又和团队在YBCO超导块材3D打印制备技术上取得新突破
2021-04-07 13:43:00
兰州大学
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  高温超导YBCO块材因其高临界温度、高临界电流密度和高俘获磁场的优异性能,在无接触磁悬浮、储能旋转机械、准永磁体、混音器、磁透镜、便携式医疗器械、滤波器、航天导航陀螺等新型高性能器件与电磁装置开发研制中有着广泛的应用前景。尤其对于旋转机械、航天导航陀螺和便携式医疗器械的研制开发,在保持超导性的前提下,制备出轻质超导材料是这类应用追求的一个主要目标。

  2015年在浙江大学召开的3个固体力学国家基金委创新研究群体交流会上,时任基金委主任杨卫院士指出:超导材料的固有脆性极大地制约了超导应用的力学性能,其超导性与力学性能是一大矛盾,建议兰州大学将增韧改性进行攻关。随后,在周又和教授的指导下,张兴义教授等人就YBCO块材的烧结制备、纳米钉扎、晶向控制等开展了基础性探索工作。5年前,张强强教授从哈尔滨工业大学获博士学位后,被选留兰州大学土木工程与力学学院工作。他主要从事石墨烯材料的3D打印制备及其性能表征研究,取得了显著成效。在学院的支持下,张强强搭建了3D打印的制备平台。随后,周又和向张兴义和张强强提出了将超导材料增韧列为这一平台上拓展研究的需求与可能实现的设想。在周又和教授的指导下,张兴义教授等人经过两年的摸索攻关,提出了绿色环保的YBCO超导材料高精度直接书写式(DIW)3D打印方法,解决了非牛顿流体陶瓷浆料配比和流变控制难题,随后采用低温冷铸微结构调控策略,克服了超导块材烧结收缩开裂的问题,实现了复杂多尺度多层级、超轻超导块材的高效可控制备。制备的工艺过程如图1所示,通过性能表征,获得了最佳性能的工艺过程参数。

图1. 绿色超导YBCO块材制备工艺示意图

  这一新工艺过程采用的可食用有机材料辅助生成的绿色浆料展现出了优良的DIW流变特性,实现了精细化的复杂可控结构YBCO块材的制备(见图2)。为了解决现有3D打印陶瓷材料中面临的高收缩率问题(原有可到50%),提出的低温冷铸策略,实现了3D打印超导材料高保型性(见图3),为YBCO超导块材的高精度制备奠定了基础。同时,这一新工艺的烧结与补氧耗时均比传统工艺大为缩短,提高了超导材料的制备效率。周又和团队采用3D制备出的多孔、多尺度、多层构型的YBCO块材具有质量密度仅为每立方厘米1.38克,为目前国际最低值,约为传统冷压烧结工艺制备样品的1/3;临界电流密度高于传统烧结方法样品约3.15倍(见后面评审意见中提及)等优点。

图2. 制备的YBCO样品

图3. 经低温冷铸成型后YBCO样品

  这一工艺具有便于工业制备应用的优点,进而可制备出工程或研发部门期待的结构形式。例如,对于航天导航所需的宏观YBCO微旋转陀螺结构,采用传统工艺很难实现,而团队提出的工艺却很容易制备,且性能不受形状的变化而改变。图4给出了这一工艺在CAD设计构型基础上,由3D打印制备出的直径约为40mm的YBCO样品,实现了导航陀螺悬浮的特征。

  团队提出的YBCO超导块材3D打印制备技术,为今后其它需要增韧改性的超导材料3D打印制备奠定了基础,周又和的团队正在就此进行工艺改进及其制备研究。

图4. (a) 按航天导航陀螺悬浮功能需求的CAD设计带孔结构构型;(b、c) 3D打印方法制备出的YBCO超导飞轮样品;(d) 制备的YBCO超导飞轮样品在液氮中悬浮在一永磁体上方的录像截图

  近日,该研究成果以“Efficient Fabrication of Ultralight YBa2Cu3O7−x Superconductors with Programmable Shape and Structure”为题在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》发表。周又和教授与张兴义教授为共同通讯作者,第一作者为周又和的博士生张宝强;张强强教授及其硕士生何鹏、周又和教授的另一博士生马延斌、张兴义的博士生沈磊为其余作者。本文是继周又和研究团队在成功制备出电阻最低、力学强度与本体材料相当的高性能接头材料后,在超导材料改性制备方面的又一次突破。

  该论文评审人认为:作者提出了一种技术先进且具有工业化应用潜力的3D打印YBa2Cu3O7超导陶瓷坯体巧妙制备方法。本论文详细介绍了浆料的制备方法和3D打印过程,文章写作思路清晰、结构良好。结果表明,3D打印制备得到的YBCO结构具有良好的磁悬浮性能,提交的磁悬浮视频很好的证明了这一性质。另一个评审人认为:3D打印制备得到的YBCO样品是多尺度和多层次的多孔结构,这种方式制备得到的超导体能够改善临界电流密度(Jc)并且提高结晶性,特别是对于临界电流密度(Jc),约为传统的冷压烧结样品的3.15倍。作者打印的中空飞轮结构样品证明了其可用于陀螺仪工程中,这种结构构造能够在航天工业中用作导航辅助设备。这种成熟的打印方式所制备的结构具有构造复杂,柔韧,环保和高效的优良特性。

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