想象一下，如果握在手里的甜筒冰激凌化了，而甜筒殼底部恰好破了個洞，任由冰激凌往下滴，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“冰激凌”設計，解決了一個可控超導材料制備的國際難題。
在這個“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，可按照既定“路線”打印出具有復雜形狀的超導樣品。
“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，高溫超導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異性能，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉機械、準永磁體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，傳統冷壓燒結制備無法實現各種形狀、各種結構的制備和塑形要求。
“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，采用低溫冷鑄微結構調控策略，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，為YBCO超導塊材的高精度制備奠定了基礎。
該團隊制備出的超輕質YBCO超導塊不僅具有結構復雜、高超導性的優良特性，還將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縮短補氧耗時奠定了基礎，其制備效率將得到大幅度提升。近日，相關成果以《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》為題在國際著名期刊《先進功能材料》發表。
制備出液氮內懸浮的航天陀螺飛輪模型
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。周又和團隊在銀色的永磁體圓盤中對制備出的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。
該團隊制備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。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，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。
“在不遠的將來，在混音器、磁透鏡、便攜式醫療器械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。(孔子俊 杜英)
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