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(shè)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(jīng)過數(shù)次配比而成的YBCO超導塊材漿料。在團隊設(shè)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(yōu)異性能，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉(zhuǎn)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(jié)制備過程中由于溫度變化引起的機械應力，傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)制備無法實現(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)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(guān)。”2015年在浙江大學召開固體力學國家基金委創(chuàng)新研究群體交流會時，時任國家自然科學基金委主任楊衛(wèi)院士得知周又和團隊長期關(guān)注此領(lǐng)域，便提出了期許。
經(jīng)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(shù)，采用低溫冷鑄微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，進一步克服了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超導塊材的高精度制備奠定了基礎(chǔ)。
該團隊制備出的超輕質(zhì)YBCO超導塊不僅具有結(jié)構(gòu)復雜、高超導性的優(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，材料的多孔結(jié)構(gòu)特點為后續(xù)縮短補氧耗時奠定了基礎(chǔ)，其制備效率將得到大幅度提升。近日，相關(guān)成果以《一種形狀及結(jié)構(gòu)可裁剪設(shè)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(fā)表。
制備出液氮內(nèi)懸浮的航天陀螺飛輪模型
事實上，要想實現(xiàn)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(zhuǎn)驗證實驗，三角結(jié)構(gòu)的黑色小飛輪懸浮于圓盤之上，可自如流暢地旋轉(zhuǎn)超過2分鐘。
該團隊制備的這一飛輪結(jié)構(gòu)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(xiàn)了在液氮溫度下航天陀螺飛輪懸浮及旋轉(zhuǎn)，為工程應用奠定了基礎(chǔ)。比如，具有特定結(jié)構(gòu)的三維印制YBCO晶格結(jié)構(gòu)可應用于高溫超導濾波器，為5G通信和軍事設(shè)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(yī)療器械等新型高性能器件與電磁裝置中，將會出現(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)的超導塊材，影響著人們的生活和發(fā)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(xiàn)超導塊材的強韌化，進而實現(xiàn)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(chǔ)。(孔子俊 杜英)
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