西北大學(xué)研究人員3D打印YBCO超導(dǎo)體

2025年2月26日，南極熊獲悉，西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授David Dunand及其費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的合作團(tuán)隊(duì)，利用陶瓷漿料材料擠出（MEX）3D打印工藝，成功制造出YBCO超導(dǎo)體。陶瓷超導(dǎo)材料雖具有優(yōu)異的性能，但其固有的脆性一直是制約更先進(jìn)超導(dǎo)體發(fā)展的瓶頸，David Dunand團(tuán)隊(duì)成功突破這一限制，制造出的YBCO超導(dǎo)體具有更強(qiáng)的功率，有助于降低超導(dǎo)設(shè)備的成本。



研究背景與意義

該團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上，論文題為"增材制造單晶YBCO超導(dǎo)體"。Dunand與加州大學(xué)伯克利分校博士后研究員Dingchang Zhang（前Dunand實(shí)驗(yàn)室學(xué)生）共同擔(dān)任論文通訊作者。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室PIP-II項(xiàng)目經(jīng)理Cristian Boffo也參與了這項(xiàng)研究。

David Dunand教授表示："陶瓷基銅酸鹽是常見的高溫超導(dǎo)體，由于可以使用液氮運(yùn)行，比低溫金屬超導(dǎo)體便宜得多，也更容易使用。但這些材料由于脆性，其可制造的形狀一直受到限制。"為避免受到銅酸鹽脆性的限制，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種方法，成功使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)單晶YBCO——一種普通的多晶超導(dǎo)體。釔鋇銅氧化物（YBCO）是一類具有高溫超導(dǎo)性的晶體化合物家族，它是首個(gè)在液氮沸點(diǎn)以上實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。


△ a 一張微晶格的照片，經(jīng)過3D墨水打�。ňG色狀態(tài)）、燒結(jié)和YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)的單晶生長。
b 經(jīng)過燒結(jié)和頂籽熔融生長后的3D打印晶格橫截面的SEM-BSE顯微照片，展示了通過熔體有效去除孔隙的過程。插圖顯示了Y123基體中的Y211和BaCeO3粒子。
c 單晶生長后3D打印晶格頂部和底部表面的XRD光譜，顯示兩個(gè)表面均為單一c軸取向。
d 高倍放大的逆極圖 (IPF，左) 和相圖 (右)，展示了Y123相（灰色）中Y211相（綠色）的分布。
e 3D打印晶格側(cè)面完整垂直橫截面的拼接IPF圖，使用Y123的立方版本進(jìn)行索引，顯示晶體取向（單晶）。
f 放大的SEM-BSE顯微照片顯示了在單晶生長過程中（用虛線標(biāo)記）會(huì)聚平面上Y211濃度的分布（用圓圈標(biāo)出）。

創(chuàng)新工藝流程

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的工藝過程包括以下步驟：

● 使用商用前驅(qū)體粉末制備墨水；
● 將墨水裝入注射器中，創(chuàng)建YBCO微晶格或其他復(fù)雜的多晶幾何結(jié)構(gòu)；
● 利用熔融生長方法，3D打印的材料在打印部件上形成單晶。

傳統(tǒng)上，塊體超導(dǎo)體通常使用模具壓制的簡(jiǎn)單形式制造，然后進(jìn)行燒結(jié)或加熱，融合壓制的粉末。而研究人員創(chuàng)新性地使用含有YBCO粉末的墨水（漿料），通過3D打印技術(shù)制造復(fù)雜物體進(jìn)行燒結(jié)。研究人員成功消除了材料的晶界，這些晶界是晶體結(jié)構(gòu)中會(huì)降低材料電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的微小缺陷。這一突破使得超導(dǎo)電流更加有效。


△ 3D打印的多晶和單晶物體具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
a 3D打印的YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)水平線圈環(huán)的照片，包括打�。ňG色狀態(tài)）、燒結(jié)、單晶生長（種子標(biāo)記為“S”）、去除基底以及在77 K（LN2：液氮）下的懸浮。去除基底后的樣品旁邊展示了側(cè)視的IPF和相位圖以及頂視的IPF圖。在引入持久場(chǎng)/電流后，生成磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的演化情況顯示時(shí)間長達(dá)1000 秒。
b 3D打印、燒結(jié)、單晶化和懸浮管的照片。展示了種子表面的SEM-BSE顯微照片。磁場(chǎng)隨外部施加磁場(chǎng)變化的測(cè)量結(jié)果顯示在管內(nèi)的磁場(chǎng)情況。
c 3D打印、燒結(jié)、單晶化（去掉基底）和懸浮環(huán)形線圈的照片。展示了種子表面的SEM-BSE顯微照片。SEM-BSE顯微照片和橫截面的IPF圖顯示了高致密化，單獨(dú)的墨水沉積線彼此融合。打印路徑也進(jìn)行了說明。
d 3D打印的綠色板的照片及綠色晶格帶的示意圖。后續(xù)的照片展示了經(jīng)過折紙折疊、燒結(jié)（未進(jìn)行單晶生長）以及懸浮后的船、飛機(jī)和晶格帶。

應(yīng)用前景

Dingchang Zhang表示："人們已經(jīng)在材料塊中制造出單晶，我們證明可以將這種技術(shù)與3D打印結(jié)合使用。在我們的工藝中，我們可以制造復(fù)雜的形狀，比如環(huán)形線圈，在頂部放置單晶種子。這些3D打印部件通過受控的工藝窗口部分熔化，轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉�，同時(shí)保持原有的3D打印形狀。"

Cristian Boffo："在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，我們正在開發(fā)下一代超導(dǎo)磁體，這將推動(dòng)未來幾十年的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這次合作開發(fā)的技術(shù)將實(shí)現(xiàn)以前無法想象的設(shè)計(jì)，從而提升我們的發(fā)展?jié)摿Α?