美西北大學與費米實驗室3D打印技術，解鎖單晶YBCO超導體的高性能復雜設計

2025年3月4日，南極熊獲悉，美國西北大學與費米國家加速器實驗室的科研人員，成功開發(fā)出一種創(chuàng)新的3D打印方法，能夠制造出具有復雜設計的單晶釔鋇銅氧化物（YBCO）超導體。

△相關研究成果已發(fā)表于近期《自然通訊》期刊上，題目為“增材制造單晶 YBCO 超導體”（傳送門）

YBCO是一種廣泛應用于醫(yī)療成像、能源研究以及磁懸浮交通等領域的高性能超導材料。然而，傳統(tǒng)的單晶YBCO超導體由于具有脆弱性，在成型過程中僅限于簡單的形狀，如圓柱體或塊體。而現(xiàn)有的3D打印技術雖然能夠制造形狀復雜的多晶YBCO超導體，但它的晶界較弱，限制了電流的承載能力。

為了解決這一挑戰(zhàn)，西北大學和費米實驗室的研究人員開發(fā)了一種獨特的兩步工藝。該工藝首先利用3D打印技術制造出多晶結(jié)構(gòu)的YBCO，隨后通過一個精密的后處理步驟將這些多晶材料轉(zhuǎn)化為單晶，同時保留了材料本身的優(yōu)異電學性能和復雜的幾何設計能力。

△圖片顯示了使用直徑為250μm的噴嘴從下到上逐層打印的環(huán)形線圈

從多晶到單晶精密

這種新型工藝首先使用3D打印技術，通過250μm噴嘴擠出含有氧化釔（Y₂O₃）、碳酸鋇（BaCO₃）和氧化銅（CuO）的專用墨水，形成精細結(jié)構(gòu)。隨著溶劑的蒸發(fā)，結(jié)構(gòu)強度逐漸增強。隨后，在1000°C下燒結(jié)20小時，將材料轉(zhuǎn)化為致密且多晶的YBCO超導體。

關鍵的第二階段涉及引入69%的釔鋇銅氧化物（Y123）、30%的綠色相Y211和1%的氧化鈰，并進行第二次熱處理，溫度達到1090°C。在這一階段，將NdBCO種子晶體放置在結(jié)構(gòu)頂部。通過以每小時0.5K的速率控制冷卻，材料得以重新組織成單晶形式，消除了阻礙電流流動的晶粒邊界。

測試顯示，在77K（液氮溫度）下，單晶版本的電流承載能力是多晶版本的66倍。在10K下，載流能力提升了180倍。盡管在加工過程中引入了微量雜質(zhì)，工作溫度仍保持在88至89.5K之間，略低于理論上的93K。

△3D打印具有復雜結(jié)構(gòu)的多晶和單晶物體

在高溫超導體加工中，一個主要問題是在極熱的液相中容易發(fā)生崩潰或變形。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)Y₂BaCuO₅ (Y211)粒子作為內(nèi)置的穩(wěn)定框架，可防止結(jié)構(gòu)塌陷或下垂。滲透理論解釋了固體粒子網(wǎng)絡如何維持材料的完整性，即使部分材料液化。

為了證明該方法的實用性，研究團隊3D打印了多個復雜的超導結(jié)構(gòu)，包括懸浮環(huán)形線圈、磁屏蔽管和折紙設計。這些結(jié)構(gòu)若使用傳統(tǒng)單晶生長技術幾乎無法制造。它們的應用潛力包括粒子加速器、同步加速器波蕩器和用于暗物質(zhì)軸子搜索的微波腔。

盡管新工藝取得了顯著進展，但仍存在一些小缺陷，如晶體取向錯位的小區(qū)域、局部孔隙區(qū)域和氧化過程中形成的微裂紋。這些裂紋若對機械和超導性能產(chǎn)生不利影響，可以通過添加銀來緩解。未來研究將探索這一方法。

最后，研究人員指出，這項研究不僅限于超導體。相同的原理可以應用于壓電、熱電、光伏和有機半導體材料，為能量收集、電子和先進材料開發(fā)開辟新的可能性。