绿色超导YBCO块材制备工艺示意图

想象一下，如果握在手里的甜筒冰淇淋化了，而甜筒壳底部恰好破了个洞，可能你会想尽快把它处理掉。可你是否想过，如果任由冰淇淋往下滴，会滴出怎样的图景？
近期，兰州大学土木工程与力学学院周又和教授团队用这样的“冰淇淋”设计解决了一个可控YBa2Cu3O7−x超导材料制备的国际难题，相关成果《一种形状及结构可裁剪设计的超轻钇钡铜氧超导体高效制备方式》发表在国际著名期刊《先进功能材料》。在这个“冰淇淋”中，类似甜筒外壳的装置叫做3D打印喷头，“甜筒”里装的则是经过数次配比而成的YBCO超导块材浆料。在团队设计的程序控制下，浆料自如地从喷头中滴落，按照既定“路线”打印出具有复杂形状的超导样品。
“独家浆料”+低温冷铸 解决收缩坍塌与随机裂纹难题
一直以来，超导块材因其独特的超导性在电机、磁悬浮运输、磁透镜等领域具有广泛的应用前景。其中，YBa2Cu3O7−x（YBCO）作为一种高临界温度、高临界电流密度和高俘获磁场的优质超导块材，更是在准永磁体、悬浮装置等方面显示出良好的应用前景。
但由于YBCO氧化物陶瓷的本征脆性，再加上高温烧结制备过程中由于温度变化引起的机械应力，传统冷压烧结制备出的YBCO块材往往存在大量无序裂纹和大幅度收缩变形，无法实现各种形状、各种结构的制备和塑形要求，从而难以直接加工生产。
“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，建议兰州大学针对增韧改性进行攻关。”2015年在浙江大学召开固体力学国家基金委创新研究群体交流会时，时任国家自然科学基金委主任杨卫院士得知周又和团队长期关注此领域，便提出了期许。
经过近5年的攻坚，周又和团队成功探索出高精度直接书写式（DIW）3D打印技术，将YBCO打印程序直接编写输入到3D打印设备中，加上打印浆料即可直接打印。他们发现，3D打印出的样品结构具有多尺度、多层次的多孔结构和密度低的特点，能使超导块材的结晶性和临界电流密度更好，热交换能力也更高。
经过多次调试，团队最终确定了氧化钇、碳酸钡和氧化铜的合适配比，其中还加入羧甲基纤维素钠和环氧化大豆油两种可食用有机辅料，使得调制出的浆料具有优良的流变特性，就像一条毫无阻碍、顺流而下的河流一样，能够完全按照程序设定控制流速，实现精细化复杂可控结构YBCO块材的制备，同时增强浆料的环保性。
此外，周又和团队还考虑通过低温冷铸微结构调控解决材料收缩难题。团队对3D打印而成的湿样品进行冷冻干燥，低温环境下冰晶的定向挤压使得材料内部的前驱粒子紧密接触并有序排列，进一步克服了YBCO块材烧结收缩开裂的问题，将YBCO的收缩率由传统的50%降低到基本不收缩。
经过上述攻关，周又和团队成功制备出尺度40mm，质量密度仅为每立方厘米1.38克的超轻质YBCO超导块材。这一YBCO块材不仅具有结构复杂、高超导性的优良特性，将YBCO块材的临界电流密度提高到了传统冷压烧结样品的3.15倍，其密度值也为目前国际最低，约为传统冷压烧结工艺制备样品的1/3。同时，材料的多孔结构特点为后续迅速的补氧成相即显著降低补氧时间奠定了基础，其制备效率将得到大幅度提升。
制备出液氮内悬浮的航天陀螺飞轮模型

3D打印制备的超导陀螺模型样品悬浮过程截图

在一个银色的永磁体圆盘中，团队对制备出的YBCO航天导航陀螺模型样品进行可悬浮、旋转验证实验，三角结构的黑色小飞轮悬浮于圆盘之上，可自如流畅地旋转超过2分钟。由该3D打印制备出的厘米尺度级的超导块材和超导飞轮，实现了在液氮温度下航天陀螺飞轮悬浮及旋转，进而为工程应用奠定了基础。
比如，具有特定结构的三维印制YBCO晶格结构可应用于高温超导滤波器，为5G通信和军事设备提供更好的服务。对于传统工艺难以实现的航天导航所需的宏观YBCO旋转陀螺结构，新工艺也能轻易制备，且性能不会随形状的变化而改变。
事实上，要想实现超导体的实际悬浮应用，提高超导体的冷却速度、悬浮力和使用时间这三者缺一不可。周又和团队制备出的这一飞轮结构的高空心特性使其能储存更多的液氮，从而降低材料温度升高的速率并增加悬浮时间。
“在不远的将来，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中，将会出现各种形状、各种结构的超导块材，影响着人们的生活和发展。”周又和说。
下一步，团队将着力研究超导材料的增韧改性，致力于实现超导块材的强韧化，进而实现高可加工性，同时进一步提高3D打印制备样品的临界电流，为超轻、可控制备的YBCO超导块材的应用筑牢基础。