兰州大学3D打印“独家浆料” 解决收缩坍塌与随机裂纹难题

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日期:2021-05-20 17:41:00    来源:科技日报    

想象一下,如果握在手里的甜筒冰激凌化了,而甜筒壳底部恰好破了个洞,任由冰激凌往下滴,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“冰激凌”设计,解决了一个可控超导材料制备的国际难题。

在这个“冰淇淋”中,类似甜筒外壳的装置叫作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,可按照既定“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,高温超导YBCO块材因其高临界温度、高临界电流密度和高俘获磁场的优异性能,在无接触磁悬浮、储能旋转机械、准永磁体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,传统冷压烧结制备无法实现各种形状、各种结构的制备和塑形要求。

“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,采用低温冷铸微结构调控策略,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,为YBCO超导块材的高精度制备奠定了基础。

该团队制备出的超轻质YBCO超导块不仅具有结构复杂、高超导性的优良特性,还将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缩短补氧耗时奠定了基础,其制备效率将得到大幅度提升。近日,相关成果以《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》为题在国际著名期刊《先进功能材料》发表。

制备出液氮内悬浮的航天陀螺飞轮模型

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。周又和团队在银色的永磁体圆盘中对制备出的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。

该团队制备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。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,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。

“在不远的将来,在混音器、磁透镜、便携式医疗器械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。(孔子俊 杜英)

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