西北大学研究人员3D打印YBCO超导体

2025年2月26日，南极熊获悉，西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授David Dunand及其费米实验室的合作团队，利用陶瓷浆料材料挤出（MEX）3D打印工艺，成功制造出YBCO超导体。陶瓷超导材料虽具有优异的性能，但其固有的脆性一直是制约更先进超导体发展的瓶颈，David Dunand团队成功突破这一限制，制造出的YBCO超导体具有更强的功率，有助于降低超导设备的成本。



研究背景与意义

该团队的研究成果发表在《Nature Communications》上，论文题为"增材制造单晶YBCO超导体"。Dunand与加州大学伯克利分校博士后研究员Dingchang Zhang（前Dunand实验室学生）共同担任论文通讯作者。费米实验室PIP-II项目经理Cristian Boffo也参与了这项研究。

David Dunand教授表示："陶瓷基铜酸盐是常见的高温超导体，由于可以使用液氮运行，比低温金属超导体便宜得多，也更容易使用。但这些材料由于脆性，其可制造的形状一直受到限制。"为避免受到铜酸盐脆性的限制，研究团队开发出一种方法，成功使用增材制造技术生产单晶YBCO——一种普通的多晶超导体。钇钡铜氧化物（YBCO）是一类具有高温超导性的晶体化合物家族，它是首个在液氮沸点以上实现超导的材料。


△ a 一张微晶格的照片，经过3D墨水打印（绿色状态）、烧结和YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)的单晶生长。
b 经过烧结和顶籽熔融生长后的3D打印晶格横截面的SEM-BSE显微照片，展示了通过熔体有效去除孔隙的过程。插图显示了Y123基体中的Y211和BaCeO3粒子。
c 单晶生长后3D打印晶格顶部和底部表面的XRD光谱，显示两个表面均为单一c轴取向。
d 高倍放大的逆极图 (IPF，左) 和相图 (右)，展示了Y123相（灰色）中Y211相（绿色）的分布。
e 3D打印晶格侧面完整垂直横截面的拼接IPF图，使用Y123的立方版本进行索引，显示晶体取向（单晶）。
f 放大的SEM-BSE显微照片显示了在单晶生长过程中（用虚线标记）会聚平面上Y211浓度的分布（用圆圈标出）。

创新工艺流程

研究团队开发的工艺过程包括以下步骤：

● 使用商用前驱体粉末制备墨水；
● 将墨水装入注射器中，创建YBCO微晶格或其他复杂的多晶几何结构；
● 利用熔融生长方法，3D打印的材料在打印部件上形成单晶。

传统上，块体超导体通常使用模具压制的简单形式制造，然后进行烧结或加热，融合压制的粉末。而研究人员创新性地使用含有YBCO粉末的墨水（浆料），通过3D打印技术制造复杂物体进行烧结。研究人员成功消除了材料的晶界，这些晶界是晶体结构中会降低材料电导率和热导率的微小缺陷。这一突破使得超导电流更加有效。


△ 3D打印的多晶和单晶物体具有复杂的结构。
a 3D打印的YBa2Cu3O7-x (Y123) + Y2BaCuO5 (Y211)水平线圈环的照片，包括打印（绿色状态）、烧结、单晶生长（种子标记为“S”）、去除基底以及在77 K（LN2：液氮）下的悬浮。去除基底后的样品旁边展示了侧视的IPF和相位图以及顶视的IPF图。在引入持久场/电流后，生成磁场随时间变化的演化情况显示时间长达1000 秒。
b 3D打印、烧结、单晶化和悬浮管的照片。展示了种子表面的SEM-BSE显微照片。磁场随外部施加磁场变化的测量结果显示在管内的磁场情况。
c 3D打印、烧结、单晶化（去掉基底）和悬浮环形线圈的照片。展示了种子表面的SEM-BSE显微照片。SEM-BSE显微照片和横截面的IPF图显示了高致密化，单独的墨水沉积线彼此融合。打印路径也进行了说明。
d 3D打印的绿色板的照片及绿色晶格带的示意图。后续的照片展示了经过折纸折叠、烧结（未进行单晶生长）以及悬浮后的船、飞机和晶格带。

应用前景

Dingchang Zhang表示："人们已经在材料块中制造出单晶，我们证明可以将这种技术与3D打印结合使用。在我们的工艺中，我们可以制造复杂的形状，比如环形线圈，在顶部放置单晶种子。这些3D打印部件通过受控的工艺窗口部分熔化，转变为单晶，同时保持原有的3D打印形状。"

Cristian Boffo："在费米实验室，我们正在开发下一代超导磁体，这将推动未来几十年的科学实验。这次合作开发的技术将实现以前无法想象的设计，从而提升我们的发展潜力。"