美西北大学与费米实验室3D打印技术，解锁单晶YBCO超导体的高性能复杂设计

2025年3月4日，南极熊获悉，美国西北大学与费米国家加速器实验室的科研人员，成功开发出一种创新的3D打印方法，能够制造出具有复杂设计的单晶钇钡铜氧化物（YBCO）超导体。

△相关研究成果已发表于近期《自然通讯》期刊上，题目为“增材制造单晶 YBCO 超导体”（传送门）

YBCO是一种广泛应用于医疗成像、能源研究以及磁悬浮交通等领域的高性能超导材料。然而，传统的单晶YBCO超导体由于具有脆弱性，在成型过程中仅限于简单的形状，如圆柱体或块体。而现有的3D打印技术虽然能够制造形状复杂的多晶YBCO超导体，但它的晶界较弱，限制了电流的承载能力。

为了解决这一挑战，西北大学和费米实验室的研究人员开发了一种独特的两步工艺。该工艺首先利用3D打印技术制造出多晶结构的YBCO，随后通过一个精密的后处理步骤将这些多晶材料转化为单晶，同时保留了材料本身的优异电学性能和复杂的几何设计能力。

△图片显示了使用直径为250μm的喷嘴从下到上逐层打印的环形线圈

从多晶到单晶精密

这种新型工艺首先使用3D打印技术，通过250μm喷嘴挤出含有氧化钇（Y₂O₃）、碳酸钡（BaCO₃）和氧化铜（CuO）的专用墨水，形成精细结构。随着溶剂的蒸发，结构强度逐渐增强。随后，在1000°C下烧结20小时，将材料转化为致密且多晶的YBCO超导体。

关键的第二阶段涉及引入69%的钇钡铜氧化物（Y123）、30%的绿色相Y211和1%的氧化铈，并进行第二次热处理，温度达到1090°C。在这一阶段，将NdBCO种子晶体放置在结构顶部。通过以每小时0.5K的速率控制冷却，材料得以重新组织成单晶形式，消除了阻碍电流流动的晶粒边界。

测试显示，在77K（液氮温度）下，单晶版本的电流承载能力是多晶版本的66倍。在10K下，载流能力提升了180倍。尽管在加工过程中引入了微量杂质，工作温度仍保持在88至89.5K之间，略低于理论上的93K。

△3D打印具有复杂结构的多晶和单晶物体

在高温超导体加工中，一个主要问题是在极热的液相中容易发生崩溃或变形。然而，研究人员发现Y₂BaCuO₅ (Y211)粒子作为内置的稳定框架，可防止结构塌陷或下垂。渗透理论解释了固体粒子网络如何维持材料的完整性，即使部分材料液化。

为了证明该方法的实用性，研究团队3D打印了多个复杂的超导结构，包括悬浮环形线圈、磁屏蔽管和折纸设计。这些结构若使用传统单晶生长技术几乎无法制造。它们的应用潜力包括粒子加速器、同步加速器波荡器和用于暗物质轴子搜索的微波腔。

尽管新工艺取得了显著进展，但仍存在一些小缺陷，如晶体取向错位的小区域、局部孔隙区域和氧化过程中形成的微裂纹。这些裂纹若对机械和超导性能产生不利影响，可以通过添加银来缓解。未来研究将探索这一方法。

最后，研究人员指出，这项研究不仅限于超导体。相同的原理可以应用于压电、热电、光伏和有机半导体材料，为能量收集、电子和先进材料开发开辟新的可能性。