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，美國西北大學與費米國家加速器實驗室的科研人員，成功開發出一種創新的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。
YBCO是一種廣泛應用于醫療成像、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，西北大學和費米實驗室的研究人員開發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構的YBCO，隨后通過一個精密的后處理步驟將這些多晶材料轉化為單晶，同時保留了材料本身的優異電學性能和復雜的幾何設計能力。
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，形成精細結構。隨著溶劑的蒸發，結構強度逐漸增強。隨后，在1000°C下燒結20小時，將材料轉化為致密且多晶的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種子晶體放置在結構頂部。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，工作溫度仍保持在88至89.5K之間，略低于理論上的93K。
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生崩潰或變形。然而，研究人員發現Y₂BaCuO₅ (Y211)粒子作為內置的穩定框架，可防止結構塌陷或下垂。滲透理論解釋了固體粒子網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構，包括懸浮環形線圈、磁屏蔽管和折紙設計。這些結構若使用傳統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域、局部孔隙區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開辟新的可能性。
(責任編輯：admin)
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