蘭州大學土木工程與力學學院周又和教授團隊制備出的超輕質(zhì)YBCO超導塊，不僅具有結(jié)構(gòu)復雜、高超導性的優(yōu)良特性，且其臨界電流密度還提高到了傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)樣品的3.15倍，其密度值也為目前國際最低。

想象一下，如果握在手里的甜筒冰淇淋化了，而甜筒殼底部恰好破了個洞，任由冰淇淋往下滴，會滴出怎樣的圖景？科技日報記者5月23日從蘭州大學獲悉，該校土木工程與力學學院周又和教授團隊用這樣的“冰淇淋”設計，解決了一個可控超導材料制備的國際難題。相關成果近日發(fā)表在國際著名期刊《先進功能材料》上。

在這個“冰淇淋”中，類似甜筒外殼的裝置叫作3D打印噴頭，“甜筒”里裝的則是經(jīng)過數(shù)次配比而成的YBCO（釔鋇銅氧高溫超導體）超導塊材漿料。在團隊設計的程序控制下，漿料自如地從噴頭中滴落，可按照既定“路線”打印出具有復雜形狀的超導樣品。

一直以來，高溫超導YBCO塊材因其高臨界溫度、高臨界電流密度和高俘獲磁場的優(yōu)異性能，在無接觸磁懸浮、儲能旋轉(zhuǎn)機械、準永磁體等方面顯示出良好的應用前景。但由于制備YBCO塊材的原材料——YBCO氧化物陶瓷自帶本征脆性，再加上高溫燒結(jié)制備過程中溫度變化引起的機械應力，傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)制備無法實現(xiàn)各種形狀、各種結(jié)構(gòu)的制備和塑形要求。

“超導材料的固有脆性極大地制約了超導應用的力學性能，其超導性與力學性能是一大矛盾，建議蘭州大學針對增韌改性進行攻關?！?015年，在浙江大學召開固體力學國家基金委創(chuàng)新研究群體交流會時，時任國家自然科學基金委主任楊衛(wèi)院士得知周又和團隊長期關注此領域，就未來研究方向與周又和進行了深入探討。

經(jīng)過近5年的攻堅，周又和團隊成功探索出高精度直接書寫式（DIW）3D打印技術(shù)，采用低溫冷鑄微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，進一步克服了YBCO塊材燒結(jié)收縮開裂的問題，將YBCO的收縮率由傳統(tǒng)的50%降低到基本不收縮，為YBCO超導塊材的高精度制備奠定了基礎。

該團隊制備出的超輕質(zhì)YBCO超導塊不僅具有結(jié)構(gòu)復雜、高超導性的優(yōu)良特性，還將YBCO塊材的臨界電流密度提高到了傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)樣品的3.15倍，其密度值也為目前國際最低，約為傳統(tǒng)冷壓燒結(jié)工藝制備樣品的1/3。同時，材料的多孔結(jié)構(gòu)特點也為后續(xù)縮短補氧耗時奠定了基礎，使其制備效率得到大幅度提升。

由該3D打印設備制備出的厘米尺度級的超導塊材，比如具有特定結(jié)構(gòu)的3D晶格結(jié)構(gòu)可應用于高溫超導濾波器，為5G通信和軍事設備提供更好的服務。而由該3D打印設備制備出的超導飛輪，實現(xiàn)了在液氮溫度下航天陀螺飛輪懸浮及旋轉(zhuǎn)，為工程應用奠定了基礎。

周又和說，下一步團隊將著力研究超導材料的增韌改性，致力于實現(xiàn)超導塊材的強韌化，進而實現(xiàn)易加工性，同時進一步提高3D打印制備樣品的臨界電流，為超輕YBCO超導塊材的可控制備和未來應用打下堅實基礎。