兰州大学土木工程与力学学院周又和教授团队独立完成的3D绿色打印超轻质高温YBCO超导块材研究论文以题“Efficient Fabrication of Ultralight YBa2Cu3O7−x Superconductors with Programmable Shape and Structure”在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》（IF:16.836）发表。周又和教授与张兴义教授为共同通讯作者，第一作者为周又和的博士生张宝强；张强强教授及其硕士生何鹏、周又和教授的另一博士生马延斌、张兴义的博士生沈磊为其余作者。本文是继周又和研究团队在成功制备出电阻最低、力学强度最高的高性能接头材料后，在超导材料改性制备方面的又一次突破。
该论文评审人认为：“The authors present a clever way to 3D print a green body of YBa2Cu3O7 superconductor ceramic that has much technological and industrial potential. It is a well structured article, which presents the preparation of the paste and the 3D printing process in detail. The results indicate that the YBCO 3D printed bodies have good magnetic properties and the videos are extremely elucidative regarding the properties” “The prepared 3D printed YBCO samples are multi-scale and multi-level porous structures with improved Jc and crystallinity, especially for the Jc, which was approximately 3.15 times higher than that of the traditional cold-press sintering samples. The authors demonstrated the production of a hollow flywheel structure for a gyroscope, which was used as a navigation aid in the space industry. The developed printed structure has complex fine properties, flexibility, is ecological and highly efficient.”
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、混音器、磁透镜、便携式医疗器械、滤波器、航天导航陀螺等新型高性能器件与电磁装置开发研制中有着广泛的应用前景。尤其对于旋转机械、航天导航陀螺和便携式医疗器械的研制开发，在保持超导性的前提下，制备出轻质超导材料是这类应用追求的一个主要目标。本文研究起源于2015年在浙江大学召开的3个固体力学国家基金委创新研究群体交流会。在这一交流会上，时任基金委主任杨卫院士指出：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，建议兰州大学将增韧改性进行攻关。随后，在周又和教授的指导下，张兴义教授等人就YBCO块材的烧结制备、纳米钉扎、晶向控制等开展了基础性探索工作。5年前，张强强教授从哈尔滨工业大学获博士学位后，被选留兰州大学土木工程与力学学院工作。他主要从事石墨烯材料的3D打印制备及其性能表征研究，取得了显著成效。在学院的支持下，张强强搭建了3D打印的制备平台。随后，周又和向张兴义和张强强提出了将超导材料增韧列为这一平台上拓展研究的需求与可能实现的设想。在周又和教授的指导下，经过两年的摸索攻关，提出了绿色环保的YBCO超导材料高精度直接书写式（DIW）3D打印方法，解决了非牛顿流体陶瓷浆料配比和流变控制难题，随后采用低温冷铸微结构调控策略，克服了超导块材烧结收缩开裂的问题，实现了复杂多尺度多层级、超轻超导块材的高效可控制备。制备的工艺过程如图1所示，通过性能表征，获得了最佳性能的工艺过程参数。
图1. 绿色超导YBCO块材制备工艺示意图
这一新工艺过程采用的可食用有机材料辅助生成的绿色浆料展现出了优良的DIW流变特性，实现了精细化的复杂可控结构YBCO块材的制备（见图2）。为了解决现有3D打印陶瓷材料中面临的高收缩率问题(原有可到50%)，提出的低温冷铸策略，实现了3D打印超导材料高保型性（见图3），为YBCO超导块材的高精度制备奠定了基础。同时，这一新工艺的烧结与补氧耗时均比传统工艺大为缩短，提高了超导材料的制备效率。本文制备出的3D多孔、多尺度、多层构型的YBCO块材具有质量密度仅为每立方厘米1.38克，为目前国际最低值，约为传统冷压烧结工艺制备样品的1/3；临界电流密度高于传统烧结方法样品约3.15倍（见前面评审意见中提及）等优点。
图2. 制备的YBCO样品 图3. 经低温冷铸成型后YBCO样品
这一工艺具有便于工业制备应用的优点，进而可制备出工程或研发部门期待的结构形式。例如，对于航天导航所需的宏观YBCO微旋转陀螺结构，采用传统工艺很难实现，而本文工艺却很容易制备，且性能不受形状的变化而改变。图4给出了这一工艺在CAD设计构型基础上，由3D打印制备出的直径约为40mm的YBCO样品，实现了导航陀螺悬浮的特征。
本文提出的YBCO超导块材3D打印制备技术，为今后其它需要增韧改性的超导材料3D打印制备奠定了基础，周又和的团队正在就此进行工艺改进及其制备研究。
图4. (a) 按航天导航陀螺悬浮功能需求的CAD设计带孔结构构型；(b、c) 3D打印方法制备出的YBCO超导飞轮样品；(d) 制备的YBCO超导飞轮样品在液氮中悬浮在一永磁体上方的录像截图