独自のスラリー+3Dプリント、蘭州大学のチームが新たな科学的ブレークスルーを達成

出典：蘭州大学

3Dプリント「専用スラリー」

軽量超伝導バルク材料の製造における画期的な進歩を達成

手に持ったアイスクリームコーンが溶けて、コーンの底に穴が開いてしまったら、おそらくできるだけ早く取り除きたいと思うでしょう。しかし、アイスクリームを垂らしたらどうなるか考えたことがありますか?

最近、蘭州大学土木工学・機械学院の周有和教授のチームは、このような「アイスクリーム」設計を使用して、制御可能なYBa2Cu3O7x超伝導材料の製造における国際的な問題を解決しました。関連する結果、「カスタマイズ可能な形状と構造を持つ超軽量イットリウムバリウム銅酸化物超伝導体の効率的な製造方法」は、国際的に有名な学術誌Advanced Functional Materialsに掲載されました。この「アイスクリーム」は、アイスクリームコーンの殻に似た装置を3Dプリントノズルと呼び、その中に複数回混合されたYBCO超伝導ブロックスラリーを充填したもの。チームが設計したプログラムの制御下で、スラリーはノズルから自由に滴り落ち、確立された「ルート」に従って複雑な形状の超伝導サンプルを印刷します。

△グリーン超伝導YBCOバルク材料の製造工程の模式図
「専用スラリー」＋低温冷間鋳造

収縮崩壊とランダムクラックの問題を解決する

超伝導バルク材料は、そのユニークな超伝導性により、モーター、磁気浮上輸送、磁気レンズなどの分野で幅広い応用の見通しを持っています。中でも、YBa2Cu3O7x（YBCO）は、高い臨界温度、高い臨界電流密度、高い捕捉磁場を備えた高品質の超伝導バルク材料として、準永久磁石、サスペンション装置などへの応用が期待されています。

しかし、YBCO酸化物セラミックの固有の脆さと、高温焼結プロセス中の温度変化によって引き起こされる機械的応力により、従来の冷間圧縮焼結で製造されたYBCOブロックには、不規則な亀裂や大きな収縮変形が多数発生することが多く、さまざまな形状や構造の製造および成形要件を満たすことができず、直接加工して製造することが困難です。

「超伝導材料の固有の脆さは、超伝導応用の機械的特性に大きな制限を与えます。超伝導と機械的特性の間には大きな矛盾があります。蘭州大学は強化改質に重点を置くことをお勧めします。」2015年に浙江大学で中国国家自然科学基金の革新研究グループ固体力学交流会が開催されたとき、当時中国国家自然科学基金の理事長であった楊偉院士は、周有と彼のチームが長い間この分野に注目していたことを知り、期待を表明した。

約5年間の努力の末、周氏と彼のチームは、YBCO印刷プログラムを3D印刷装置に直接書き込み、印刷スラリーを追加して直接印刷できる高精度直接書き込み（DIW）3D印刷技術の開発に成功しました。研究チームは、3Dプリントされたサンプル構造がマルチスケール、マルチレベルの多孔質構造と低密度を有しており、これにより超伝導ブロック材料の結晶性と臨界電流密度が向上し、熱交換容量がさらに高くなることを発見した。

チームは何度も調整を重ね、最終的に酸化イットリウム、炭酸バリウム、酸化銅の適切な比率を決定し、カルボキシメチルセルロースナトリウムとエポキシ化大豆油という2つの食用有機補助材料を追加することで、調製したスラリーは優れたレオロジー特性を持ち、まるで障害物のない下流に流れる川のようです。プログラム設定に応じて流量を完全に制御できるため、スラリーの環境親和性を高めながら、精緻で複雑かつ制御可能な構造を持つYBCOブロックの製造を実現しました。

さらに、周氏と彼のチームは、低温冷間鋳造の微細構造を調整することで材料収縮の問題を解決することも検討しました。研究チームは3Dプリントした湿ったサンプルを凍結乾燥させた。低温環境での氷結晶の方向性押し出しにより、材料内の前駆体粒子が密接に接触し、整然と配列し、YBCOブロックの焼結収縮と亀裂の問題をさらに克服し、YBCOの収縮率を従来の50％からほぼ収縮なしに低減した。

上記の研究を経て、周氏と彼のチームは、大きさが40mmで質量密度が1立方センチメートルあたりわずか1.38グラムの超軽量YBCO超伝導ブロックの開発に成功しました。このYBCOブロック材料は、複雑な構造と高い超伝導性という優れた特性を備えているだけでなく、YBCOブロック材料の臨界電流密度を従来の冷間圧縮焼結サンプルの3.15倍にまで高めています。その密度値も世界最低で、従来の冷間圧縮焼結プロセスで製造されたサンプルの約1/3です。同時に、材料の多孔質構造は、その後の急速な酸素化段階の基礎を築き、酸素化時間を大幅に短縮し、その調製効率が大幅に向上します。

液体窒素中に浮遊する航空宇宙ジャイロフライホイールのモデルを準備する

△3Dプリントで作製した超伝導ジャイロスコープモデルサンプルの懸架工程のスクリーンショット。銀色の永久磁石ディスクの中で、チームは作製したYBCO航空宇宙航行ジャイロスコープモデルサンプルの懸架と回転の検証実験を行った。三角形の構造を持つ小さな黒いフライホイールがディスクの上に懸架され、2分以上自由にスムーズに回転することができた。 3Dプリントで製造されたセンチメートル規模の超伝導ブロックと超伝導フライホイールは、液体窒素温度での航空宇宙ジャイロスコープフライホイールの懸架と回転を実現し、エンジニアリングアプリケーションの基礎を築きました。

例えば、特殊な構造を持つ3次元プリントYBCO格子構造は、高温超伝導フィルターに適用でき、5G通信や軍事機器に優れたサービスを提供できます。この新しいプロセスでは、従来のプロセスでは実現が困難であった宇宙航行に必要なマクロなYBCO回転ジャイロスコープ構造も容易に作製でき、形状の変化によって性能が変化することもありません。

実際、超伝導体の実際の懸垂応用を実現するためには、超伝導体の冷却速度、懸垂力、使用時間の向上が必須です。周氏と彼のチームが開発したフライホイール構造は中空構造になっているため、より多くの液体窒素を貯蔵することができ、それによって材料の温度上昇率が低下し、浮遊時間が長くなります。

「近い将来、さまざまな形状や構造の超伝導ブロックが、非接触磁気浮上、エネルギー貯蔵回転機械、準永久磁石、ミキサー、磁気レンズ、携帯型医療機器、フィルター、航空宇宙航行ジャイロスコープなどの新しい高性能デバイスや電磁気デバイスに登場し、人々の生活や発展に影響を与えるだろう」と周有和氏は述べた。

次のステップでは、研究チームは超伝導材料の強靭化改質の研究に重点を置き、超伝導バルク材料の強化と靭性の向上を目指し、高い加工性を実現します。同時に、3Dプリントサンプルの臨界電流をさらに向上させ、超軽量で制御可能なYBCO超伝導バルク材料の応用に向けた強固な基礎を築きます。

出典 | 蘭州大学党委員会宣伝部（ニュースセンター）

テキスト | 江雲鑫、孔子俊、フェイシャ

編集者 | ウー・ジアニ

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