本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)材料智能制造，尤其涉及一種ybco基超導(dǎo)飛輪及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、yba2cu3o7-x（釔鋇銅氧化物，ybco）是目前廣泛研究和應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料之一，其臨界轉(zhuǎn)變溫度（tc）約為93k，在液氮溫區(qū)即可實現(xiàn)超導(dǎo)性，因此，ybco超導(dǎo)材料在磁懸浮、mri（磁共振成像）、高場磁體、能量存儲及輸電設(shè)備等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。這些應(yīng)用場景對ybco材料提出了兩項關(guān)鍵要求：一是需要較高的超導(dǎo)特性，包括高臨界電流密度（jc）和穩(wěn)定的磁通釘扎能力，以滿足設(shè)備高效運行的需求；二是要求材料能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的定制化設(shè)計，以適應(yīng)精密工程和高性能設(shè)備的需求。

2、然而，由于ybco材料的晶界通常存在晶格失配、缺陷和非均勻性。這些微觀結(jié)構(gòu)和物理特性會干擾超導(dǎo)電子對（即庫珀對）的形成和傳輸。進而會顯著降低其臨界電流密度（jc），因此，ybco超導(dǎo)材料的單疇化成為提升其jc性能的關(guān)鍵研究方向。通過傳統(tǒng)方法制備的單疇ybco超導(dǎo)塊材，因其高jc和良好的磁通捕獲能力，常用于制造大尺寸磁體和磁懸浮裝置。然而，這種方法僅限于簡單幾何形狀（如圓柱或立方體），并且由于本征脆性以及內(nèi)應(yīng)力的問題，這種方法制備的塊材在切割雕刻等過程中極容易開裂，無法滿足復(fù)雜器件的結(jié)構(gòu)定制化需求。

3、近年來，增材制造技術(shù)為ybco材料的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)制備提供了新可能。對于復(fù)雜構(gòu)造的ybco超導(dǎo)體制備技術(shù)，3d打印ybco超導(dǎo)塊材制備技術(shù)是制備形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣的ybco高溫超導(dǎo)塊材的有效方法，尤其適用于超輕、多孔的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)結(jié)合直接書寫式3d打印、冷凍干燥和分級燒結(jié)，能夠高效制備形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多尺度的超導(dǎo)體。相較傳統(tǒng)方法，通過增材制造技術(shù)制備的ybco結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜設(shè)計，滿足超導(dǎo)磁懸浮軸承、儲能飛輪，導(dǎo)航陀螺儀等方面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需求。然而，現(xiàn)有的3d打印ybco超導(dǎo)體是將前驅(qū)體粉末配置成漿料，打印干燥后直接燒結(jié)獲得。其本質(zhì)屬于粉末燒結(jié)法，樣品在微觀上呈現(xiàn)顆粒團聚狀，所制備的ybco超導(dǎo)體是多晶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的晶界會顯著抑制超導(dǎo)電流的傳輸能力，使得材料的臨界電流密度遠(yuǎn)低于單晶ybco。特別是，晶界處的晶格失配和氧含量不足會增加電阻，降低超導(dǎo)性能。因此，現(xiàn)有技術(shù)制備的ybco超導(dǎo)體受到晶界的影響，存在超導(dǎo)性能差、難以實現(xiàn)具有高超導(dǎo)特性的復(fù)雜幾何形狀的ybco超導(dǎo)飛輪的制備，無法滿足實際應(yīng)用的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種ybco基超導(dǎo)飛輪及其制備方法和應(yīng)用，ybco基超導(dǎo)飛輪具有高超導(dǎo)電磁特性，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀超導(dǎo)試件的制備。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種ybco基超導(dǎo)飛輪的制備方法，包括以下步驟：

4、1）將y2bacuo5打印粉體、氧化鈰粉和聚乳酸-羥基乙酸共聚物、二氯甲烷、鄰苯二甲酸二甲酯和乙二醇丁醚混合，通過擠壓研磨，得到前驅(qū)體漿料；根據(jù)超導(dǎo)飛輪所需三維結(jié)構(gòu)，將所述前驅(qū)體漿料進行3d打印，冷凍干燥后，得到支撐晶絡(luò)結(jié)構(gòu)；

5、2）將yba2cu3o7-x母相粉體和ba3cu5o5反應(yīng)粉體混合，將所得混合粉體、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、二氯甲烷、鄰苯二甲酸二甲酯和乙二醇丁醚混合，進行擠壓研磨，得到犧牲體漿料；根據(jù)步驟1）所述超導(dǎo)飛輪的尺寸和需求設(shè)計幾何形狀，將所述犧牲體漿料進行3d打印，冷凍干燥后，得到犧牲胚塊；

6、3）在氧化鋯陶瓷基板上自下而上依次放置y2o3隔離胚塊、犧牲胚塊、支撐晶絡(luò)結(jié)構(gòu)和生長引導(dǎo)層，得到組合裝配體；所述犧牲胚塊的尺寸＞支撐晶絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺寸；所述犧牲胚塊與支撐晶絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置有嵌合界面；所述生長引導(dǎo)層包括鍍有ndbco薄膜的mgo單晶、smbco單疇超導(dǎo)塊材或gdbco單疇超導(dǎo)塊材；

7、4）將所述組合裝配體進行預(yù)燒結(jié)后，升溫至熔化溫度，降溫至晶體開始生長的溫度，再降溫至晶體停止生長的溫度，冷卻后，得到y(tǒng)bco超導(dǎo)塊材；

8、所述晶體開始生長的溫度為1010~1015℃；所述晶體停止生長的溫度為970~980℃；

9、5）將所述ybco超導(dǎo)塊材去除y2o3隔離胚塊層、犧牲胚塊層和生長引導(dǎo)層，在氧氣氛圍條件下進行燒結(jié)，得到y(tǒng)bco基超導(dǎo)飛輪。

10、優(yōu)選的，步驟1）中，所述y2bacuo5打印粉體、聚乳酸-羥基乙酸共聚物與二氯甲烷的質(zhì)量比為1:0.09~0.12:2.4~2.7；所述氧化鈰粉的質(zhì)量占y2bacuo5打印粉體總質(zhì)量的0.1~3%；所述鄰苯二甲酸二甲酯的質(zhì)量占前驅(qū)體漿料總質(zhì)量的2~10%；所述乙二醇丁醚的質(zhì)量占前驅(qū)體漿料總質(zhì)量的1~5%。

11、優(yōu)選的，步驟2）中，所述yba2cu3o7-x母相粉體和ba3cu5o5反應(yīng)粉體的摩爾比為1:1；所述混合粉體、聚乳酸-羥基乙酸共聚物與二氯甲烷的質(zhì)量比為1:0.09~0.12:2.4~2.7；所述鄰苯二甲酸二甲酯的質(zhì)量占犧牲體漿料總質(zhì)量的2~10%；所述乙二醇丁醚的質(zhì)量占犧牲體漿料總質(zhì)量的1~5%。

12、優(yōu)選的，所述嵌合界面的類型包括w型界面或凹凸點陣界面。

13、優(yōu)選的，所述預(yù)燒結(jié)的溫度為920~950℃，保溫時間為2~10h。

14、優(yōu)選的，升溫至所述熔化溫度的升溫速率為60~180℃/h，所述熔化溫度為1040~1060℃。

15、優(yōu)選的，以速率30~120℃/h降溫至晶體開始生長的溫度，以速率0.1~0.5℃/h降溫至晶體停止生長的溫度。

16、優(yōu)選的，所述燒結(jié)的溫度為400~500℃，時間為200~300h。

17、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的ybco基超導(dǎo)飛輪。

18、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述ybco基超導(dǎo)飛輪在電網(wǎng)調(diào)頻與儲能、軌道交通的能量回收與穩(wěn)定供能、航空航天的導(dǎo)航與能量管理、醫(yī)療或國防領(lǐng)域的應(yīng)用。

19、針對高質(zhì)量電磁特性復(fù)雜結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體的生產(chǎn)制備瓶頸，本發(fā)明以所需的超導(dǎo)飛輪結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)設(shè)計犧牲胚塊與支撐晶絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式，控制犧牲胚塊大于晶絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系以及犧牲胚塊與支撐晶絡(luò)結(jié)構(gòu)的嵌合界面，以保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)體中的晶體穩(wěn)定生長，在熱處理的過程中，復(fù)雜晶絡(luò)、犧牲胚塊以及生長引導(dǎo)層共同作用，實現(xiàn)了晶體生長調(diào)控，從而得到具有復(fù)雜形狀的僅存在3個疇區(qū)的晶體，可以有效實現(xiàn)兼具復(fù)雜定制結(jié)構(gòu)與高超導(dǎo)特性的超導(dǎo)飛輪的制備，解決了現(xiàn)有方法難以制備兼具復(fù)雜結(jié)構(gòu)與高超導(dǎo)特性ybco超導(dǎo)材料的問題。

20、本發(fā)明利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜形狀ybco超導(dǎo)體的精準(zhǔn)構(gòu)建（優(yōu)化結(jié)構(gòu)），同時結(jié)合晶體生長調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜超導(dǎo)體的提質(zhì)增效，提高其臨界電流密度以及磁學(xué)性能，可制備具有優(yōu)異超導(dǎo)電磁性能得ybco超導(dǎo)飛輪。本發(fā)明引入了3d打印超導(dǎo)飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，突破了傳統(tǒng)單疇ybco塊材的制備方法難以實現(xiàn)復(fù)雜飛輪結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計的限制，填補了現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)具有優(yōu)異電磁性能的超導(dǎo)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制備的空白，進而推動ybco超導(dǎo)塊材在能源、交通、醫(yī)療、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，本發(fā)明結(jié)合增材制造技術(shù)與晶體生長調(diào)控技術(shù)，成功解決了現(xiàn)有技術(shù)中的多晶界弱連接、超導(dǎo)性能差等問題，具有以下顯著效果：

21、1）技術(shù)性能顯著提升。本發(fā)明通過調(diào)控晶體生長，在宏觀尺度上實現(xiàn)晶粒取向一致，有效減少晶界弱連接問題（如圖4），顯著增強ybco導(dǎo)航飛輪的超導(dǎo)性能。在高磁場環(huán)境下，材料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，滿足高場磁體與磁懸浮設(shè)備的性能需求。此外，通過增材制造技術(shù)突破幾何限制，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度制造，打印精度可達(dá)100μm，可用于超導(dǎo)圓環(huán)和導(dǎo)航陀螺等其他復(fù)雜器件的生產(chǎn)。

22、2）經(jīng)濟與社會效益顯著。本發(fā)明的方法可顯著減少人工干預(yù)和模具加工需求，通過高效增材制造技術(shù)與晶體生長調(diào)控技術(shù)大幅降低生產(chǎn)成本。其創(chuàng)新突破推動高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)ybco超導(dǎo)器件在航空航天、清潔能源和醫(yī)療科技領(lǐng)域的深度應(yīng)用，為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。