本技术公开了一种激光熔覆式增材制造YBCO高温超导体系统及方法,涉及超导陶瓷制备技术领域;为了解决现有YBCO超导陶瓷中的加工效率低、步骤繁杂的问题,提出以下技术方案:包括激光器、送粉器、机械臂以及熔覆头,机械臂带动熔覆头按照打印路径移动,激光器通过光纤将激光输送到熔覆头;送粉器将粉末送入熔覆头,激光将粉末融化并固化在转台的基底上形成三维复杂结构,通过红外温度传感器反馈制造结构的温度分布,摄像监控系统实时捕捉样品结构的沉积质量。本发明具有高精度、高效率、高材料利用率、灵活性好、成本低等有益效果,为高温超导材料的制备提供了一种新的、有前景的技术途径。
背景技术
YBCO高温超导体在电学、磁学和储能方面有着独特的性质,使得其在电力传输、高场磁体、受控核聚变、医学磁成像、磁分离、磁悬浮列车、超导储能系统等方面有着巨大的应用前景。目前,YBCO高温超导材料的主要形式有块材、带材以及超导薄膜,常见的制备方法分别为固相反应法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法等。
固相反应法制备YBCO高温超导体时,将Y2
O3
、BaCO3
以及CuO粉末按照原子摩尔比Y:Ba:Cu=1:2:3充分混合均匀后装模压实,在920℃进行30-50小时的烧结。溶胶-凝胶法制备YBCO带材时,按照原子摩尔比Y:Ba:Cu=1:2:3将Y(NO3
)3
·6H2
O、Ba(NO3
)2
以及Cu(NO3
)2
·3H2
O分别溶解于乙醇中,将溶胶均匀地涂覆在金属带材或其他基材上,先低温干燥去除溶剂和挥发物,然后在900-1000℃进行烧结。脉冲激光沉积法制备YBCO超导薄膜时,将激光照射靶材(Y:Ba:Cu=1:2:3)表面,使靶材表面的YBCO材料被烧蚀成气相并飞向基材表面,形成薄膜。上述制备方法存在诸多弊端,固相反应法制备YBCO高温超导体时,需要长时间的烧结而且烧结过程中可能导致成分的不均匀性问题,尤其是在大批量生产时,烧结的均匀性可能受到限制。由于受晶粒间“弱连接”的影响,导致了样品形状构造单一,仅能制备圆柱体和四方体结构。溶胶-凝胶法制备YBCO高温超导体时,制备周期较长,厚度的均匀性难以控制,过程复杂,机械性能较差,质量难以控制。脉冲激光沉积法制备相YBCO超导体时,设备和操作成本高、制备效率低、往往存在结构缺陷和表面质量问题。
为了解决上述问题有学者提出通过3D打印技术来构建复杂结构。例如申请(专利)号为202410977784.7的一种使用光固化3D打印技术制备YBCO高温超导材料的方法,使用激光进行固化得到具有精细形状、规则排列和高电流承载能力的YBCO超导结构。申请(专利)号为202410166679.5的一种光固化3D打印制备高强度氧化硅陶瓷的方法,将改性的氧化硅陶瓷打印浆料放入光固化3D打印设备中,通过光固化3D打印方法直接成型得到氧化硅陶瓷素坯,根据原材料的组成进行脱脂-烧结处理,得到高强度氧化硅陶瓷。3D打印技术的出现一定程度上缓解了YBCO制备的艰难处境,实现了复杂结构快速成型,摆脱了模具带来的束缚,增加了YBCO的结构多样性与性能多样性。但是,由于空间自由度过少,对于具有悬臂、中空结构模型的打印,需要添加支撑,降低了打印效率,在成型速度和大规模化制备方面受到较大限制,方法本身的局限性导致难以一步式成型。
实现思路