Additively-manufactured monocrystalline YBCO superconductor

材料科学 单晶硅 微观结构 微晶 超导电性 制作 3D打印 高温超导 陶瓷 脆性 复合材料 光电子学 凝聚态物理 冶金 物理 病理 医学 替代医学
作者
Dingchang Zhang,C. Boffo,David C. Dunand
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-56708-x
摘要

Abstract Single-crystal microstructures enable high-performance YBa 2 Cu 3 O 7-x superconductors which are however limited to simple shapes due to their brittleness. Additive manufacturing can fabricate YBa 2 Cu 3 O 7-x superconductor with complex shapes, albeit with a polycrystalline microstructure. Here, we demonstrate a route to grow single-crystals from 3D-ink-printed, polycrystalline, sintered superconducting YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO or Y123) + Y 2 BaCuO 5 (Y211), manufacturing objects with complex architectures displaying both high critical current density (J c =2.1 × 10 4 A . cm –2 , 77 K) and high critical temperature (T c = 88-89.5 K). An ink containing precursor powders (Y 2 O 3 , BaCO 3 , and CuO) is 3D-extruded into complex geometries and then reaction-sintered to obtain polycrystalline Y123 + Y211. A seed is then utilized to transform these 3D-printed parts from polycrystal to monocrystal via the melt growth method. The geometric details of 3D-printed parts survive the process without slumping, sagging or collapse, despite the long-term presence of liquid above the peritectic temperature. Origami structures can be created by sheet folding after 3D-printing. This additive approach enables the facile fabrication of superconducting devices with complex shapes and architectures, such as advanced undulator magnets to generate synchrotron radiation and microwave cavities for dark-matter axion search. This work highlights the potential of additive manufacturing for producing monocrystalline cuprate superconductors and opens the door to additive manufacturing of other monocrystalline functional ceramic or semiconductor materials.
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