CN114783680A - 一种量子计算机用超导线材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子计算机用超导线材的制备方法，该制备方法包括以下步骤：1）以NbTi棒为原材料，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，然后采用旋锻的方式使Cu外壳与NbTi棒的一端紧密结合，并使其穿过拉拔模具，拉拔为NbTi/Cu单芯线；2）采用扒皮法，去除Cu皮，获得NbTi丝；3）在NbTi丝上制备聚四氟乙烯（PTFE）绝缘层；4）采用与步骤一中成分相同的NbTi粉末为制备NbTi毛细管；5）通过穿管法将绝缘后的NbTi丝和NbTi毛细管装配并冷拔成型；6）在线材的两端焊接接头，最终获得量子计算机用超导线材。本发明制备的超导线材低温电阻极低同时导热能力强，完全满足量子计算机的使用。
Description
技术领域
本发明属于超导复合线材加工领域，具体涉及一种量子计算机用超导线材的制备方法。
背景技术
量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的***。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。其特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。相比传统计算机，信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利，也就更能确保运算具备精准性。
基于以上描述，量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题，在一些特定问题上，量子计算机的运算能力以及运算速度的潜力远高于现在世界上所有经典计算机的总和。然而，作为量子计算机的核心量子态是“脆弱的”，量子芯片的工作环境需要在30mK以下才能具有优异性能，如果温度过高，量子态的演化将非常难以控制。为此，量子计算机中所使用的信号传输线材应具备低温环境下电阻极低，导热能力极强的特性，从而避免影响超导芯片的低温使用环境。而超导线材因其低温下零电阻的特性被应用于量子计算机中信号传输线材的研制。
目前，量子计算机中使用的线材一直被国外垄断，导致国内量子计算机领域的科研院所和企业一直被该技术“卡脖子”。有鉴于此，本发明人提出一种量子计算机用超导线材的制备方法，以填补国内技术的空白。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种量子计算机用超导线材的制备方法，该制备方法以NbTi为原材料，通过在其表面包覆Cu拉拔→扒皮处理→涂漆绝缘四氟乙烯→3D打印制作NbTi毛细管→穿管装配→焊接接头的制备工艺，最终获得的超导线材经过实际验证，漏热速率在4-20K的温度下低于0.3μW/K，完全满足量子计算机对低温电阻极低和导热能力极强的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种量子计算机用超导线材的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
步骤一、先以NbTi棒为原材料，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，然后采用旋锻的方式使Cu外壳与NbTi棒的一端紧密结合，并使其穿过拉拔模具，拉拔为NbTi/Cu单芯线；
步骤二、将步骤一获得的NbTi/Cu单芯线通过扒皮模具进行扒皮处理，以去除NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，获得NbTi丝；
步骤三、将步骤二获得的NbTi丝放入挤出机，采用聚四氟乙烯为绝缘材料，在挤出聚四氟乙烯的同时进行烘烤，完成对NbTi丝的聚四氟乙烯绝缘；
步骤四、采用与步骤一中成分相同的NbTi粉末为原材料，使用选择性激光熔化3D打印技术获得NbTi毛细管；
步骤五、通过穿管的方式将步骤三绝缘后的NbTi丝与步骤四中获得的NbTi毛细管进行装配，其中绝缘后的NbTi丝位于NbTi毛细管的中部，再通过冷拉拔的方式进行成型；
步骤六、在步骤五获得的线材两端焊接接头，最终得到量子计算机用超导线材。
进一步地，所述步骤一中采用的NbTi棒中Nb的含量为50～60wt.%，所述NbTi棒的直径为30～60mm。
进一步地，所述步骤一中采用Cu外壳的厚度为2～5mm，穿过拉拔模具进行拉拔时，拉拔道间加工率为10～30%。
进一步地，所述步骤二中扒皮模具的材质为碳化钨，扒皮模具刃口角度为10～35°，刃口长度为1～4mm，扒皮量为0.01～0.1mm，扒皮次数为1次，用于去除全部的Cu皮，获得NbTi丝。
进一步地，所述步骤三中采用的聚四氟乙烯颗粒直径为200～500μm，烘烤时温度为300～500℃，绝缘层厚度为0.1～2mm。
进一步地，所述步骤四中NbTi粉末的粒径为10～50μm，选择性激光熔化3D打印参数设定为：层厚0.01～0.05mm，功率200～900W，扫描速度为800～1500mm/s，道间距为0.1～0.2mm。
进一步地，所述步骤五中冷拉拔的道次间加工率为2～10%，用于使NbTi毛细管与绝缘后NbTi丝紧密结合。
进一步地，所述步骤六中使用的接头型号为SMA、APC或GPPO。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种量子计算机用超导线材的制备方法，该制备方法以NbTi棒为原材料，在其表面包覆一层Cu外壳，然后将其拉拔为NbTi/Cu单芯线，再通过扒皮处理获得NbTi丝，然后在NbTi丝上制备聚四氟乙烯（PTFE）绝缘层，再采用与NbTi棒相同成分的NbTi粉末通过选择性激光熔化3D打印技术获得NbTi毛细管，其次将得到绝缘后的NbTi丝与NbTi毛细管通过穿孔的方式装配、冷拔成型，最后在线材两端焊接接头，最终得到量子计算机用超导线材，该超导线材经过实际验证，漏热速率在4-20K的温度下低于0.3μW/K，完全满足量子计算机对低温电阻极低和导热能力极强的要求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种量子计算机用超导线材的制备方法流程图；
图2是采用本发明方法制备超导线材横截面结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
请参见图1所示，本发明提供一种量子计算机用超导线材的制备方法，包括以下具体步骤：
步骤一、先以NbTi棒为原材料，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，然后采用旋锻的方式使Cu外壳与NbTi棒的一端紧密结合，并使其穿过拉拔模具，拉拔为NbTi/Cu单芯线；
具体的，步骤一中所采用的NbTi棒中Nb的含量为50～60wt.%，NbTi棒外径为Φ30～60mm，为了解决NbTi丝拉拔粘模的问题，在NbTi棒外包覆Cu外壳，起到拉拔润滑的作用，其中Cu外壳的厚度为2～5mm，旋锻的目的是让NbTi棒和Cu外壳结合紧密，同时可以穿过模具进行拉拔，拉拔道次间加工率为10%～30%。
步骤二、将步骤一获得的NbTi/Cu单芯线通过扒皮模具进行扒皮处理，以去除NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，获得NbTi丝；
具体的，步骤二中扒皮模具的材质为碳化钨，扒皮模具刃口角度为10～35°，刃口长度为1～4mm，扒皮量为0.01～0.1mm，扒皮次数为1次，用于去除全部的Cu皮，获得NbTi丝。
步骤三、将步骤二获得的NbTi丝放入挤出机，采用聚四氟乙烯为绝缘材料，在挤出聚四氟乙烯的同时进行烘烤，完成对NbTi丝的聚四氟乙烯绝缘；
具体的，由于聚四氟乙烯（PTFE）无法注塑，因此采用挤出法对NbTi丝进行绝缘，采用的聚四氟乙烯（PTFE）颗粒直径为200～500μm，烘烤温度为300～500℃，绝缘层厚度为0.1～2mm。采用聚四氟乙烯（PTFE）为绝缘材料的目的是因为线材的工作温度为4K，聚四氟乙烯（PTFE）在该温度下仍可保持良好的性能。
步骤四、采用与步骤一中成分相同的NbTi粉末为原材料，使用选择性激光熔化3D打印技术获得NbTi毛细管；
具体的，步骤四中NbTi粉末的粒径为10～50μm，选择性激光熔化3D打印参数设定为：层厚0.01～0.05mm，功率200～900W，扫描速度为800～1500mm/s，道间距为0.1～0.2mm。
步骤五、通过穿管的方式将步骤三绝缘后的NbTi丝与步骤四中获得的NbTi毛细管进行装配，其中绝缘后的NbTi丝位于NbTi毛细管的中部，再通过冷拉拔的方式进行成型；
优选的，步骤五中冷拉拔的道次间加工率为2～10%，用于使NbTi毛细管与绝缘后NbTi达到丝紧密结合的目的。
步骤六、在步骤五获得的线材两端焊接接头，最终得到量子计算机用超导线材；
优选的，使用的接头型号为SMA、APC或GPPO。
为了进一步验证本发明制备方法的功效，发明人进行了如下具体实施例：
实施例1
1）首先，采用Nb含量为50wt.%的NbTi棒为原材料，其外径为Φ60mm，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，起到润滑的作用，Cu外壳厚度为5mm，随后旋锻包覆Cu外壳的NbTi棒的一头，让NbTi棒和Cu外壳紧密结合，并能穿过拉伸模具，再拉拔为Φ0.56mm的NbTi/Cu单芯线，拉拔过程中道次间加工率为10%。
2）采用扒皮模具去除掉NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，其中扒皮模具材质为碳化钨，碳化钨模具刃口角度控制为10°，刃口长度控制在1mm，扒皮量为0.06mm，扒皮次数1次，获得直径为0.5mm的超细NbTi丝。
3）采用聚四氟乙烯（PTFE）的颗粒直径为200μm，烘烤温度为300℃，绝缘后直径为1.9mm。
4）采用Nb含量为50wt.%的NbTi粉末为原材料，采用选择性激光熔化技术（SLM），通过3D打印获得外径为Φ3.0mm的NbTi毛细管，其中NbTi粉末的粒径为10μm，层厚0.01mm，功率200W，扫描速度为800mm/s，道间距为0.1mm。
5）再采用穿管的方式，将步骤3）绝缘后的超细NbTi丝穿过步骤4）NbTi毛细管，随后通过冷拉拔的方式（拉拔的道次间加工率为2%）成型为Φ2.20mm的线材；
6）在线材两端焊接SMA接头，最终获得量子计算机用超导线材，其结构如图2所示，经过实际验证，该超导线材漏热速率在4-20K的温度下低于0.3μW/K。
实施例2
1）首先，采用Nb含量为53wt.%的NbTi棒为原材料，其外径为Φ50mm，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，起到润滑的作用，Cu外壳厚度为4mm，随后旋锻包覆Cu外壳的NbTi棒的一头，让NbTi棒和Cu外壳紧密结合，并能穿过拉伸模具，再拉拔为Φ0.37mm的NbTi/Cu单芯线，拉拔过程中道次间加工率为15%。
2）采用扒皮模具去除掉NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，其中扒皮模具材质为碳化钨，碳化钨模具刃口角度控制为20°，刃口长度控制在2mm，扒皮量为0.07mm，扒皮次数1次，获得直径为0.3mm的超细NbTi丝。
3）采用聚四氟乙烯（PTFE）的颗粒直径为300μm，烘烤温度为350℃，绝缘后直径为1.1mm。
4）采用Nb含量为53wt.%的NbTi粉末为原材料，采用选择性激光熔化技术（SLM），通过3D打印获得外径为Φ2.0mm的NbTi毛细管，其中NbTi粉末的粒径为20μm，层厚0.05mm，功率500W，扫描速度为1000mm/s，道间距为0.15mm。
5）再采用穿管的方式，将步骤3）绝缘后的超细NbTi丝穿过步骤4）NbTi毛细管，随后通过冷拉拔的方式（拉拔的道次间加工率为5%）成型为Φ1.19mm的线材；
6）在线材两端焊接SMA接头，最终获得量子计算机用超导线材，经过实际验证，该超导线材漏热速率在4-20K的温度下低于0.09μW/K。
实施例3
1）首先，采用Nb含量为55wt.%的NbTi棒为原材料，其外径为Φ40mm，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，起到润滑的作用，Cu外壳厚度为3mm，随后旋锻包覆Cu外壳的NbTi棒的一头，让NbTi棒和Cu外壳紧密结合，并能穿过拉伸模具，再拉拔为Φ0.3mm的NbTi/Cu单芯线，拉拔过程中道次间加工率为20%。
2）采用扒皮模具去除掉NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，其中扒皮模具材质为碳化钨，碳化钨模具刃口角度控制为28°，刃口长度控制在3mm，扒皮量为0.05mm，扒皮次数1次，获得直径为0.25mm的超细NbTi丝。
3）采用聚四氟乙烯（PTFE）的颗粒直径为400μm，烘烤温度为400℃，绝缘后直径为0.8mm。
4）采用Nb含量为55wt.%的NbTi粉末为原材料，采用选择性激光熔化技术（SLM），通过3D打印获得外径为Φ1.5mm的NbTi毛细管，其中NbTi粉末的粒径为35μm，层厚0.04mm，功率800W，扫描速度为1300mm/s，道间距为0.15mm。
5）再采用穿管的方式，将步骤3）绝缘后的超细NbTi丝穿过步骤4）NbTi毛细管，随后通过冷拉拔的方式（拉拔的道次间加工率为10%）成型为Φ1.0mm的线材；
6）在线材两端焊接APC接头，最终获得量子计算机用超导线材，经过实际验证，该超导线材漏热速率在4-20K的温度下低于0.0.7μW/K。
实施例4
1）首先，采用Nb含量为60wt.%的NbTi棒为原材料，其外径为Φ30mm，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，起到润滑的作用，Cu外壳厚度为2mm，随后旋锻包覆Cu外壳的NbTi棒的一头，让NbTi棒和Cu外壳紧密结合，并能穿过拉伸模具，再拉拔为Φ0.22mm的NbTi/Cu单芯线，拉拔过程中道次间加工率为30%。
2）采用扒皮模具去除掉NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，其中扒皮模具材质为碳化钨，碳化钨模具刃口角度控制为30°，刃口长度控制在4mm，扒皮量为0.02mm，扒皮次数1次，获得直径为0.20mm的超细NbTi丝。
3）采用聚四氟乙烯（PTFE）的颗粒直径为500μm，烘烤温度为500℃，绝缘后直径为0.6mm。
4）采用Nb含量为60wt.%的NbTi粉末为原材料，采用选择性激光熔化技术（SLM），通过3D打印获得外径为Φ1.1mm的NbTi毛细管，其中NbTi粉末的粒径为50μm，层厚0.05mm，功率900W，扫描速度为1500mm/s，道间距为0.2mm。
5）再采用穿管的方式，将步骤3）绝缘后的超细NbTi丝穿过步骤4）NbTi毛细管，随后通过冷拉拔的方式（拉拔的道次间加工率为8%）成型为Φ0.86mm的线材；
6）在线材两端焊接GPPO接头，最终获得量子计算机用超导线材，其结构如图2所示，经过实际验证，该超导线材漏热速率在4-20K的温度下低于0.0.6μW/K。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下具体步骤：
步骤一、先以NbTi棒为原材料，在NbTi棒的表面包覆一层Cu外壳，然后采用旋锻的方式使Cu外壳与NbTi棒的一端紧密结合，并使其穿过拉拔模具，拉拔为NbTi/Cu单芯线；
步骤二、将步骤一获得的NbTi/Cu单芯线通过扒皮模具进行扒皮处理，以去除NbTi/Cu单芯线表面的全部Cu皮，获得NbTi丝；
步骤三、将步骤二获得的NbTi丝放入挤出机，采用聚四氟乙烯为绝缘材料，在挤出聚四氟乙烯的同时进行烘烤，完成对NbTi丝的聚四氟乙烯绝缘；
步骤四、采用与步骤一中成分相同的NbTi粉末为原材料，使用选择性激光熔化3D打印技术获得NbTi毛细管；
步骤五、通过穿管的方式将步骤三绝缘后的NbTi丝与步骤四中获得的NbTi毛细管进行装配，其中绝缘后的NbTi丝位于NbTi毛细管的中部，再通过冷拉拔的方式进行成型；
步骤六、在步骤五获得的线材两端焊接接头，最终得到量子计算机用超导线材。
2.根据权利要求1所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤一中采用的NbTi棒中Nb的含量为50～60wt.%，所述NbTi棒的直径为30～60mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤一中采用Cu外壳的厚度为2～5mm，穿过拉拔模具进行拉拔时，拉拔道间加工率为10～30%。
4.根据权利要求1所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤二中扒皮模具的材质为碳化钨，扒皮模具刃口角度为10～35°，刃口长度为1～4mm，扒皮量为0.01～0.1mm，扒皮次数为1次，用于去除全部的Cu皮，获得NbTi丝。
5.根据权利要求1所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤三中采用的聚四氟乙烯颗粒直径为200～500μm，烘烤时温度为300～500℃，绝缘层厚度为0.1～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤四中NbTi粉末的粒径为10～50μm，选择性激光熔化3D打印参数设定为：层厚0.01～0.05mm，功率200～900W，扫描速度为800～1500mm/s，道间距为0.1～0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤五中冷拉拔的道次间加工率为2～10%，用于使NbTi毛细管与绝缘后NbTi丝紧密结合。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种量子计算机用超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤六中使用的接头型号为SMA、APC或GPPO。
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