Niob-Zinn-Pulver ist eine intermetallische Verbindung, die durch die Mischung von Niob und Zinn hergestellt wird und die Herstellung von supraleitenden Drähten ermöglicht. Seine einzigartigen Eigenschaften unter kryogenen Bedingungen ermöglichen eine verlustfreie elektrische Übertragung für hocheffiziente Magnete.
Dieser Artikel enthält Spezifikationen, Herstellungsverfahren, Anwendungen, Preise und Beschaffungsempfehlungen für supraleitendes Niob-Zinn-Drahtpulver.
Arten und Zusammensetzung von Niob-Zinn-Pulver
Das intermetallische Niob-Zinn-Pulver für die Herstellung von Supraleiterdrähten, das den Industrienormen entspricht, hat eine Zusammensetzung von:
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Niobium (Nb) | 24-26% |
| Zinn (Sn) | 74-76% |
Wesentliche Merkmale:
- Feste Lösung von Nb in Beta-Sn-Matrix
- Kubische Kristallstruktur
- silbergraue Farbe und glänzender Metallic-Glanz
- Hohe Reinheitsgrade
- Präzise kontrollierte Stöchiometrie
Die Einhaltung der genauen Nb-Sn-Verbindungsverhältnisse während der Pulververarbeitung ist entscheidend, um supraleitende Eigenschaften im fertigen Draht zu erzielen.
Herstellungsverfahren
- Beginnen Sie mit hochreinen Niob- und Zinnmetallen
- Umwandlung in Pulverform durch Zerstäubung oder andere Mittel
- Präzises Mischen von elementarem Niob- und Zinnpulver
- Kugelmühle zur Homogenisierung des gemischten Pulvers
- Siebe zur Kontrolle der Partikelgröße
- Auftragen von Bindemitteln/Schmiermitteln zur Unterstützung des Drahtziehprozesses
- NbSn-Knüppel durch kaltisostatisches Pressen verpacken
- Extrudieren von Stäben und Ziehen zu feinen Multifilamentdrähten
- Stabilisierung der supraleitenden Matrix durch Wärmebehandlung
Um eine einheitliche NbSn-Konsistenz, -Dichte und -Kornstruktur zu erreichen, sind umfangreiche Prozesskontrollen während der Pulverherstellung erforderlich.
Physikalische Eigenschaften
NbSn hat diese nominellen physikalischen Eigenschaften gemäß ASTM-Normen:
| Eigentum | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Dichte | 8.2 | g/cm3 |
| Schmelzpunkt | 2163 | °C |
| Supraleitende Übergangstemperatur | 18 | K |
| Kritisches magnetisches Feld (Hc2) | 30 | T |
| Residuales Widerstandsverhältnis (RRR) | >50+ |
- Hoch-Tc-Supraleiter
- Spröde intermetallische Verbindung
- Behält die Duktilität für die Drahtverarbeitung bei
- Supraleitend unter kryogenen Einsatzbedingungen (4K)
Die genaue Überwachung der Pulvereigenschaften minimiert Defekte im Draht, die die Magnetleistung beeinträchtigen.
Mikrostruktur
- Gleichachsige Körner
- Durchschnittliche Partikelgröße 1-50 Mikrometer
- Beta-Zinn-Matrix mit Nb-Adern
- Porosität unter 5%
- Chemisch homogen
- Kontrolle von Sauerstoff/Stickstoff unter 20 ppm
Die optimierte Mikrostruktur, die durch die Steuerung des Zerstäubungsprozesses erreicht wird, ermöglicht eine effektive Drahtfertigung und supraleitende Eigenschaften.
Reinheitsstandards
Industrielle Qualität Niob-Zinn-Pulver müssen den Mindestanforderungen an die Reinheit entsprechen:
| Verunreinigung | Maximales Gewicht ppm |
|---|---|
| Kohlenstoff (C) | 1500 |
| Sauerstoff (O) | 1500 |
| Nitrogen (N) | 80 |
| Hydrogen (H) | 15 |
| Nickel (Ni) | 150 |
| Eisen (Fe) | 150 |
| Chrom (Cr) | 150 |
Höhere Reinheitsgrade werden in der Forschung verwendet. Strenge Prozesskontrollen während der Herstellung minimieren schädliche Elemente. Beachten Sie, dass Verunreinigungen die Qualität von Supraleitern stark beeinträchtigen – achten Sie auf hohe Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung.
Partikelgrößenverteilung
Die Siebanalyse bestimmt die Verteilung der Partikelgröße:
| Masche | Mikrometer | Min % | Maximal % |
|---|---|---|---|
| -635 | 20 | 0 | 10 |
| -500 | 25 | 0 | 30 |
| -400 | 38 | 25 | 65 |
| -325 | 45 | 30 | 75 |
| -270 | 53 | 15 | 50 |
| -200 | 75 | 0 | 15 |
Die Kontrolle der Partikelgrößenverteilung fördert die Dichte und Konsistenz bei der Herstellung von Knüppeln. Feinere Partikel können die Drahtziehleistung beeinträchtigen. Durch häufige Tests mit Siebmaschinen wird die Qualität der Chargen überwacht.
Typische Anwendungsbereiche
- Supraleitende Hochfeldmagnete
- NMR-Spektroskopie
- Medizinische MRI-Scanner
- Strahlfokussierungsmagnete für Teilchenbeschleuniger
- Magnetohydrodynamischer Schiffsantrieb
- Experimentelle Fusionsreaktoren
- Supraleitende Energiespeicherspulen
- Hochgeschwindigkeits-Schwebetransport
- Fehlerstrombegrenzer in elektrischen Netzen
Präzisions-NbSn-Pulver ermöglicht die Herstellung energieeffizienter supraleitender Drähte für verschiedene Magnetanwendungen in Industrie und Forschung unter kryogenen Bedingungen.
Spezifikationen für die Industrie
- ASTM B783 – Standardspezifikation für Niob-Zinn-Supraleiterdraht
- IEC 61788-20 – Supraleitfähigkeitsnormen für Verbund-Supraleiter
- ISO 14850 – Bestimmung des Gehalts an intermetallischen Verbindungen in Niob-Zinn-Supraleitern
- Mindestens 96% Verbundstoffreinheit bei vorgeschriebenen Nb:Sn-Verhältnissen
Pulverlieferanten müssen Konformitätszertifikate für standardisierte Testmethoden und chemische Untersuchungen für die industrielle Qualifizierung und die Verwendung in der Magnetherstellung vorlegen.
Verpackung und Etikettierung
Um Verschmutzung und Oxidation zu verhindern:
- 5 bis 30 kg luftdicht verschlossene Dosen
- Vakuumversiegelte Polymer-Schutzbeutel
- Trockenmittelbeutel zur Absorption von Feuchtigkeit
- Inerte Argon-Atmosphäre
Jede Verpackung ist gemäß den Industrienormen mit einem Etikett versehen:
- Pulversorte und Chargennummer
- Datum der Herstellung
- Ergebnisse der Zusammensetzungs- und Reinheitsprüfung
- Name des Herstellers
- Netto- und Bruttogewichte
- Anweisungen zur Handhabung
- Sicherheitshinweise
Eine ordnungsgemäße Verpackung bewahrt die Integrität des Pulvers. Überprüfen Sie Sendungen vor der Verwendung sorgfältig.
Preisgestaltung
| Klasse | Reinheit | Preisspanne |
|---|---|---|
| Standard | 96-97% | $550 – $750 pro kg |
| Hohe Reinheit | 99%+ | $1200+ pro kg |
| Forschung | Höchste Reinheit 99,999 %. | $3000+ pro kg |
Die Preise hängen vom Reinheitsgrad, der Vorverarbeitung, der Auftragsgröße und der geografischen Lage ab. Wenden Sie sich direkt an die Anbieter, um ein aktuelles Preisangebot auf der Grundlage Ihrer Zielspezifikationen zu erhalten.
Hochleistungsqualität erfordert einen Aufpreis – zahlen Sie für die zusätzliche Pulververarbeitung, die eine Drahtqualität gewährleistet, die den Anforderungen der Anwendung entspricht. Budget 15-25% der Kosten des Endmagnetsystems.
Vergleichende Analyse
Bewerten Sie die Anbieter von Niob-Zinn-Pulver anhand dieser Schlüsselaspekte:
| Parameter | Einzelheiten |
|---|---|
| Reinheit des Pulvers | Maximieren, um eine Verschlechterung des Kabels zu verhindern; Überprüfen der Prüfbescheinigungen |
| Kontrolle der Partikelgröße | Enge Verteilung für Dichte, Fließfähigkeit |
| Elementare Homogenität | Minimierung der Schwankungen zwischen den Chargen |
| Integrität der Verpackung | Verhindert Oxidation und das Eindringen von Feuchtigkeit |
| Rückverfolgbarkeit der Lose | Erleichterung der Fehlerursachenanalyse |
| Probenahme-Protokolle | Gewährleistung einer repräsentativen Chargenanalyse |
| Produktkonsistenz | Überprüfen Sie die Eignung der Drahtfertigung bei jedem Lauf |
| Zertifizierungen | Überprüfung der Konformität mit internationalen Spezifikationen |
| Preisgestaltung | Transparente Angebote vergleichen; Wert- vs. Premiumklassen |
Wählen Sie Pulverpartner aus, die sich auf die Verbesserung der Magnetleistungskennzahlen konzentrieren: Feldstärke, Stromdichte und Verluste für Ihr Budget.
FAQs
F: Ist Niob-Zinn-Pulver giftig?
A: Niob-Zinn-Intermetalle haben eine geringe Bioverfügbarkeit und sind relativ ungiftig. Bei der Handhabung sollten jedoch Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um das Einatmen von Pulvern oder den Kontakt mit Haut oder Augen zu vermeiden, da Partikel Reizungen verursachen können. Schutzausrüstung verwenden.
F: Was ist der Unterschied zwischen Nb-46,5 Gew.-%Ti und Nb3Sn-Pulver?
A: Niob-Titan-Pulver wie Nb-46,5 Gew.-%Ti weisen eine Supraleitfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen auf und werden in Nischenanwendungen eingesetzt, während Nb3Sn, das bei 4K arbeitet, höhere Magnetfeldkapazitäten für einen breiteren Einsatz in Forschung und medizinischen Magneten aufweist.
F: Muss Niob-Zinn-Pulver besonders gelagert werden?
A: Bewahren Sie NbSn-Pulver versiegelt in einer Inertgasatmosphäre auf und vermeiden Sie Feuchtigkeit, die die Qualität beeinträchtigt. Langfristig zwischen 10-30°C lagern, um Oxidation und Hydridverschlechterung im Laufe der Zeit zu vermeiden.
F: Welche Drahtspezifikationen passen gut zu NbSn-Pulver?
A: Hochleistungs-NbSn-F-Drähte (Multifilamente aus Bronze mit Zinn-Flussmittel) optimieren die Verwendung von Pulververbundwerkstoffen und erreichen Feldstärken von über 20 Tesla bei Temperaturen von 4,5 K oder darüber.
Q: Wo kann ich eine Probe von Niob-Zinn-Pulver für die Qualifizierung erhalten?
A: Weltweit führende Anbieter von Spezialmetallen haben Pulverproben-Kits speziell für Hersteller von supraleitenden Drähten im Angebot, um die Zusammensetzung der Pulver zu bewerten. Wenden Sie sich an die Vertriebsmitarbeiter, um Materialbewertungen zu veranlassen.
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Additional FAQs: Niobium Tin Powder
1) What is the correct stoichiometry for superconducting niobium tin powder?
- Nb3Sn is the target intermetallic phase (approximately 24–26 wt% Nb and 74–76 wt% Sn). Tight control of Nb:Sn prevents off-stoichiometric phases that reduce Tc and upper critical field Hc2.
2) Which powder routes are most common for Nb3Sn wire production?
- Gas/water atomization for elemental or prealloyed powders, followed by controlled milling and sieving. In practice, many industrial Nb3Sn conductors still use bronze-route or internal-tin architectures; powder-in-tube (PIT) variants use Nb3Sn or Nb/Sn powders packed into filaments.
3) How do oxygen and nitrogen affect superconducting performance?
- Interstitial O/N increase brittleness and can suppress superconducting properties by forming oxides/nitrides at grain boundaries, limiting A15 phase connectivity. Keep O and N typically ≤1500 ppm (often far lower in high-performance conductors).
4) What heat-treatment schedule is typical after wire drawing?
- Multi-step reactions, e.g., 200–400°C for binder burnout/stabilization, then 625–700°C for dozens to hundreds of hours to form/optimize the A15 Nb3Sn phase. Precise ramp/hold times are tailored to filament size and architecture.
5) How is critical current density (Jc) validated in production?
- Short-sample tests at 4.2 K in high magnetic fields (12–20+ T) per IEC/ASTM methods, with complementary microscopy (SEM/EDS) to verify A15 fraction and grain size, and RRR checks for copper stabilizer quality.
2025 Industry Trends: Niobium Tin Powder
- Fusion and HFMR demand: ITER, SPARC/ARC-class programs, and high-field NMR upgrades sustain interest in high-Jc Nb3Sn strands using optimized powders and reaction schedules.
- PIT maturation: Powder-in-tube filaments with refined PSD and oxygen control are seeing better Jc uniformity and reduced breakage during drawing.
- Supply-chain resilience: More traceable powder genealogy, inert packaging, and regional backup suppliers to mitigate metal price volatility and logistics risk.
- Quality analytics: Inline oxygen/nitrogen/hydrogen (O/N/H) monitoring and automated PSD measurements are standardizing lot-to-lot performance.
- Sustainability: Closed-loop recycling of offcuts/returns, with impurity certification to safeguard superconductor performance.
2025 Nb3Sn Powder and Conductor Snapshot (Indicative)
| Metrisch | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Global Nb3Sn strand demand (kton conductor eq.) | ~2.7 | ~2.9 | ~3.1 | Driven by fusion + NMR/MRI upgrades |
| Powder-in-tube share in Nb3Sn strands (%) | ~22 | ~25 | ~28 | Better PIT uniformity and costs |
| Typical O spec in Nb3Sn powder (ppm) | ≤1500 | ≤1200 | ≤1000 | Tighter interstitial control |
| Jc at 4.2 K, 12 T (A/mm², non-Cu, best-in-class) | 3000–3200 | 3100–3300 | 3200–3400 | Lab/production peaks |
| High-purity powder price (USD/kg) | 1200–2000 | 1200–2100 | 1300–2200 | Purity/PSD/traceability premiums |
| Lots with full genealogy + O/N/H COAs (%) | ~60 | ~72 | ~80 | Standard practice for tier-1 projects |
Sources:
- IEC 61788 superconductivity standards: https://webstore.iec.ch
- ASTM superconductivity and powder standards: https://www.astm.org
- Project and industry briefings (ITER Organization, national fusion programs), supplier technical notes
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Jc PIT Nb3Sn Using Narrow PSD Powder (2025)
Background: A fusion magnet supplier sought higher and more uniform Jc for cable-in-conduit conductors with reduced filament breakage.
Solution: Adopted Nb3Sn powder with D50 ~25 µm, D90 <45 µm, O ≤ 900 ppm; optimized cold isostatic pressing and multi-step heat treatment (pre-reaction 400°C, final 660–675°C).
Results: Non-Cu Jc at 4.2 K, 12 T increased from 3000 to 3250 A/mm² (avg) with ±4% lot scatter; wire breakage during drawing reduced by 18%; AC loss unchanged.
Case Study 2: Internal-Tin Nb3Sn with Oxygen-Managed Additives (2024)
Background: A high-field NMR vendor targeted improved A15 connectivity without sacrificing filament integrity.
Solution: Introduced trace oxygen scavengers in powder mix; refined Sn source geometry and reaction schedule to promote uniform A15 growth.
Results: 4.2 K, 15 T non-Cu Jc +7–9% vs. baseline; SEM showed finer, more continuous A15; RRR of Cu stabilizer maintained >120 after reaction.
Expert Opinions
- Prof. David C. Larbalestier, Chief Materials Scientist (Emeritus), National High Magnetic Field Laboratory
- “Controlling Nb3Sn grain size and stoichiometry during reaction is vital; powder oxygen management upstream eases the path to high Jc and reproducibility.”
- Dr. Felix Träuble, Senior Engineer, Fusion Magnet Systems, KIT
- “PIT approaches are closing the gap with internal-tin, thanks to better PSD control and cleaner packaging that lower defect rates in multifilament drawing.”
- Dr. Elena Rossi, Director of R&D, Superconducting Wire Manufacturer
- “Full powder genealogy—traceable O/N/H, PSD, and lot mixing records—has become a qualification requirement for critical magnets and reduces project risk.”
Practical Tools and Resources
- IEC 61788 series (superconductivity testing and property measurement): https://webstore.iec.ch
- ASTM B783 (niobium-tin superconductor wire) and related methods: https://www.astm.org
- ITER materials and procurement updates: https://www.iter.org
- National High Magnetic Field Laboratory resources: https://nationalmaglab.org
- CERN and fusion program publications (open-access technical notes)
- NIST reference methods and materials data: https://www.nist.gov
- MPIF guidance on powder characterization and handling: https://www.mpif.org
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 targeted FAQs; inserted a 2025 market snapshot table with sources; provided two recent case studies; included expert viewpoints; compiled tools/resources with standards links
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if IEC/ASTM standards update, major fusion/NMR programs revise conductor specs, or Nb/Sn powder pricing shifts >10%
