pó de estanho de nióbio é um composto intermetálico feito da mistura de nióbio e estanho que permite a fabricação de fios supercondutores. Suas propriedades exclusivas em condições criogênicas permitem a transmissão elétrica sem perdas para ímãs altamente eficientes.
Este artigo fornece especificações, método de fabricação, aplicações, preços e consultoria de sourcing sobre o pó de fio supercondutor de nióbio-estanho.
Tipos e composição de pó de estanho de nióbio
O pó intermetálico de nióbio e estanho para a produção de fios supercondutores que atendem aos padrões industriais terá uma composição de:
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Nióbio (Nb) | 24-26% |
| Estanho (Sn) | 74-76% |
Principais características:
- Solução sólida de Nb em matriz beta-Sn
- Estrutura cristalina cúbica
- cor cinza-prateada e brilho metálico brilhante
- Altos níveis de pureza
- Estequiometria controlada com precisão
Manter as proporções exatas do composto Nb-Sn durante o processamento do pó é fundamental para obter propriedades supercondutoras no fio final.
Processo de fabricação
- Comece com metais de nióbio e estanho de alta pureza
- Converter para a forma de pó por atomização ou outros meios
- Misture com precisão os pós elementares de nióbio e estanho
- Moinho de bolas para homogeneizar o pó misturado
- Peneira para controle de tamanhos de partículas
- Aplicar aglutinantes/lubrificantes para ajudar no processo de trefilação
- Embalar tarugos de NbSn por meio de prensagem isostática a frio
- Extrusão de hastes e trefilação em fios finos de multifilamentos
- Estabilizar a matriz supercondutora por meio de tratamento térmico
Para obter consistência, densidade e estrutura de grãos de NbSn uniformes, são necessários amplos controles de processo durante a produção do pó.
Propriedades físicas
O NbSn tem essas propriedades físicas nominais de acordo com os padrões ASTM:
| Propriedade | Valor | Unidade |
|---|---|---|
| Densidade | 8.2 | g/cm3 |
| Ponto de fusão | 2163 | °C |
| Temperatura de transição supercondutora | 18 | K |
| Campo magnético crítico (Hc2) | 30 | T |
| Índice de resistividade residual (RRR) | >50+ |
- Supercondutor de alta Tc
- Composto intermetálico quebradiço
- Mantém a ductilidade para a fabricação de fios
- Supercondutor em condições de uso criogênico (4K)
O monitoramento preciso dos atributos do pó minimiza os defeitos no fio que degradam o desempenho do ímã.
Microestrutura
- Grãos equiaxiais
- Tamanhos médios de partículas de 1 a 50 mícrons
- Matriz de betaestanho com veios de Nb
- Porosidade sob 5%
- Quimicamente homogêneo
- Controle o oxigênio/nitrogênio abaixo de 20 ppm
A microestrutura otimizada obtida por meio de controles do processo de atomização permite a fabricação eficaz de fios e propriedades supercondutoras.
Padrões de pureza
Grau industrial pó de estanho de nióbio deve atender a requisitos mínimos de pureza:
| Impureza | Peso máximo ppm |
|---|---|
| Carbono (C) | 1500 |
| Oxigênio (O) | 1500 |
| Nitrogênio (N) | 80 |
| Hidrogênio (H) | 15 |
| Níquel (Ni) | 150 |
| Ferro (Fe) | 150 |
| Cromo (Cr) | 150 |
Níveis de pureza mais altos usados em aplicações de pesquisa. Controles rigorosos de processo durante a fabricação minimizam os elementos prejudiciais. Observe que a contaminação afeta muito a qualidade do supercondutor - mantenha as precauções de manuseio elevadas.
Distribuição do tamanho das partículas
A análise da peneira determina a distribuição do tamanho das partículas:
| Malha | Microns | Mínimo % | Máximo % |
|---|---|---|---|
| -635 | 20 | 0 | 10 |
| -500 | 25 | 0 | 30 |
| -400 | 38 | 25 | 65 |
| -325 | 45 | 30 | 75 |
| -270 | 53 | 15 | 50 |
| -200 | 75 | 0 | 15 |
O controle da distribuição do tamanho das partículas promove a densidade e a consistência durante a fabricação do tarugo. As partículas mais finas podem prejudicar o desempenho da trefilação. Testes frequentes com agitadores de peneira monitoram a qualidade do lote.
Aplicações de uso típico
- Ímãs supercondutores de alto campo
- Espectroscopia de NMR
- Scanners médicos de ressonância magnética
- Ímãs de focalização de feixe para aceleradores de partículas
- Propulsão magneto-hidrodinâmica de navios
- Reatores de fusão experimentais
- Bobinas supercondutoras de armazenamento de energia
- Transporte por levitação de alta velocidade
- Limitadores de corrente de falha em redes elétricas
O pó de NbSn de precisão permite a fabricação de fios supercondutores com eficiência energética para várias aplicações de ímãs industriais e de pesquisa em condições de uso criogênico.
Especificações do setor
- ASTM B783 - Especificação padrão para fios supercondutores de nióbio-estanho
- IEC 61788-20 - Padrões de supercondutividade para supercondutores compostos
- ISO 14850 - Determinação do teor de compostos intermetálicos em supercondutores de nióbio-estanho
- Pureza mínima do composto 96% com as proporções prescritas de Nb:Sn
Os fornecedores de pó devem fornecer certificados de conformidade com métodos de teste padronizados e ensaios químicos para qualificação industrial e uso na fabricação de ímãs.
Embalagem e rotulagem
Para evitar contaminação e oxidação:
- Latas herméticas de 5 a 30 kg
- Sacos de polímero protetores selados a vácuo
- Sacos dessecantes para absorver a umidade
- Atmosfera inerte de argônio
Cada embalagem é rotulada de acordo com as normas industriais com:
- Grau do pó e número do lote
- Data de fabricação
- Resultados dos testes de composição e pureza
- Nome do fabricante
- Pesos líquidos e brutos
- Instruções de manuseio
- Avisos de segurança
A embalagem adequada preserva a integridade do pó. Inspecione as remessas cuidadosamente antes de usá-las.
Preços
| Grau | Pureza | Faixa de preço |
|---|---|---|
| Padrão | 96-97% | $550 - $750 por kg |
| Alta pureza | 99%+ | $1200+ por kg |
| Pesquisa | Pureza ultra-alta 99,999% | $3000+ por kg |
O preço depende dos níveis de pureza, do processamento preliminar, do tamanho dos pedidos e das regiões geográficas. Entre em contato diretamente com os fornecedores para obter cotações de preços atualizadas com base nas especificações desejadas.
O grau de alto desempenho exige um prêmio - pague pelo processamento adicional do pó que garante que a qualidade do fio atenda às necessidades da aplicação. Orçamento 15-25% custo do sistema de ímã final.
Análise comparativa
Avalie os fornecedores de pó de estanho de nióbio com base nesses aspectos fundamentais:
| Parâmetro | Detalhes |
|---|---|
| Pureza do pó | Maximize para evitar a degradação do fio; verifique os certificados de ensaio |
| Controle de tamanho de partícula | Distribuição rígida para densidade e fluidez |
| Homogeneidade elementar | Minimizar a variação entre lotes |
| Integridade da embalagem | Evita a oxidação e a entrada de umidade |
| Rastreabilidade do lote | Facilitar a análise da causa raiz do defeito |
| Protocolos de amostragem | Garantir a análise de lotes representativos |
| Consistência do produto | Validar a adequação da fabricação do fio a cada execução |
| Certificações | Analisar a conformidade com as especificações internacionais |
| Preços | Compare cotações transparentes; valor vs. graus premium |
Selecione parceiros de pó focados em impulsionar as métricas de desempenho do ímã - força de campo, densidade de corrente e perdas para o seu orçamento.
perguntas frequentes
P: O pó de nióbio-estanho é tóxico?
R: Os intermetálicos de nióbio e estanho têm baixa biodisponibilidade e são relativamente não tóxicos. Mas devem ser tomadas precauções de manuseio para evitar a inalação de pós ou o contato com a pele ou os olhos, pois as partículas podem causar irritação. Use equipamento de proteção.
P: Qual é a diferença entre o pó de Nb-46,5wt%Ti e o pó de Nb3Sn?
R: Os pós de nióbio-titânio, como o Nb-46,5wt%Ti, apresentam supercondutividade em temperaturas mais baixas e são usados em aplicações de nicho, enquanto o Nb3Sn operando a 4K tem maior capacidade de campo magnético para uso mais amplo em pesquisas e ímãs médicos.
P: O pó de estanho de nióbio precisa de armazenamento especial?
R: Mantenha o pó de NbSn selado em atmosfera de gás inerte, longe da umidade, que degrada a qualidade. Armazene a longo prazo em temperaturas entre 10 e 30°C, evitando a oxidação e a deterioração do hidreto ao longo do tempo.
P: Quais especificações de fio combinam bem com o pó de NbSn?
R: Os fios NbSn F de alto desempenho (multifilamento de processo de bronze com fluxo de estanho) otimizam adequadamente o uso de compostos de pó, alcançando forças de campo acima de 20 Tesla a temperaturas de 4,5K ou superiores.
P: Onde posso obter testes de amostras de pó de estanho de nióbio para qualificação?
R: Os principais fornecedores globais de metais especiais têm kits de amostras de pó disponíveis especificamente para os fabricantes de fios supercondutores avaliarem as composições de pó. Entre em contato com os representantes de vendas para iniciar as avaliações de materiais.
conhecer mais processos de impressão 3D
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)
| Métrico | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | Notas |
|---|---|---|---|---|
| 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%
