Niob-Zinn-Legierungsstangen Beschreibung
Niob-Zinn-Legierungsstangen dienen als duktile Vorstufen für die Herstellung von supraleitenden Hochleistungsdrähten aus Nb₃Sn und nutzen die außergewöhnlichen Eigenschaften der A15-Kristallstruktur bei gleichzeitiger Umgehung der inhärenten Sprödigkeit. Die intermetallische Verbindung erreicht eine kritische Temperatur von 18 K, die deutlich über der von NbTi-Legierungen liegt, und hält kritische Stromdichten von über 2.000 A/mm² unter 12 Tesla-Feldern bei 4,2 K Betriebstemperaturen aufrecht. Diese Leistung ist auf ein starkes Pinning des Flusses an den Korngrenzen zurückzuführen, erfordert jedoch eine präzise stöchiometrische Kontrolle im Bereich von Nb-25at%Sn.
Mechanische Beschränkungen stellen eine große Herausforderung dar: Die umgesetzte Nb₃Sn-Phase weist eine extreme Zerbrechlichkeit mit Bruchdehnungen von unter 0,2 % auf, die durch eine Fehlanpassung der Wärmeausdehnung (Δα ≈ 6×10-⁶/K) zwischen dem supraleitenden Kern und der Bronzediffusionsmatrixnoch verstärkt wird . Folglich ermöglicht die Stangenvorläuferform das Ziehen von Drähten und das Wickeln von Spulen vor der abschließenden Wärmebehandlung bei 650-700 °C, die die supraleitende Phase bildet.
Zu den elektromagnetischen Eigenschaften gehört ein oberes kritisches Feld von annähernd 30 T am absoluten Nullpunkt, aber die Leistung ist sehr dehnungsempfindlich - der kritische Strom nimmt bei 0,3 % Zugdehnung um 50 % ab, so dass bei der Magnettechnik Druckvordehnungen erforderlich sind. Die Dotierung mit Titan oder Gallium (3-7at%) erhöht die Pinning-Festigkeit und die Strahlungsbeständigkeit. Während der reaktiven Diffusion erzeugt der Sn-Transport aus der Bronzematrix 2-5μm große Nb₃Sn-Körner, wobei die Kinetik des Schichtwachstums von Cu-Sn-Zusammensetzungsgradienten bestimmt wird.
Diese Eigenschaften ermöglichen hochmoderne Anwendungen, darunter die toroidalen Feldspulen des ITER-Fusionsreaktors (13,5 T), die Aufrüstung des LHC mit hoher Leuchtkraft am CERN (11 T Dipole) und 23,5 T NMR-Spektrometer, wobei die laufende Forschung auf künstliche Pinning-Zentren zur weiteren Jc-Verbesserung abzielt.
Niob-Zinn-Legierungsstangen Anwendungen
1. Kernfusionsreaktoren
ITER Toroidal Field Coils (Frankreich): 18 Nb₃Sn-Spulen erzeugen 13,5 Tesla für den Plasmaeinschluss (gespeicherte Energie: 41 GJ).
SPARC (MIT/CFS): Kompakter Tokamak mit 8,2T Nb₃Sn-Magneten zur Demonstration des Netto-Energiegewinns (2025+).
2. Teilchenbeschleuniger
LHC High-Luminosity Upgrade (CERN): 11T Nb₃Sn-Dipole ersetzen NbTi-Magnete und erhöhen die Kollisionsraten um das 10-fache (Betrieb: 2029).
FCC-hh (Future Circular Collider): Vorgeschlagene 16T-Magnete für 100 TeV Kollisionsenergie.
3. Hochfeld-NMR-Spektrometer
1,2 GHz NMR (23,5T): Nb₃Sn/NbTi-Hybridmagnete für die Analyse von Proteinstrukturen mit atomarer Auflösung (z. B. Bruker Ascend® Aeon).
4. Kompakte Fusionsgeräte
ARC-Reaktor (MIT): Zerlegbare Voll-Nb₃Sn-Magnete, die 9,2T-Felder erreichen und schnell gewartet werden können.
5. Medizinische Bildgebung
MRT der nächsten Generation: Prototyp eines 7T-Ganzkörperscanners mit Nb₃Sn-Spulen für verbesserte Auflösung in der Neurobildgebung.
6. Energiespeicherung
SMES (supraleitende magnetische Energiespeicher): 100-MJ-Nb₃Sn-Systeme für die Netzstabilität (z. B. das Swiss-SMES-Projekt).
Niob-Zinn-Legierungsstangen Verpackung
Unsere Produkte werden in kundenspezifischen Kartons verschiedener Größen verpackt, die auf den Materialabmessungen basieren. Kleine Artikel werden sicher in PP-Kartons verpackt, während größere Artikel in maßgeschneiderte Holzkisten gelegt werden. Wir sorgen für eine strikte Einhaltung der Verpackungsanpassung und die Verwendung geeigneter Polstermaterialien, um einen optimalen Schutz während des Transports zu gewährleisten.
Verpackung: Karton, Holzkiste, oder kundenspezifisch.
Bitte sehen Sie sich die Verpackungsdetails zu Ihrer Information an.
Herstellungsprozess
1)Prüfverfahren
(1)Analyse der chemischen Zusammensetzung - Verifiziert mit Techniken wie GDMS oder XRF, um die Einhaltung der Reinheitsanforderungen zu gewährleisten.
(2)Prüfung der mechanischen Eigenschaften - Umfasst Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnungstests zur Bewertung der Materialleistung.
(3)Maßprüfung - Misst Dicke, Breite und Länge, um die Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen zu gewährleisten.
(4)Prüfung der Oberflächenqualität - Überprüfung auf Defekte wie Kratzer, Risse oder Einschlüsse durch Sicht- und Ultraschallprüfung.
(5)Härteprüfung - Bestimmung der Materialhärte zur Bestätigung der Gleichmäßigkeit und mechanischen Zuverlässigkeit.
Detaillierte Informationen entnehmenSie bitte den SAM-Prüfverfahren.
FAQs zu Niob-Zinn-Legierungsstäben
Q1. Warum sollte man Nb₃Sn gegenüber NbTi wählen?
Die A15-Kristallstruktur ermöglicht höhere kritische Parameter: Tc=18K (gegenüber 9K für NbTi), Bc2(4.2K)>25T (gegenüber der 8T-Grenze), was den Betrieb des Magneten bei höheren Temperaturen/Feldern mit geringeren Kühlkosten ermöglicht.
Q2. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Herstellung?
Die umgesetzte Nb₃Sn-Phase weist eine inhärente Sprödigkeit auf (Bruchdehnung <0,2 %), so dass duktile Nb-Sn-Vorstufen nach dem Bronzeverfahren/inneren Zinnverfahren erforderlich sind, gefolgt von einer Diffusionsglühung bei 650-700 °C.
Q3. Wo ist Nb₃Sn unverzichtbar?
1. Kernfusion (ITER's 13,5T Toroidalspulen)
2. Ultrahochfeld-Beschleuniger (die 11T-Dipole der LHC-Upgrades)
3. ≥1GHz-NMR-Spektrometer(23,5T-Hybridmagnete)
Verwandte Informationen
1.übliche Präparationsmethoden
Nb₃Sn-Leiter beruhen auf der Herstellung duktiler Vorläufer durch das Bronzeverfahren (Sn-Cu-Matrix mit Nb-Stäben) oder die interne Zinnmethode (Sn-Kerne in Nb-Röhren), die eine Wicklung vor der Reaktion ermöglicht. Die supraleitende Phase bildet sich durch Festkörperdiffusionsglühen bei 650-700 °C über 50-200 Stunden, wobei Sn in Nb eindringt und spröde A15-Kristalle bildet. Diese Hochtemperatursynthese bringt zwei kritische Einschränkungen mit sich: ein Ungleichgewicht in der Wärmeausdehnung (Δα≈6×10-⁶K-¹ zwischen Nb und Bronze), das eine Restdehnung verursacht, und eine inhärente Sprödigkeit (Bruchdehnung <0,2 %), die eine spezielle Handhabung erfordert. Die Nachbearbeitung erfordert eine Kupferummantelung/Stabilisator zum Schutz vor Abschreckung und eine Vorkompressionswicklung (-0,6 % Dehnung) zum Ausgleich von Zugspannungen während des Magnetbetriebs. Die Leistungsoptimierung umfasst eine Ti/Ga-Dotierung (3-7 at%) zur Verbesserung des oberen kritischen Feldes (Bc2>25T) und eine Korngrenzen-Pinning-Kontrolle, wodurch Jc>3.000 A/mm² bei 15T erreicht wird. Die industrielle Skalierung steht vor Herausforderungen bei der Reaktionshomogenität (Vermeidung von Sn-Leckagen) und der Strahlungstoleranz für Fusionsanwendungen, was die Forschung in Richtung der additiven Herstellung von Vorläufern und Hybridarchitekturen mit REBCO vorantreibt.
Konverter und Rechner
