1. Pengenalan
Nikel adalah logam kritikal yang digunakan secara meluas dalam industri, Aeroangkasa, tenaga, dan aplikasi kimia kerana rintangan kakisannya, kekuatan mekanikal, dan kestabilan terma.
Memahami kepadatannya adalah asas bagi jurutera dan saintis bahan kerana ia mempengaruhi pengiraan berat badan, Reka bentuk komponen, tingkah laku terma, dan prestasi material keseluruhan.
Ketumpatan rujukan nikel tulen pada suhu bilik (20 ° C.) adalah kira -kira 8.908 g/cm³ (atau 8,908 kg/m³).
Harta intrinsik ini menyokong aplikasi Nickel dalam aloi berprestasi tinggi, komponen struktur, dan salutan khusus.
2. Apakah ketumpatan nikel
Ketumpatan ditakrifkan sebagai jisim per unit jumlah (p = m/v). Untuk nikel, Ketumpatannya timbul dari jisim atom (58.6934 u) dan kubik berpusatkan wajahnya (FCC) struktur kristal, yang membungkus atom dengan cekap.
Pada suhu dan tekanan standard, Nikel mempamerkan kekisi FCC yang stabil dengan kekisi kekisi 0.352 nm, menghasilkan ketumpatan ciri -cirinya 8.908 g/cm³.
3. Faktor yang mempengaruhi ketumpatan nikel
Ketumpatan Nikel (~ 8.908 g/cm³ pada 20 ° C untuk logam ultra tinggi) bukan pemalar tetap; ia berbeza dengan kesucian, aloi, suhu, dan tekanan.
Kesucian: Pemacu utama kebolehubahan kepadatan
Ketumpatan rujukan dari 8.908 g/cm³ digunakan secara eksklusif untuk Nikel Ultra-Tinggi (≥99.99%), seperti nikel elektrolitik yang digunakan dalam alat elektronik dan ketepatan.
Dalam amalan perindustrian, nikel jarang mencapai kesucian ini.
Kekotoran, sama ada disengajakan (elemen aloi) atau tidak sengaja (bijih sisa, memproses bahan cemar), menggantikan atom nikel dalam kekisi kristal, mengubah ketumpatan berdasarkan jisim atom dan kepekatan mereka.
Kekotoran biasa dan kesannya (Data dari Buku Panduan ASM, Kelantangan 2):
| Kekotoran | Ketumpatan (g/cm³) | Kepekatan biasa dalam nikel komersial | Mengakibatkan ketumpatan nikel (g/cm³) | Perubahan ketumpatan vs. Nikel tulen |
| Besi (Fe) | 7.874 | 0.5-1.0% | 8.85-8.90 | -0.01 hingga -0.06 |
| Tembaga (Cu) | 8.96 | 0.1-0.5% | 8.91-8.93 | +0.002 ke +0.02 |
| Karbon (C, grafit) | 2.267 | 0.01-0.05% | 8.90-8.91 | -0.001 hingga -0.008 |
| Sulfur (S) | 2.07 | 0.005-0.01% | 8.905-8.907 | -0.001 hingga -0.003 |
| Oksigen (O, gas) | 1.429 | 0.001-0.005% | 8.907-8.908 | Diabaikan |
Aloi: Ketumpatan jahitan untuk prestasi
Nikel membentuk aloi dengan unsur -unsur seperti Tembaga (Cu), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), tungsten (W), dan besi (Fe), menghasilkan bahan dengan kepadatan yang berbeza dari nikel tulen.
Aloi dan kepadatan yang dipilih:
| Aloi | Komposisi | Ketumpatan (g/cm³) | Perbezaan vs. Dalam | Permohonan utama |
| Monel 400 | 65% Dalam, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | -0.108 | Rintangan kakisan marin |
| Inconel 625 | 59% Dalam, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | -0.468 | Rintangan Creep suhu tinggi |
| Hastelloy x | 47% Dalam, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | -0.608 | Ruang pembakaran turbin gas |
| Nikel (30% W) | 70% Dalam, 30% W | 10.0 | +1.092 | Pelindung radiasi, Pakai rintangan |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% Dalam | 8.05 | -0.858 | Alat pengembangan terma yang rendah |
Suhu: Pengembangan haba dan pengurangan ketumpatan
Nikel berkembang dengan haba, mengurangkan ketumpatannya.
The pekali linear pengembangan haba (Cte) untuk nikel ialah ~ 13.4 × 10 °/° C; The Anggaran Volumetrik CTE ialah ~ 40.2 × 10 ⁻⁶/° C. Menggunakan nilai -nilai ini, Ketumpatan nikel berkurangan dengan suhu:
- Pada 100 ° C.: Ketumpatan ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10 °/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Pada suhu 500 ° C.: Ketumpatan ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10 °/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Pada 1455 ° C. (titik lebur, nikel cecair): Ketumpatan ≈ 8.70 g/cm³ (Logam cecair kurang padat daripada pepejal disebabkan peningkatan gangguan atom)
Ketumpatan yang bergantung kepada suhu ini sangat penting untuk:
- Pemutus suhu tinggi: Acuan mesti mengambil kira perubahan ketumpatan semasa pemejalan untuk mengelakkan kecacatan pengecutan.
- Komponen Aeroangkasa: Superalloys nikel dalam enjin jet (beroperasi pada 1000-1200 ° C.) Pengalaman pengurangan ketumpatan yang mempengaruhi kekonduksian terma dan kestabilan struktur.
Tekanan: Peningkatan mampatan dan ketumpatan
Modulus pukal Nickel (~ 170 GPa) mengukur ketahanan terhadap mampatan. Tekanan tinggi sedikit meningkatkan ketumpatan:
- Pada 1 GPA (≈10,000 atm, tipikal persekitaran laut dalam): Ketumpatan meningkat sebanyak ~ 0.5% (≈8.95 g/cm³).
- Pada 10 GPA (tekanan melampau, Mis., teras planet): Ketumpatan meningkat kepada ~ 9.3 g/cm³.
Peralatan laut dalam: Komponen bersalut nikel di tenggelam mesti menahan perubahan ketumpatan yang disebabkan oleh tekanan tanpa kegagalan struktur.
Kerja logam tekanan tinggi: Proses seperti menekan isostatik panas (Hip) Gunakan tekanan untuk menyentuh aloi nikel, mengurangkan keliangan dan meningkatkan ketumpatan akhir.
4. Pengukuran ketumpatan
Archimedes ' Prinsip dan berat hidrostatik
Sampel nikel tenggelam dalam cecair, dan ketumpatan dikira dari kekuatan yang kuat. Kaedah ini mudah dan boleh dipercayai untuk komponen pukal.
Difraksi sinar-X (XRD)
XRD mengira ketumpatan dari parameter kekisi struktur kristal nikel (diukur melalui penyebaran X-ray). Kaedah ini:
- Tidak merosakkan: Sesuai untuk sampel berharga atau halus (Mis., Komponen Aeroangkasa).
- Sangat tepat: ± 0.0001 g/cm³ untuk nikel tulen, kerana ia secara langsung mengukur pembungkusan atom dan bukannya sifat pukal.
- Batasan: Memerlukan sampel yang disatukan dengan baik (tidak sesuai untuk serbuk atau nikel amorf).
Pycnometry (untuk serbuk)
Untuk serbuk nikel (digunakan dalam pembuatan atau lapisan aditif), Pycnometry gas (ASTM D6226) mengukur ketumpatan sebenar dengan menggantikan gas (Mis., helium) dalam ruang yang dimeteraikan.
Ini mengelakkan kesilapan dari lompang di katil serbuk, menghasilkan kepadatan dalam ± 0.002 g/cm³ dari nilai teori.
Variabiliti pengukuran
Ketumpatan yang dilaporkan boleh berubah sedikit disebabkan oleh kekotoran, keliangan, Kaedah pengukuran, dan suhu, biasanya dalam ± 0.01-0.02 g/cm³ untuk nikel berkualiti tinggi.
5. Relevan Perindustrian Ketumpatan Nikel
Ketumpatan nikel bukan sekadar harta teori -ia secara langsung memberi kesan kepada bagaimana logam dan aloinya Direka, diproses, dan digunakan di seluruh industri.
Dari turbin aeroangkasa ke loji kimia dan pembuatan tambahan, Ketumpatan memainkan peranan penting dalam prestasi material dan kecekapan kejuruteraan.
Aeroangkasa dan Penerbangan: Mengimbangi berat badan dan kekuatan
Bahan permintaan pesawat dan kapal angkasa dengan Nisbah kekuatan-ke-berat yang tinggi.
Sementara nikel tulen agak padat (8.908 g/cm³), Superalloy berasaskan nikel seperti Inconel 625 (8.44 g/cm³) atau Hastelloy x (8.30 g/cm³) menyediakan kompromi:
- Ketumpatan yang lebih rendah mengurangkan jumlah enjin atau berat struktur, menjimatkan bahan bakar dan jarak jauh.
- Kestabilan suhu tinggi memastikan penentangan terhadap rayapan dan keletihan di >1000 ° C..
Contoh: A 1% pengurangan jisim cakera turbin melalui pengoptimuman kepadatan aloi dapat menjimatkan beratus -ratus kilogram bahan api jet setiap tahun setiap pesawat.
Jentera automotif dan berat: Ketahanan dan kecekapan
Ketumpatan nikel juga relevan untuk pengangkutan darat:
- Kenderaan elektrik (EVs): Bahan katod kaya nikel (Mis., NMC, NCA) mempengaruhi ketumpatan tenaga bateri, Di mana penjimatan berat badan meningkatkan jarak memandu.
- Peralatan berat: Keluli nikel dan aloi tembaga nikel (Ketumpatan ~ 7.8-8.8 g/cm³) Memberi ketahanan dan rintangan haus dalam jentera pembinaan dan peralatan perlombongan.
Pemprosesan kimia dan petrokimia: Rintangan kakisan dengan kecekapan massa
Dalam loji kimia dan penapisan, aloi nikel mesti menentang Asid menghakis, Alkalis, dan gas tekanan tinggi:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Dipilih untuk saluran paip laut dan pengendalian air laut kerana rintangan kakisan yang sangat baik.
- Hastelloy C-Series (~ 8.9 g/cm³): Digunakan dalam reaktor pemprosesan asid, di mana ketumpatan seimbang terhadap rintangan kakisan dan integriti mekanikal.
Ketumpatan tidak hanya mempengaruhi kekuatan mekanikal tetapi juga kekonduksian terma dan kecekapan pemindahan haba, Kedua -duanya kritikal dalam reaktor kimia.
Pemutus, Menunaikan, dan pembuatan tambahan: Mengawal pemejalan
Tingkah laku ketumpatan nikel semasa pemprosesan haba secara langsung mempengaruhi hasil pembuatan:
- Pemutus: Pengurangan ketumpatan apabila lebur (8.908 → ~ 8.70 g/cm³) mesti diambil kira untuk mencegah keliangan pengecutan dalam acuan.
- Menempuh dan pinggul (Menekan isostatik panas): Tekanan yang digunakan menyentuh aloi nikel, menutup lompang dan meningkatkan kekuatan mekanikal.
- Pembuatan Aditif (Am): Gabungan serbuk dan pemendapan tenaga yang diarahkan bergantung pada ketumpatan serbuk yang konsisten untuk diramal Aliran, keseragaman lapisan, dan kepadatan bahagian akhir.
Aplikasi tenaga dan nuklear: Apabila ketumpatan tinggi adalah manfaat
Dalam sesetengah industri, Ketumpatan yang lebih tinggi adalah berfaedah:
- Aloi nikel-tungsten (~ 10.0 g/cm³): Menyediakan pelindung radiasi dalam reaktor nuklear dan pengimejan perubatan.
- Anod dan katod berasaskan nikel: Ketumpatan mempengaruhi kecekapan semasa dan kestabilan terma dalam sel bahan api dan elektrolisis.
6. Jadual Rujukan Pantas: Nikel tulen dan aloi biasa
| Bahan / Aloi | Komposisi (Unsur -unsur utama) | Ketumpatan (g/cm³ @ 20 ° C.) | Titik lebur (° C.) | Aplikasi utama |
| Nikel tulen (99.99%) | ≥99.99% pada | 8.908 | 1455 | Elektronik, Thermocouples, Electroplating |
| Nikel komersial (Gred 200) | ≥99.0% pada + Kekotoran FE | 8.85-8.90 | 1445-1455 | Peralatan pemprosesan kimia, Perkakasan Marin |
| Monel 400 | ~ 65% mempunyai, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350-1400 | Kejuruteraan Marin, pam, penukar haba |
| Inconel 600 | ~ 72% mempunyai, 14-17% cr, 6-10% Fe | 8.47 | 1354-1413 | Pemprosesan kimia, Komponen relau, Reaktor nuklear |
| Inconel 625 | ~ 59% mempunyai, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290-1350 | Turbin aeroangkasa, Reaktor nuklear, tumbuhan kimia |
| Waspaloy | ~ 58% mempunyai, 19% Cr, 13% Co, 4% Mo, Dari, Al | 8.19 | 1320-1380 | Cakera turbin enjin jet, Pengikat Aeroangkasa |
Nimonic 80A |
~ 76% mempunyai, 20% Cr, Dari, Al | 8.19 | 1320-1385 | Turbin gas, injap ekzos, mata air suhu tinggi |
| Hastelloy x | ~ 47% mempunyai, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260-1355 | Ruang pembakaran turbin gas, Saluran suhu tinggi |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% mempunyai, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350-1400 | Reaktor kimia, scrubbers, kawalan pencemaran |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% mempunyai, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325-1370 | Gos gas scrubbers, pemprosesan kimia, kawalan pencemaran |
| Incoloy 825 | ~ 42% mempunyai, 21.5% Cr, 30-35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385-1400 | Paip tahan asid, Sistem ekzos marin |
| Nikel - (30% W) | ~ 70% dalam, 30% W | 10.0 | ~ 1455-1500 | Pelindung radiasi, Bahagian tahan haus |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% Dalam | 8.05 | 1430-1440 | Instrumen ketepatan, aplikasi pengembangan terma yang rendah |
7. Kesimpulan
Ketumpatan Nickel adalah reka bentuk yang mempengaruhi harta fizikal asas, pembuatan, dan prestasi dalam industri berteknologi tinggi.
Faktor seperti kesucian, aloi, suhu, dan tekanan menghasilkan variasi kecil, Tetapi memahami nuansa ini penting bagi jurutera dan saintis bahan.
Gabungan kepadatan tinggi nikel, kekuatan mekanikal, dan ketahanan haba menjadikannya sangat diperlukan di seluruh aeroangkasa, kimia, tenaga, dan sektor elektronik.
Soalan Lazim
Adakah bentuk nikel (pepejal vs. serbuk) mempengaruhi ketumpatannya?
Ya. "Ketumpatan Benar" (ketumpatan nikel itu sendiri) adalah sama untuk pepejal dan serbuk (~ 8.908 g/cm³ untuk nikel tulen), Tetapi "ketumpatan pukal" (jisim/kelantangan katil serbuk) lebih rendah (4-5 g/cm³) kerana lompang antara zarah.
Piknometri gas mengukur ketumpatan sebenar, sementara ketumpatan ketumpatan mengukur ketumpatan pukal.
Bagaimana kerja sejuk mempengaruhi ketumpatan nikel?
Kerja sejuk (Mis., bergulir, menunaikan) Meningkatkan ketumpatan nikel sedikit (~ 0.1-0.2%) dengan mengurangkan kecacatan kekisi (dislokasi) dan memampatkan lompang.
Contohnya, Nikel Bergelung Dingin mempunyai ketumpatan ~ 8.92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ untuk nikel annealed.
Adakah ketumpatan nikel lebih tinggi daripada logam biasa yang lain?
Ya. Nikel lebih padat daripada aluminium (2.70 g/cm³), besi (7.87 g/cm³), dan Titanium (4.51 g/cm³) tetapi kurang padat daripada tembaga (8.96 g/cm³), tembaga (8.4-8.7 g/cm³), dan tungsten (19.3 g/cm³).
DENGAN DENGAN DATANG UNTUK MENYEDIAKAN NIKEL DARI LOLEK PEMULIHAN?
Ya. Contohnya, keluli bersalut nikel (Ketumpatan ~ 7.9 g/cm³) mempunyai ketumpatan yang lebih rendah daripada nikel tulen (8.908 g/cm³), Membuat Prinsip Archimedes 'cara mudah untuk mengesan pemalsuan (Mis., Duit syiling nikel palsu).
Apakah ketumpatan nikel di ruang angkasa (vakum, suhu melampau)?
Dalam vakum, Ketumpatan tidak terjejas (Hanya masalah suhu dan tekanan). Pada suhu kriogenik (-200° C.), Ketumpatan nikel meningkat kepada ~ 8.95 g/cm³ (Kerana penguncupan kisi).
Dalam mikrograviti, Pengukuran Ketumpatan melalui Prinsip Archimedes adalah mustahil, Jadi XRD digunakan sebagai gantinya.
