1. Invoering
Nikkel is een kritisch metaal dat veel wordt gebruikt in industrieel, ruimtevaart, energie, en chemische toepassingen vanwege de corrosieweerstand, mechanische sterkte, en thermische stabiliteit.
Het begrijpen van de dichtheid is van fundamenteel belang voor ingenieurs en materiële wetenschappers omdat het gewichtsberekeningen beïnvloedt, componentontwerp, thermisch gedrag, en algehele materiaalprestaties.
De referentiedichtheid van puur nikkel bij kamertemperatuur (20 ° C) is ongeveer 8.908 g/cm³ (of 8,908 kg/m³).
Deze intrinsieke eigenschap ondersteunt de toepassingen van Nickel in hoogwaardige legeringen, structurele componenten, en gespecialiseerde coatings.
2. Wat is de dichtheid van nikkel
Dikte wordt gedefinieerd als massa per volume -eenheid (p = m/v). Voor nikkel, De dichtheid komt voort uit de atoommassa (58.6934 u) en zijn gezichtsgerichte kubieke (FCC) kristalstructuur, die atomen efficiënt inpakt.
Bij standaardtemperatuur en druk, nikkel vertoont een stabiel FCC -rooster met een roosterconstante van 0.352 nm, het produceren van de karakteristieke dichtheid van 8.908 g/cm³.
3. Factoren die de nikkeldichtheid beïnvloeden
De dichtheid van Nickel (~ 8.908 g/cm³ AT 20 ° C voor metaal met ultrahoge zuiverheid) is geen vaste constante; het varieert met zuiverheid, legering, temperatuur, en druk.
Zuiverheid: De primaire drijfveer van dichtheidsvariabiliteit
De referentiedichtheid van 8.908 G/cm³ is exclusief van toepassing op ultrahoogte nikkel (≥99,99%), zoals elektrolytisch nikkel dat wordt gebruikt in elektronica en precisie -instrumenten.
In de industriële praktijk, Nikkel bereikt zelden deze zuiverheid.
Onzuiverheden, of opzettelijk (legeringselementen) of toevallig (resterende ertsen, Verwerking verontreinigingen), Verwijder nikkelatomen in het kristalrooster, Dichtheid veranderen op basis van hun atoommassa en concentratie.
Veel voorkomende onzuiverheden en hun effecten (Gegevens uit het ASM -handboek, Volume 2):
| Onzuiverheid | Dikte (g/cm³) | Typische concentratie in commercieel nikkel | Resulterende nikkeldichtheid (g/cm³) | Dichtheidsverandering versus. Puur nikkel |
| Ijzer (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0.01 tot −0.06 |
| Koper (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 naar +0.02 |
| Koolstof (C, grafiet) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0.001 tot −0.008 |
| Zwavel (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0.001 tot −0.003 |
| Zuurstof (O, gas) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Verwaarloosbaar |
Legering: Dichtheid op maat voor prestaties
Nikkel vormt legeringen met elementen zoals koper (Cu), chroom (Cr), molybdeum (Mo), wolfraam (W), en ijzer (Fe), Materialen produceren met dichtheden die aanzienlijk verschillen van puur nikkel.
Geselecteerde legeringen en dichtheden:
| Legering | Samenstelling | Dikte (g/cm³) | Verschil versus. In | Primaire toepassing |
| Monel 400 | 65% In, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Weerstand van de mariene corrosie |
| Inconiëren 625 | 59% In, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Kruipweerstand op hoge temperatuur |
| Hastelloy x | 47% In, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0.608 | Gasturbine verbrandingskamers |
| Nikkel (30% W) | 70% In, 30% W | 10.0 | +1.092 | Straling afscherming, Draag weerstand |
| Aaninzen 36 | 64% Fe, 36% In | 8.05 | −0.858 | Lage thermische expansiehulpmiddelen |
Temperatuur: Thermische expansie en dichtheidsreductie
Nikkel breidt zich uit met warmte, het verminderen van zijn dichtheid.
De Lineaire coëfficiënt van thermische expansie (CTE) Voor nikkel is ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; de Geschatte volumetrische CTE is ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Met behulp van deze waarden, De dichtheid van Nickel neemt af met de temperatuur:
- Bij 100 ° C: Dichtheid ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Bij 500 ° C: Dichtheid ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Bij 1455 ° C (smeltpunt, vloeibare nikkel): Dichtheid ≈ 8.70 g/cm³ (Vloeibare metalen zijn minder dicht dan vaste stoffen als gevolg van een verhoogde atoomstoornis)
Deze temperatuurafhankelijke dichtheid is van cruciaal belang voor:
- Casting op hoge temperatuur: Schimmels moeten rekening houden met dichtheidsveranderingen tijdens het stollen om krimpdefecten te voorkomen.
- Ruimtevaartcomponenten: Nikkel Superalloys in Jet Engines (werkend bij 1000-1200 ° C) Ervaar dichtheidsreducties die de thermische geleidbaarheid en structurele stabiliteit beïnvloeden.
Druk: Compressie en dichtheid nemen toe
De bulkmodulus van Nickel (~ 170 GPA) meet weerstand tegen compressie. Hoge druk verhoogt de dichtheid enigszins:
- Bij 1 GPA (≈10.000 atm, typisch voor diepzee omgevingen): De dichtheid neemt toe met ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- Bij 10 GPA (extreme druk, Bijv., planetaire kernen): Dichtheid stijgt tot ~ 9,3 g/cm³.
Deep-Sea-apparatuur: Nikkel-vergulde componenten in ondernemers moeten door druk-geïnduceerde dichtheidsveranderingen weerstaan zonder structureel falen.
Hogedruk metaalbewerking: Processen zoals hete isostatische druk (HEUP) Gebruik druk om nikkellegeringen te verdichten, het verminderen van de porositeit en het verhogen van de uiteindelijke dichtheid.
4. Dichtheidsmeting
Archimedes' Principe en hydrostatisch wegen
Nikkelmonsters zijn ondergedompeld in een vloeistof, en de dichtheid wordt berekend uit drijvende krachten. Deze methode is eenvoudig en betrouwbaar voor bulkcomponenten.
Röntgendiffractie (XRD)
XRD berekent de dichtheid uit de roosterparameter van de kristalstructuur van Nickel (gemeten via röntgenverstrooiing). Deze methode is:
- Niet destructief: Ideaal voor waardevolle of delicate monsters (Bijv., ruimtevaartcomponenten).
- Zeer nauwkeurig: ± 0,0001 g/cm³ voor puur nikkel, omdat het direct atomaire verpakking meet in plaats van bulk -eigenschappen.
- Beperkingen: Vereist een goed gekristalliseerd monster (Niet geschikt voor poeders of amorf nikkel).
Pycnometrie (voor poeders)
Voor nikkelpoeders (gebruikt in additieve productie of coatings), gaspycnometrie (ASTM D6226) meet de werkelijke dichtheid door een gas te verplaatsen (Bijv., helium) in een verzegelde kamer.
Dit vermijdt fouten van leegte in poederbedden, Dichtheden opleveren binnen ± 0,002 g/cm³ van de theoretische waarde.
Meetvariabiliteit
Gerapporteerde dichtheden kunnen enigszins variëren als gevolg van onzuiverheden, porositeit, meetmethode, en temperatuur, Typisch binnen ± 0,01-0,02 g/cm³ voor nikkel van hoge kwaliteit.
5. Industriële relevantie van nikkeldichtheid
De dichtheid van nikkel is niet alleen een theoretische eigenschap - het heeft direct invloed op hoe het metaal en zijn legeringen zijn ontworpen, verwerkt, en toegepast in industrieën.
Van ruimtevaartturbines tot chemische planten en additieve productie, Dichtheid speelt een cruciale rol in materiaalprestaties en technische efficiëntie.
Ruimtevaart en luchtvaart: Balijden van gewicht en kracht
Vliegtuigen en ruimtevaartuigen eisen materialen met hoge sterkte-gewichtsverhoudingen.
Terwijl puur nikkel relatief dicht is (8.908 g/cm³), Op nikkel gebaseerde superlegeringen zoals Inconiëren 625 (8.44 g/cm³) of Hastelloy x (8.30 g/cm³) een compromis geven:
- Lagere dichtheid vermindert de totale motor- of structureel gewicht, Brandstof besparen en het bereik verlengen.
- Stabiliteit op hoge temperatuur zorgt voor weerstand tegen kruipen en vermoeidheid >1000 ° C.
Voorbeeld: A 1% Vermindering van turbine -schijfmassa door legeringsdichtheid optimalisatie kan besparen Honderden kilogram vliegtuigbrandstof jaarlijks per vliegtuig.
Automotive en zware machines: Duurzaamheid en efficiëntie
Nikkeldichtheid is ook relevant voor grondtransport:
- Elektrische voertuigen (EVS): Nikkelrijke kathodematerialen (Bijv., NMC, NCA) beïnvloeden de energiedichtheid van de batterij, waar gewichtsbesparing het drivingbereik verbeteren.
- Zware uitrusting: Nikkel staal en nikkel-koper legeringen (Dichtheden ~ 7,8–8,8 g/cm³) Zorg voor taaiheid en slijtvastheid in bouwmachines en mijnbouwapparatuur.
Chemische en petrochemische verwerking: Corrosieweerstand met massa -efficiëntie
In chemische planten en raffinaderijen, Nikkellegeringen moeten weerstaan corrosieve zuren, alkalis, en hogedrukgassen:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Gekozen voor mariene pijpleidingen en zeewaterbehandeling vanwege uitstekende corrosieweerstand.
- Hastelloy C-serie (~ 8,9 g/cm³): Gebruikt in zuurverwerkingsreactoren, waarbij de dichtheid wordt afgewogen tegen corrosieweerstand en mechanische integriteit.
Dichtheid beïnvloedt niet alleen mechanische sterkte maar ook thermische geleidbaarheid En efficiëntie van warmteoverdracht, Beide kritisch in chemische reactoren.
Gieten, Smeden, en additieve productie: Controlerende stolling
Het dichtheidsgedrag van Nickel tijdens thermische verwerking heeft direct invloed op de productieresultaten:
- Gieten: Dichtheidsreductie bij smelten (8.908 → ~ 8.70 g/cm³) moet worden verantwoord om te voorkomen Krimp porositeit in schimmels.
- Smeden en heup (Hot isostatische drukken): Uitgebrachte drukverwending nikkellegeringen, het afsluiten van leegte en toenemende mechanische sterkte.
- Additieve productie (BEN): Poederbed fusie en gerichte energieafzetting zijn afhankelijk van de consistente poederdichtheid voor voorspelbaar Stroombaarheid, Laag -uniformiteit, en laatste deeldichtheid.
Energie en nucleaire toepassingen: Wanneer een hoge dichtheid een voordeel is
In sommige industrieën, Hogere dichtheid is voordelig:
- Nikkel-tungsten legeringen (~ 10.0 g/cm³): Zorg voor stralingafscherming in kernreactoren en medische beeldvorming.
- Op nikkel gebaseerde anodes en kathoden: Dichtheid beïnvloedt de huidige efficiëntie en thermische stabiliteit in brandstofcellen en elektrolyzers.
6. Snelle referentietabel: Pure nikkel en gemeenschappelijke legeringen
| Materiaal / Legering | Samenstelling (Grote elementen) | Dikte (g/cm³ @ 20 ° C) | Smeltpunt (° C) | Belangrijkste toepassingen |
| Puur nikkel (99.99%) | ≥99,99% op | 8.908 | 1455 | Elektronica, thermokoppels, elektroplateren |
| Commerciële nikkel (Cijfer 200) | ≥99,0% bij + Fe -onzuiverheden | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Chemische verwerkingsapparatuur, mariene hardware |
| Monel 400 | ~ 65% heeft, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Mariene engineering, pompen, Warmtewisselaars |
| Inconiëren 600 | ~ 72% heeft, 14–17% CR, 6–10% FE | 8.47 | 1354–1413 | Chemische verwerking, ovencomponenten, kernreactoren |
| Inconiëren 625 | ~ 59% heeft, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Ruimtevaartturbines, kernreactoren, chemische planten |
| Wespeloy | ~ 58% heeft, 19% Cr, 13% Co, 4% Mo, Van, Al | 8.19 | 1320–1380 | Straalmotor turbine schijven, ruimtevaartbevestigingen |
Nimonic 80A |
~ 76% heeft, 20% Cr, Van, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gasturbines, uitlaatkleppen, Springs bij hoge temperatuur |
| Hastelloy x | ~ 47% heeft, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Gasturbine verbrandingskamers, hoogtemperatuurkanalen |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% heeft, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Chemische reactoren, struikgewas, vervuilingscontrole |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% heeft, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Rookgaswassing, chemische verwerking, vervuilingscontrole |
| Montage 825 | ~ 42% heeft, 21.5% Cr, 30–35% FE, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Zuurbestendige leidingen, Uituitlaatsystemen van mariene |
| Nikkel - (30% W) | ~ 70% in, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Straling afscherming, slijtvaste delen |
| Aaninzen 36 | ~ 64% FE, 36% In | 8.05 | 1430–1440 | Precisie -instrumenten, Lage thermische expansietoepassingen |
7. Conclusie
De dichtheid van Nickel is een fundamenteel fysieke eigendomsontwerp, fabricage, en prestaties in hightech industrie.
Factoren zoals zuiverheid, legering, temperatuur, en druk creëren kleine variaties, Maar het begrijpen van deze nuances is van cruciaal belang voor ingenieurs en materiële wetenschappers.
Nickel's combinatie van hoge dichtheid, mechanische sterkte, en thermische veerkracht maakt het onmisbaar over de ruimtevaart, chemisch, energie, en elektronica -sectoren.
FAQ's
Heeft de vorm van nikkel (Solide VS. poeder) zijn dichtheid beïnvloeden?
Ja. "Echte dichtheid" (dichtheid van het nikkel zelf) is hetzelfde voor vaste stoffen en poeders (~ 8.908 g/cm³ voor puur nikkel), Maar "bulkdichtheid" (Massa/volume van het poederbed) is lager (4–5 g/cm³) Vanwege leegte tussen deeltjes.
Gaspycnometrie meet werkelijke dichtheid, terwijl de tapdichtheid de bulkdichtheid meet.
Hoe heeft koude werking invloed op de dichtheid van Nickel?
Koud werkend (Bijv., aanloop, smeden) verhoogt de dichtheid van Nickel enigszins (~ 0,1–0,2%) door roosterafwijkingen te verminderen (ontwrichten) en comprimerende leegte.
Bijvoorbeeld, Koud gerolde nikkel heeft een dichtheid van ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ voor gegloeid nikkel.
Is de dichtheid van Nickel hoger dan andere gemeenschappelijke metalen?
Ja. Nikkel is dichter dan aluminium (2.70 g/cm³), ijzer (7.87 g/cm³), en titanium (4.51 g/cm³) maar minder dicht dan koper (8.96 g/cm³), messing (8.4–8.7 g/cm³), en wolfraam (19.3 g/cm³).
Kan dichtheid worden gebruikt om nikkel te onderscheiden van namaakmetalen?
Ja. Bijvoorbeeld, nikkel aangelegd staal (Dichtheid ~ 7,9 g/cm³) heeft een lagere dichtheid dan puur nikkel (8.908 g/cm³), Het principe van Archimedes een eenvoudige manier maken om vervalsingen te detecteren (Bijv., nep nikkelmunten).
Wat is de dichtheid van nikkel in de ruimte (vacuüm, extreme temperatuur)?
In een vacuüm, Dichtheid wordt niet beïnvloed (Alleen temperatuur- en druk is materie). Bij cryogene temperaturen (-200° C), De dichtheid van nikkel neemt toe tot ~ 8,95 g/cm³ (Vanwege de samentrekking van het rooster).
In microzwaartekracht, Densiteitsmeting via het principe van Archimedes is onmogelijk, In plaats daarvan wordt XRD gebruikt.
