1. Zavedenie
Nikel je kritický kov, ktorý sa bežne používa v priemyselnom priemysle, kozmonautika, energia, a chemické aplikácie vďaka svojej odolnosti proti korózii, mechanická pevnosť, a tepelná stabilita.
Pochopenie jeho hustoty je zásadné pre inžinierov a materiálnych vedcov, pretože ovplyvňuje výpočty hmotnosti, dizajn komponentov, tepelné správanie, a celkový materiál.
Referenčná hustota čistého niklu pri izbovej teplote (20 ° C) je približne 8.908 g/cm³ (alebo 8,908 kg/m³).
Táto vnútorná vlastnosť podporuje aplikácie Nickel vo vysoko výkonných zliatinách, štrukturálne komponenty, a špecializované povlaky.
2. Aká je hustota niklu
Hustota je definovaný ako hmotnosť na objem jednotky (p = m/v). Pre nikel, Jeho hustota vychádza z atómovej hmoty (58.6934 u) a jeho kubický zameraný na tvár (Fcc) kryštalizácia, ktorý zabalí atómy efektívne.
Pri štandardnej teplote a tlaku, nikel vykazuje stabilnú mriežku FCC s mriežkou konštantou 0.352 nm, vytvára svoju charakteristickú hustotu 8.908 g/cm³.
3. Faktory ovplyvňujúce hustotu niklu
Hustota niklu (~ 8,908 g/cm³ na 20 ° C pre ultra-vysoký čistotu kov) nie je pevná konštanta; mení sa s čistota, leňavý, teplota, a tlak.
Čistota: Primárny hnací hustota variability hustoty
Referenčná hustota 8.908 G/cm³ sa vzťahuje výlučne na nikel (≥ 99,99%), ako je elektrolytický nikel používaný v elektronike a presné prístroje.
V priemyselnej praxi, nikel zriedka dosahuje túto čistotu.
Nečistota, či úmyselný (zliatinové prvky) alebo náhodný (zvyškové rudy, spracovanie kontaminantov), Vytlačte atómy niklu v krištáľovej mriežke, Zmena hustoty na základe ich atómovej hmoty a koncentrácie.
Spoločné nečistoty a ich účinky (údaje z príručky ASM, Zväzok 2):
| Nečistota | Hustota (g/cm³) | Typická koncentrácia v komerčnom niklu | Výsledná hustota niklu (g/cm³) | Zmena hustoty vs. Čistý nikel |
| Žehlička (FE) | 7.874 | 0.5–1.0% | 8.85–8.90 | −0,01 až -0,06 |
| Meď (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 do +0.02 |
| Uhlík (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 až -0,008 |
| Síra (Siež) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 až -0,003 |
| Kyslík (O, plyn) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Zanedbateľný |
Leňavý: Hustota prispôsobenia výkonu
Nikel tvorí zliatiny s prvkami ako ako meď (Cu), chróm (Cr), molybdén (Mí), volfrám (W), a žehličstvo (FE), Výroba materiálov s hustotou, ktoré sa podstatne líšia od čistého niklu.
Vybrané zliatiny a hustoty:
| Zliať | Kompozícia | Hustota (g/cm³) | Rozdiel vs. V | Primárna aplikácia |
| Monel 400 | 65% V, 34% Cu, 1% FE | 8.80 | −0.108 | Odolnosť proti morskej korózii |
| Odvoz 625 | 59% V, 21.5% Cr, 9% Mí, 5% FE | 8.44 | −0,468 | Vysokoteplotný odpor |
| Hastelloy x | 47% V, 22% Cr, 18.5% FE, 9% Mí | 8.30 | −0,608 | Spaľovacie komory plynových turbín |
| Nikel (30% W) | 70% V, 30% W | 10.0 | +1.092 | Chránenie žiarenia, odpor |
| Invar 36 | 64% FE, 36% V | 8.05 | −0,858 | Nástroje s nízkou tepelnou expanziou |
Teplota: Tepelná expanzia a znižovanie hustoty
Nikel sa rozširuje s horúčavou, Zníženie jeho hustoty.
Ten lineárny koeficient tepelnej expanzie (CTE) Pre nikel je ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; ten približná objemová CTE je ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Pomocou týchto hodnôt, Hustota niklu klesá s teplotou:
- Pri 100 ° C: Hustota 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Pri 500 ° C: Hustota 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Pri 1455 ° C (miesto topenia, tekutý nikel): Hustota 8.70 g/cm³ (liquid metals are less dense than solids due to increased atomic disorder)
This temperature-dependent density is critical for:
- High-temperature casting: Molds must account for density changes during solidification to avoid shrinkage defects.
- Letectvo: Nickel superalloys in jet engines (operating at 1000–1200°C) experience density reductions that affect thermal conductivity and structural stability.
Tlak: Zvyšovanie kompresie a hustoty
Nickel’s bulk modulus (~170 GPa) measures resistance to compression. High pressure slightly increases density:
- Na 1 GPA (≈10,000 atm, typical of deep-sea environments): Density increases by ~0.5% (≈8.95 g/cm³).
- Na 10 GPA (extrémny tlak, Napr., planetary cores): Density rises to ~9.3 g/cm³.
Deep-sea equipment: Nickel-plated components in submersibles must withstand pressure-induced density changes without structural failure.
High-pressure metalworking: Procesy ako horúce izostatické lisovanie (Bedra) Využite tlak na zhustenie zliatiny niklu, znižovanie pórovitosti a zvyšovanie konečnej hustoty.
4. Meranie hustoty
Archimedes ' Princíp a hydrostatické váženie
Vzorky niklu sú ponorené do tekutiny, a hustota sa počíta z vztlakových síl. Táto metóda je jednoduchá a spoľahlivá pre hromadné komponenty.
Röntgenová difrakcia (XRD)
XRD vypočíta hustotu z mriežkového parametra kryštálovej štruktúry niklu (merané röntgenovým rozptylom). Táto metóda je:
- Nedeštruktívny: Ideálne pre cenné alebo jemné vzorky (Napr., letectvo).
- Veľmi presný: ± 0,0001 g/cm³ pre čistý nikel, pretože priamo meria atómové balenie, a nie hromadné vlastnosti.
- Obmedzenia: Vyžaduje dobre kryštalizovanú vzorku (nie je vhodný pre prášky alebo amorfný nikel).
Pycnometria (pre prášky)
Pre niklové prášky (Používa sa v aditívnej výrobe alebo povlakoch), plynná pycnometria (ASTM D6226) meria skutočnú hustotu vytesnením plynu (Napr., hélium) v utesnenej komore.
Tým sa zabráni chybám z dutiny v práškových lôžkoch, výnos hustoty v rámci ± 0,002 g/cm³ teoretickej hodnoty.
Variabilita merania
Hlásené hustoty sa môžu mierne líšiť v dôsledku nečistôt, pórovitosť, metóda merania, a teplota, Typicky v rámci ± 0,01–0,02 g/cm³ pre vysokokvalitný nikel.
5. Priemyselný význam hustoty niklu
Hustota niklu nie je len teoretická vlastnosť - to priamo ovplyvňuje to, ako sú kov a jeho zliatiny navrhnutý, spracovaný, a uplatňované v priemysle.
Od leteckých turbín po chemické rastliny a výroba prísad, Hustota hrá kľúčovú úlohu pri výkone materiálu a inžinierskej účinnosti.
Letectvo a letectvo: Vyváženie hmotnosti a sily
Materiály dopytu po lietadlách a kozmickej lodi s Pomery s vysokou silou k hmotnosti.
Zatiaľ čo čistý nikel je relatívne hustý (8.908 g/cm³), super zliatiny na báze niklu, ako napríklad Odvoz 625 (8.44 g/cm³) alebo Hastelloy x (8.30 g/cm³) poskytnúť kompromis:
- Nižšia hustota znižuje celkovú hmotnosť motora alebo konštrukcie, šetrenie paliva a rozširujúci rozsah.
- Stabilita s vysokou teplotou zaisťuje odolnosť voči plazini a únave pri >1000 ° C.
Príklad: A 1% Zníženie hmoty diskov turbín prostredníctvom optimalizácie hustoty zliatiny môže ušetriť Stovky kilogramov prúdového paliva ročne na lietadlo.
Automobilový a ťažký stroj: Trvanlivosť a efektívnosť
Hustota niklu je tiež relevantná pre pozemnú prepravu:
- Elektrické vozidlá (EV): Katódové materiály bohaté na nikel (Napr., NMC, NCA) ovplyvniť hustotu energie batérie, kde úspory hmotnosti zlepšujú jazdný dosah.
- Ťažký: Niklové ocele a zliatiny niklu (hustoty ~ 7,8–8,8 g/cm³) Poskytnite odolnosť proti húževnatosti a opotrebovaniu v stavebných strojoch a banských zariadeniach.
Chemické a petrochemické spracovanie: Odolnosť proti korózii s hmotnostnou účinnosťou
V chemických rastlinách a rafinériách, zliatiny niklu musia odolať korozívne kyseliny, alkalis, a vysokotlakové plyny:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Vybrané pre morské potrubia a manipuláciu s morskou vodou v dôsledku vynikajúcej odolnosti proti korózii.
- Hastelloy C-séria (~ 8,9 g/cm³): Používa sa v reaktoroch na spracovanie kyselín, kde je hustota vyvážená proti odolnosti proti korózii a mechanickej integrite.
Hustota ovplyvňuje nielen mechanická pevnosť ale tiež tepelná vodivosť a účinnosť prenosu tepla, obidve kritické v chemických reaktoroch.
Odlievanie, Kovanie, a aditívna výroba: Kontrola tuhnutia
Správanie hustoty niklu počas tepelného spracovania priamo ovplyvňuje výrobné výsledky:
- Odlievanie: Zníženie hustoty po topení (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) musí byť zaúčtovaný, aby sa zabránilo pórovitosť vo formách.
- Kovanie a bedra (Horúce izostatické lisovanie): Aplikovaný tlak hustorí zliatiny niklu, zatváracie dutiny a zvyšujúca sa mechanická pevnosť.
- Aditívna výroba (Am): Fúzia práškového lôžka a usmerňovaná energetická depozícia sa spolieha na konzistentnú hustotu prášku pre predvídateľné Tekuteľnosť, rovnomernosť vrstvy, a konečná hustota časti.
Energetické a jadrové aplikácie: Keď je výhoda vysoká hustota
V niektorých odvetviach, vyššia hustota je výhodná:
- Zliatiny niklu-Tungsten (~ 10,0 g/cm³): Poskytnite tienenie žiarenia v jadrových reaktoroch a lekárske zobrazovanie.
- Anódy a katódy na báze niklu: Hustota ovplyvňuje účinnosť prúdu a tepelnú stabilitu v palivových článkoch a elektrolyzátoroch.
6. Rýchla referenčná tabuľka: Čistý nikel a bežné zliatiny
| Materiál / Zliať | Kompozícia (Hlavné prvky) | Hustota (g/cm³ @ 20 ° C) | Roztavenie (° C) | Kľúčové aplikácie |
| Čistý nikel (99.99%) | ≥ 99,99% na | 8.908 | 1455 | Elektronika, termočiny, elektrotechnický |
| Komerčný nikel (Známka 200) | ≥ 99,0% na + Nečistoty | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Chemické spracovanie, morský hardvér |
| Monel 400 | ~ 65% má, 34% Cu, 1% FE | 8.80 | 1350–1400 | Morské inžinierstvo, čerpadlá, výmenník tepla |
| Odvoz 600 | ~ 72% má, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Chemické spracovanie, komponenty pecí, jadrová reaktory |
| Odvoz 625 | ~ 59% má, 21.5% Cr, 9% Mí, 5% FE | 8.44 | 1290–1350 | Letecké turbíny, jadrová reaktory, chemické rastliny |
| Vsadba | ~ 58% má, 19% Cr, 13% Co, 4% Mí, Z, Al | 8.19 | 1320–1380 | Disky turbíny prúdového motora, letecké upevňovacie prvky |
Nimonic 80A |
~ 76% má, 20% Cr, Z, Al | 8.19 | 1320–1385 | Plynové turbíny, výfukové ventily, pružiny |
| Hastelloy x | ~ 47% má, 22% Cr, 18.5% FE, 9% Mí | 8.30 | 1260–1355 | Spaľovacie komory plynových turbín, vysokoteplotné kanáliky |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% má, 22% Cr, 13% Mí, 3% W, FE | 8.69 | 1350–1400 | Chemické reaktory, práčky, kontrola znečistenia |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% má, 16% Mí, 15% Cr, 5% FE, W | 8.89 | 1325–1370 | Prasklina, chemické spracovanie, kontrola znečistenia |
| Involoy 825 | ~ 42% má, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mí | 8.14 | 1385–1400 | Potrubie odolné voči kyseline, morské výfukové systémy |
| Nikel - (30% W) | ~ 70% v, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Chránenie žiarenia, časti odolné voči opotrebovaniu |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% V | 8.05 | 1430–1440 | Precízne nástroje, Aplikácie s nízkou tepelnou expanziou |
7. Záver
Hustota niklu je základnou fyzickou vlastnosťou ovplyvňujúcou dizajn, výroba, a výkon v odvetviach špičkových technológií.
Faktory ako čistota, leňavý, teplota, a tlak vytvára menšie variácie, Pochopenie týchto nuancií je však rozhodujúce pre inžinierov a materiálnych vedcov.
Kombinácia vysokej hustoty niklu, mechanická pevnosť, A tepelná odolnosť robí z nej nevyhnutné, chemický, energia, a sektory elektroniky.
Časté otázky
Robí forma niklu (pevné vs. prášok) ovplyvniť jeho hustotu?
Áno. „Skutočná hustota“ (hustota samotného niklu) je to isté pre pevné látky a prášky (~ 8,908 g/cm³ pre čistý nikel), Ale „objemová hustota“ (hmotnosť/objem práškového lôžka) je nižší (4–5 g/cm³) Kvôli dutinám medzi časticami.
Plynová pycnometria meria skutočnú hustotu, zatiaľ čo hustota kohútika meria objemovú hustotu.
Ako ovplyvňuje fungovanie prechladnutia hustotu niklu?
Prechladnutie (Napr., valcujúci, kovanie) mierne zvyšuje hustotu niklu (~ 0,1–0,2%) znížením defektov mriežky (dislokácia) a komprimujúce medzery.
Napríklad, nikel valcovaný za studena má hustotu ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ pre žíhaný nikel.
Je hustota niklu vyššia ako iné spoločné kovy?
Áno. Nikel je hustejší ako hliník (2.70 g/cm³), žehlička (7.87 g/cm³), a titán (4.51 g/cm³) ale menej husté ako meď (8.96 g/cm³), mosadz (8.4–8,7 g/cm³), a volfrám (19.3 g/cm³).
Môže byť hustota použitá na rozlíšenie niklu od falšovaných kovov?
Áno. Napríklad, nekologická oceľ (hustota ~ 7,9 g/cm³) má nižšiu hustotu ako čistý nikel (8.908 g/cm³), urobiť z Archimedesov princíp jednoduchým spôsobom, ako zistiť falšovanie (Napr., falošné mince).
Aká je hustota niklu vo vesmíre (vákuum, extrémna teplota)?
Vo vákuu, hustota nie je ovplyvnená (Iba teplota a tlaková hmota). Pri kryogénnych teplotách (-200° C), Hustota niklu sa zvyšuje na ~ 8,95 g/cm³ (kvôli kontrakcii mriežky).
Mikrogravita, Meranie hustoty prostredníctvom princípu Archimedes je nemožné, Namiesto toho sa používa XRD.
