1. Вступ
Нікель - це критичний метал, широко використовується в промисловості, аерокосмічний, енергія, та хімічні застосування завдяки його резистентності, механічна міцність, і термічна стабільність.
Розуміння її щільності є основним для інженерів та вчених матеріалів, оскільки вона впливає на розрахунки ваги, Конструкція компонентів, термічна поведінка, та загальна продуктивність матеріалу.
Еталонна щільність чистого нікелю при кімнатній температурі (20 ° C) приблизно 8.908 g/cm³ (або 8,908 кг/м³).
Ця внутрішня властивість лежить в основі додатків Nickel у високоефективних сплавах, Структурні компоненти, та спеціалізовані покриття.
2. Яка щільність нікелю
Щільність визначається як маса на одиницю обсягу (p = m/v). Для нікелю, його щільність виникає з атомної маси (58.6934 u) і його кубічний (FCC) кристалічна структура, які набирають атоми ефективно.
При стандартній температурі та тиску, Нікель демонструє стабільну решітку FCC з константою решітки 0.352 нм, виробляючи його характерну щільність 8.908 g/cm³.
3. Фактори, що впливають на щільність нікелю
Щільність нікелю (~ 8,908 г/см³ при 20 ° C для ультра-чистого металу) не є фіксованою постійною; він змінюється залежно від чистота, сплав, температура, і тиск.
Чистота: Основний драйвер мінливості щільності
Еталонна щільність 8.908 g/cm³ застосовується виключно до Нікель ультра високий (≥99,99%), наприклад, електролітичний нікель, що використовується в електроніці та точних інструментах.
У промислової практиці, Нікель рідко досягає цієї чистоти.
Домішки, чи навмисне (Легальні елементи) або випадковий (залишкові руди, Переробка забруднень), витіснити атоми нікелю в кристалічну решітку, зміна щільності на основі їх атомної маси та концентрації.
Поширені домішки та їх наслідки (Дані з посібника ASM, Обсяг 2):
| Нечистість | Щільність (g/cm³) | Типова концентрація в комерційному нікелі | В результаті щільності нікелю (g/cm³) | Зміна щільності проти. Чистий нікель |
| Прасувати (Феод) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0,01 до −0,06 |
| Мідь (Куточок) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 до +0.02 |
| Вуглець (C, графіт) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 до −0,008 |
| Сірка (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 до −0,003 |
| Кисень (О, газовий) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Незначний |
Сплав: Посилання щільності продуктивності
Нікель утворює сплави з такими елементами, як мідь (Куточок), хром (Cr), молібден (Mo), вольфрам (Ш), і праска (Феод), виробництво матеріалів з щільністю, які суттєво відрізняються від чистого нікелю.
Вибрані сплави та щільності:
| Сплав | Склад | Щільність (g/cm³) | Різниця проти. У | Первинне застосування |
| Монель 400 | 65% У, 34% Куточок, 1% Феод | 8.80 | −0.108 | Морська корозійна стійкість |
| Юнель 625 | 59% У, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Феод | 8.44 | −0.468 | Високотемпературна стійкість до повзучості |
| Hastelloy x | 47% У, 22% Cr, 18.5% Феод, 9% Mo | 8.30 | −0,608 | Камери спалювання газової турбіни |
| Нікель (30% Ш) | 70% У, 30% Ш | 10.0 | +1.092 | Радіаційне екранування, Опір зносу |
| Інвен 36 | 64% Феод, 36% У | 8.05 | −0,858 | Низькі інструменти для розширення термічного розширення |
Температура: Теплове розширення та зменшення щільності
Нікель розширюється теплом, Зменшення його щільності.
З Лінійний коефіцієнт теплового розширення (CTE) Для нікелю ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; з Орієнтовний об'ємний CTE становить ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Використання цих значень, Щільність нікелю зменшується з температурою:
- При 100 ° C: Щільність ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- При 500 ° C: Щільність ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- При 1455 ° C (точка плавлення, рідкий нікель): Щільність ≈ 8.70 g/cm³ (Рідкі метали менш щільні, ніж тверді речовини через збільшення атомного розладу)
Ця щільність, що залежить від температури, є критичною для:
- Високотемпературна кастинг: Форми повинні враховувати зміни щільності під час затвердіння, щоб уникнути дефектів усадки.
- Аерокосмічні компоненти: Нікелі суперпрофільми в реактивних двигунах (працює при 1000–1200 ° C) Зниження щільності, що впливають на теплопровідність та структурну стабільність.
Тиск: Збільшення стиснення та щільності
Об'ємний модуль нікелю (~ 170 ГПА) вимірює стійкість до стиснення. Високий тиск незначно збільшує щільність:
- В 1 GPA (≈10 000 атм, типовий для глибоких морських середовищ): Щільність збільшується на ~ 0,5% (≈8,95 г/см³).
- В 10 GPA (надзвичайний тиск, Напр., планетарні ядра): Щільність піднімається до ~ 9,3 г/см³.
Глибоко-морське обладнання: Нікельні компоненти в підводних матеріалах повинні протистояти зміні щільності, спричиненої тиском, без структурної несправності.
Металообробка високого тиску: Такі процеси, як гаряче ізостатичне пресування (Стегно) Використовуйте тиск для ущільнення нікельських сплавів, Зменшення пористості та збільшення кінцевої щільності.
4. Вимірювання щільності
Архімед ' Принцип і гідростатичний зважування
Зразки нікелю занурюються в рідину, і щільність обчислюється з плавучих сил. Цей метод простий і надійний для об'ємних компонентів.
Рентгенівська дифракція (Рентген)
XRD обчислює щільність від параметра решітки кристалічної структури нікелю (вимірюється за допомогою рентгенівського розсіювання). Цей метод є:
- Неруйнівний: Ідеально підходить для цінних або ніжних зразків (Напр., аерокосмічні компоненти).
- Дуже точний: ± 0,0001 г/см³ для чистого нікелю, Оскільки вона безпосередньо вимірює атомну упаковку, а не на масові властивості.
- Обмеження: Вимагає добре скристалізований зразок (Не підходить для порошків або аморфного нікелю).
Пікнодометрія (для порошків)
Для нікельських порошків (Використовується у виробництві адитивних або покриттів), Газова пікуметрія (ASTM D6226) вимірює справжню щільність шляхом витіснення газу (Напр., гелій) У герметичній камері.
Це уникає помилок від порожнеч у порошкових руслах, випущення щільності в межах ± 0,002 г/см³ від теоретичного значення.
Змінність вимірювання
Повідомлена щільність може незначно відрізнятися через домішки, пористість, Метод вимірювання, і температура, Зазвичай в межах ± 0,01–0,02 г/см³ для якісного нікелю.
5. Промислова актуальність щільності нікелю
Щільність нікелю - це не просто теоретична властивість - це безпосередньо впливає на те, наскільки метал та його сплави розроблений, оброблений, та застосовуються в галузях промисловості.
Від аерокосмічних турбін до хімічних установок та виробництва добавок, Щільність відіграє ключову роль у ефективності матеріалів та інженерної ефективності.
Аерокосмічна та авіація: Балансування ваги та сили
Матеріали попиту на літаках та космічних апаратах з Високі співвідношення сили до ваги.
В той час як чистий нікель відносно щільний (8.908 g/cm³), Суперпрофільні на базі нікелю, такі як Юнель 625 (8.44 g/cm³) або Hastelloy x (8.30 g/cm³) надати компроміс:
- Нижча щільність зменшує загальну вагу двигуна або конструкції, Економія палива та розширення діапазону.
- Високотемпературна стабільність забезпечує стійкість до повзучості та втоми в >1000 ° C.
Приклад: A 1% Зниження маси диска турбін за допомогою оптимізації щільності сплаву може заощадити Сотні кілограмів реактивного палива щорічно на літак.
Автомобільна та важка техніка: Довговічність та ефективність
Щільність нікелю також актуальна для наземного транспорту:
- Електромобілі (EVS): Матеріали, багаті нікелем, катодні матеріали (Напр., NMC, NCA) впливає на щільність енергії акумулятора, де економія ваги покращує діапазон водіння.
- Важка техніка: Нікельні сталі та нікель-посередники (Щільність ~ 7,8–8,8 г/см³) Забезпечити міцність та зношування в будівельній техніці та гірничій техніці.
Хімічна та нафтохімічна обробка: Корозійна стійкість з масовою ефективністю
На хімічні рослини та нафтопереробні заводи, нікелеві сплави повинні протистояти корозійні кислоти, луг, і гази високого тиску:
- Монель 400 (8.80 g/cm³): Обраний для морських трубопроводів та поводження з морською водою через відмінну резистентність до корозії.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 г/см³): Використовується в кислотних реакторах, Там, де щільність врівноважується проти корозійної стійкості та механічної цілісності.
Щільність впливає не лише механічна міцність а також Теплопровідність і Ефективність тепла, Обидва критичні в хімічних реакторах.
Кастинг, Кування, та виробництво добавок: Контроль затвердіння
Поведінка щільності нікелю під час термічної обробки безпосередньо впливає на результати виробництва:
- Кастинг: Зниження щільності при плавленні (8.908 → ~ 8,70 г/см³) повинен бути врахований для запобігання усадка пористість у формах.
- Кування та стегна (Гаряче ізостатичне пресування): Нанесений тиск ущільнює нікелеві сплави, Закриття порожнеч і збільшення механічної міцності.
- Виробництво добавок (Амор): Порошкове злиття та спрямоване осадження енергії покладаються на послідовну щільність порошку для передбачуваного Протікаючість, рівномірність шару, і кінцева щільність частини.
Енергетичні та ядерні програми: Коли висока щільність - це користь
В деяких галузях, Більш висока щільність вигідна:
- Нікель-вольфрамові сплави (~ 10,0 г/см³): Забезпечте радіаційне екранування в ядерних реакторах та медичних візуалізаціях.
- Аноди та катоди на основі нікелю: Щільність впливає на ефективність струму та термічну стійкість в паливних елементах та електролізаторах.
6. Таблиця швидкої довідки: Чистий нікель і звичайні сплави
| Матеріал / Сплав | Склад (Основні елементи) | Щільність (g/cm³ @ 20 ° C) | Точка плавлення (° C) | Ключові програми |
| Чистий нікель (99.99%) | ≥99,99% при | 8.908 | 1455 | Електроніка, Термопарки, електричний |
| Комерційний нікель (Сорт 200) | ≥99,0% при + Fe домішки | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Хімічна обробка обладнання, Морське обладнання |
| Монель 400 | ~ 65% мають, 34% Куточок, 1% Феод | 8.80 | 1350–1400 | Морська інженерія, насос, Теплообмінники |
| Юнель 600 | ~ 72% мають, 14–17% Cr, 6–10% fe | 8.47 | 1354–1413 | Хімічна обробка, компоненти печі, ядерні реактори |
| Юнель 625 | ~ 59% мають, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Феод | 8.44 | 1290–1350 | Аерокосмічні турбіни, ядерні реактори, хімічні рослини |
| Васпалой | ~ 58% мають, 19% Cr, 13% Співпраця, 4% Mo, На, Al | 8.19 | 1320–1380 | Турбінні диски реактивного двигуна, аерокосмічні кріплення |
Nimonic 80a |
~ 76% мають, 20% Cr, На, Al | 8.19 | 1320–1385 | Газові турбіни, Випускні клапани, високотемпературні пружини |
| Hastelloy x | ~ 47% мають, 22% Cr, 18.5% Феод, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Камери спалювання газової турбіни, високотемпературні протоки |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% мають, 22% Cr, 13% Mo, 3% Ш, Феод | 8.69 | 1350–1400 | Хімічні реактори, скрубери, контроль забруднення |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% мають, 16% Mo, 15% Cr, 5% Феод, Ш | 8.89 | 1325–1370 | Скрукери димових газів, Хімічна обробка, контроль забруднення |
| Інлой 825 | ~ 42% мають, 21.5% Cr, 30–35% fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Кислотні трубопроводи, морські вихлопні системи |
| Нікель - (30% Ш) | ~ 70% в, 30% Ш | 10.0 | ~ 1455–1500 | Радіаційне екранування, зносостійкі деталі |
| Інвен 36 | ~ 64% Fe, 36% У | 8.05 | 1430–1440 | Точні інструменти, Низькі застосування теплового розширення |
7. Висновок
Щільність нікелю - це фундаментальна фізична властивість, що впливає на дизайн, виробництво, та продуктивність у високотехнологічних галузях.
Такі фактори, як чистота, сплав, температура, і тиск створюють незначні варіації, Але розуміння цих нюансів є критичним для інженерів та вчених матеріалів.
Поєднання нікелю високої щільності, механічна міцність, і теплова стійкість робить його незамінним по всій аерокосміці, хімічний, енергія, та електроніка.
Поширені запитання
Чи форма нікелю (Тверда проти. порошок) впливає на його щільність?
Так. “Справжня щільність” (Щільність самого нікелю) те саме для твердих та порошків (~ 8,908 г/см³ для чистого нікелю), але "об'ємна щільність" (маса/об'єм порошку) нижчий (4–5 г/см³) через порожнечі між частинками.
Газова пікнодометрія вимірює справжню щільність, в той час як щільність крана вимірює масові щільності.
Як холодна робота впливає на щільність нікелю?
Холодна робота (Напр., прокатка, кування) незначно збільшує щільність нікелю (~ 0,1–0,2%) за рахунок зменшення дефектів решітки (дислокації) і стиснення порожнеч.
Наприклад, Холодний нікель має щільність ~ 8,92 г/см³, проти. 8.908 g/cm³ для відпаленого нікелю.
Щільність нікелю вище, ніж інші поширені метали?
Так. Нікель щільніше, ніж алюміній (2.70 g/cm³), прасувати (7.87 g/cm³), і титан (4.51 g/cm³) але менш щільно, ніж мідь (8.96 g/cm³), латунь (8.4–8,7 г/см³), і вольфрам (19.3 g/cm³).
Чи можна використовувати щільність для відрізнення нікелю від підроблених металів?
Так. Наприклад, нікельована сталь (Щільність ~ 7,9 г/см³) має нижчу щільність, ніж чистий нікель (8.908 g/cm³), Зробити принцип Архімеда простим способом виявлення підробки (Напр., підроблені нікелеві монети).
Яка щільність нікелю в просторі (вакуум, екстремальна температура)?
У вакуумі, Щільність не впливає (Тільки температура та тиск). При кріогенних температурах (-200° C), Щільність нікелю збільшується до ~ 8,95 г/см³ (Через скорочення решітки).
У мікрогравітації, Вимірювання щільності за допомогою принципу Архімеда неможливо, Тож XRD використовується замість цього.
