1. Giới thiệu
Niken là một kim loại quan trọng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, Không gian vũ trụ, năng lượng, và các ứng dụng hóa học do khả năng chống ăn mòn của nó, sức mạnh cơ học, và sự ổn định nhiệt.
Hiểu mật độ của nó là cơ bản cho các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu vì nó ảnh hưởng đến tính toán cân nặng, Thiết kế thành phần, Hành vi nhiệt, và hiệu suất vật chất tổng thể.
Mật độ tham chiếu của niken tinh khiết ở nhiệt độ phòng (20 ° C.) là xấp xỉ 8.908 g/cm³ (hoặc 8,908 kg/m³).
Tài sản nội tại này củng cố các ứng dụng niken trong các hợp kim hiệu suất cao, Các thành phần cấu trúc, và lớp phủ chuyên dụng.
2. Mật độ của niken là gì
Tỉ trọng được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thể tích (P = m/v). Cho niken, Mật độ của nó phát sinh từ khối lượng nguyên tử (58.6934 u) và khối tập trung vào khuôn mặt của nó (FCC) cấu trúc tinh thể, Gói nguyên tử nào một cách hiệu quả.
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, Niken trưng bày một mạng FCC ổn định với hằng số mạng 0.352 nm, sản xuất mật độ đặc trưng của nó 8.908 g/cm³.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ niken
Mật độ niken (~ 8,908 g/cm³ tại 20 ° C cho kim loại cực kỳ cao) không phải là hằng số cố định; Nó thay đổi theo sự thuần khiết, hợp kim, nhiệt độ, và áp lực.
Sự thuần khiết: Người điều khiển chính của sự biến đổi mật độ
Mật độ tham chiếu của 8.908 G/cm³ áp dụng riêng cho Niken cực kỳ tinh khiết (≥99,99%), chẳng hạn như niken điện phân được sử dụng trong thiết bị điện tử và dụng cụ chính xác.
Trong thực hành công nghiệp, Niken hiếm khi đạt đến độ tinh khiết này.
Tạp chất, cho dù cố ý (Các yếu tố hợp kim) hoặc tình cờ (Quặng dư, xử lý các chất gây ô nhiễm), thay thế các nguyên tử niken trong mạng tinh thể, thay đổi mật độ dựa trên khối lượng nguyên tử và nồng độ của chúng.
Tạp chất phổ biến và tác dụng của chúng (Dữ liệu từ Sổ tay ASM, Âm lượng 2):
| Tạp chất | Tỉ trọng (g/cm³) | Nồng độ điển hình trong niken thương mại | Kết quả mật độ niken (g/cm³) | Thay đổi mật độ so với. Niken thuần túy |
| Sắt (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.858.90 | −0,01 đến −0,06 |
| đồng (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91Tiết8.93 | +0.002 ĐẾN +0.02 |
| Carbon (C, than chì) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90Mạnh8.91 | −0,001 đến −0,008 |
| Lưu huỳnh (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.9058.8.907 | −0,001 đến −0.003 |
| Ôxy (O, khí) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.9078.8.908 | Không đáng kể |
Hợp kim: Mật độ điều chỉnh cho hiệu suất
Niken tạo thành hợp kim với các yếu tố như đồng (Cu), crom (Cr), Molypden (MO), vonfram (W), và sắt (Fe), sản xuất vật liệu có mật độ khác biệt đáng kể so với niken tinh khiết.
Hợp kim và mật độ được chọn:
| Hợp kim | Sáng tác | Tỉ trọng (g/cm³) | Sự khác biệt so với. TRONG | Ứng dụng chính |
| Monel 400 | 65% TRONG, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Kháng ăn mòn biển |
| Bất tiện 625 | 59% TRONG, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Điện trở creep nhiệt độ cao |
| Hastelloy x | 47% TRONG, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 0.608 | Phòng đốt cháy tuabin |
| Niken (30% W) | 70% TRONG, 30% W | 10.0 | +1.092 | Bức xạ che chắn, Đang đeo điện trở |
| Bất cứ điều gì 36 | 64% Fe, 36% TRONG | 8.05 | 0.858 | Các công cụ mở rộng nhiệt thấp |
Nhiệt độ: Mở rộng nhiệt và giảm mật độ
Niken mở rộng với nhiệt, giảm mật độ của nó.
Các hệ số tuyến tính của sự giãn nở nhiệt (CTE) Đối với niken là ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; các CTE thể tích gần đúng là ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Sử dụng các giá trị này, Mật độ niken từ giảm khi nhiệt độ:
- Ở 100 ° C.: Mật độ ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Ở 500 ° C.: Mật độ ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Ở 1455 ° C. (Điểm nóng chảy, liquid nickel): Mật độ ≈ 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.
- Các thành phần hàng không vũ trụ: Nickel superalloys in jet engines (operating at 1000–1200°C) experience density reductions that affect thermal conductivity and structural stability.
Áp lực: Nén và mật độ tăng
Nickel’s bulk modulus (~170 GPa) measures resistance to compression. High pressure slightly increases density:
- Tại 1 GPA (≈10,000 atm, typical of deep-sea environments): Density increases by ~0.5% (≈8.95 g/cm³).
- Tại 10 GPA (extreme pressure, VÍ DỤ., 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: Các quy trình như nhấn nóng isostatic (HÔNG) Sử dụng áp lực để mật độ hợp kim niken, giảm độ xốp và tăng mật độ cuối cùng.
4. Đo mật độ
Archimedes Nguyên tắc và trọng lượng thủy tĩnh
Các mẫu niken được nhấn chìm trong chất lỏng, và mật độ được tính từ các lực. Phương pháp này đơn giản và đáng tin cậy cho các thành phần số lượng lớn.
Nhiễu xạ tia X. (Xrd)
XRD tính toán mật độ từ tham số mạng của cấu trúc tinh thể niken (được đo thông qua tán xạ tia X). Phương pháp này là:
- Không phá hủy: Lý tưởng cho các mẫu có giá trị hoặc tinh tế (VÍ DỤ., Các thành phần hàng không vũ trụ).
- Rất chính xác: ± 0,0001 g/cm³ đối với niken tinh khiết, vì nó trực tiếp đo bao bì nguyên tử thay vì tính chất số lượng lớn.
- Giới hạn: Yêu cầu một mẫu kết tinh tốt (không phù hợp với bột hoặc niken vô định hình).
Pycnometry (cho bột)
Cho bột niken (được sử dụng trong sản xuất phụ gia hoặc lớp phủ), Gas pycnometry (ASTM D6226) đo mật độ thực bằng cách thay thế một khí (VÍ DỤ., Helium) Trong một buồng kín.
Điều này tránh được lỗi từ các khoảng trống trên giường bột, Mật độ năng suất trong phạm vi ± 0,002 g/cm³ của giá trị lý thuyết.
Sự biến đổi đo lường
Mật độ được báo cáo có thể thay đổi một chút do tạp chất, Độ xốp, Phương pháp đo lường, và nhiệt độ, Thông thường trong vòng ± 0,01.
5. Sự liên quan đến công nghiệp của mật độ niken
Mật độ của niken không chỉ là một thuộc tính lý thuyết mà nó ảnh hưởng trực tiếp đến cách kim loại và hợp kim của nó được thiết kế, xử lý, và áp dụng trên các ngành công nghiệp.
Từ tuabin hàng không vũ trụ đến các nhà máy hóa chất và sản xuất phụ gia, Mật độ đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất vật chất và hiệu quả kỹ thuật.
Không gian vũ trụ và hàng không: Cân bằng cân nặng và sức mạnh
Vật liệu nhu cầu máy bay và tàu vũ trụ với Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao.
Trong khi niken tinh khiết tương đối dày đặc (8.908 g/cm³), Các siêu hợp chất dựa trên niken như Bất tiện 625 (8.44 g/cm³) hoặc Hastelloy x (8.30 g/cm³) Cung cấp một thỏa hiệp:
- Mật độ thấp hơn giảm tổng trọng lượng động cơ hoặc cấu trúc, tiết kiệm nhiên liệu và phạm vi mở rộng.
- Độ ổn định nhiệt độ cao đảm bảo khả năng chống lại creep và mệt mỏi tại >1000 ° C..
Ví dụ: MỘT 1% Giảm khối lượng đĩa tuabin thông qua tối ưu hóa mật độ hợp kim có thể tiết kiệm Hàng trăm kg nhiên liệu máy bay hàng năm mỗi máy bay.
Máy móc ô tô và hạng nặng: Độ bền và hiệu quả
Mật độ niken cũng có liên quan đến vận chuyển mặt đất:
- Xe điện (EVS): Vật liệu catốt giàu niken (VÍ DỤ., NMC, NCA) ảnh hưởng đến mật độ năng lượng pin, nơi tiết kiệm trọng lượng cải thiện phạm vi lái xe.
- Thiết bị nặng: Thép niken và hợp kim niken-đồng (Mật độ ~ 7,8 bóng8,8 g/cm³) Cung cấp độ dẻo dai và chống mài mòn trong máy móc xây dựng và thiết bị khai thác.
Xử lý hóa chất và hóa dầu: Khả năng chống ăn mòn với hiệu quả khối lượng
Trong các nhà máy hóa học và nhà máy lọc dầu, Hợp kim niken phải chống lại axit ăn mòn, kiềm, và khí áp suất cao:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Được chọn cho đường ống biển và xử lý nước biển do khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 g/cm³): Được sử dụng trong các lò phản ứng xử lý axit, trong đó mật độ được cân bằng với khả năng chống ăn mòn và tính toàn vẹn cơ học.
Mật độ không chỉ ảnh hưởng đến sức mạnh cơ học Nhưng cũng vậy Độ dẫn nhiệt Và Hiệu quả truyền nhiệt, Cả hai quan trọng trong các lò phản ứng hóa học.
Đúc, Rèn, và sản xuất phụ gia: Kiểm soát hóa rắn
Hành vi mật độ Niken trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả sản xuất:
- Đúc: Giảm mật độ khi tan chảy (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) Phải được tính đến để ngăn chặn Độ xốp co ngót trong khuôn.
- Rèn và hông (Nóng isostatic nhấn): Áp lực áp dụng mật độ hợp kim niken, Đóng lỗ rỗng và tăng cường độ cơ học.
- Sản xuất phụ gia (LÀ): Sự hợp nhất của giường và sự lắng đọng năng lượng theo hướng dựa vào mật độ bột phù hợp để dự đoán Khả năng chảy, Đồng nhất lớp, và mật độ phần cuối cùng.
Năng lượng và các ứng dụng hạt nhân: Khi mật độ cao là một lợi ích
Trong một số ngành công nghiệp, Mật độ cao hơn là lợi thế:
- Hợp kim Niken-Tung (~ 10,0 g/cm³): Cung cấp bảo vệ bức xạ trong các lò phản ứng hạt nhân và hình ảnh y tế.
- Cực dương dựa trên niken và catốt: Mật độ ảnh hưởng đến hiệu quả hiện tại và độ ổn định nhiệt trong pin nhiên liệu và chất điện phân.
6. Bảng tham chiếu nhanh: Niken tinh khiết và hợp kim phổ biến
| Vật liệu / Hợp kim | Sáng tác (Các yếu tố chính) | Tỉ trọng (g/cm³ @ 20 ° C.) | Điểm nóng chảy (° C.) | Các ứng dụng chính |
| Niken thuần túy (99.99%) | ≥99,99% tại | 8.908 | 1455 | Điện tử, cặp nhiệt điện, mạ điện |
| Niken thương mại (Cấp 200) | ≥99,0% tại + V ra tạp chất Fe | 8.858.90 | 1445Mạnh1455 | Thiết bị xử lý hóa học, Phần cứng hàng hải |
| Monel 400 | ~ 65% có, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350Mạnh1400 | Kỹ thuật hàng hải, bơm, Trao đổi nhiệt |
| Bất tiện 600 | ~ 72% có, 14Mạnh17% cr, 610% Fe | 8.47 | 1354Mạnh1413 | Xử lý hóa học, Thành phần lò, Lò phản ứng hạt nhân |
| Bất tiện 625 | ~ 59% có, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290Mạnh1350 | Tua bin hàng không vũ trụ, Lò phản ứng hạt nhân, Cây hóa học |
| Waspaloy | ~ 58% có, 19% Cr, 13% Đồng, 4% MO, Của, Al | 8.19 | 1320Mạnh1380 | Đĩa tuabin động cơ phản lực, Chốt hàng không vũ trụ |
Nimonic 80a |
~ 76% có, 20% Cr, Của, Al | 8.19 | 1320Mạnh1385 | Tua bin khí, van xả, Lò xo nhiệt độ cao |
| Hastelloy x | ~ 47% có, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260Mạnh1355 | Phòng đốt cháy tuabin, ống dẫn nhiệt độ cao |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% có, 22% Cr, 13% MO, 3% W, Fe | 8.69 | 1350Mạnh1400 | Lò phản ứng hóa học, máy lọc máu, Kiểm soát ô nhiễm |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% có, 16% MO, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325Mạnh1370 | Máy lọc khí thải, Xử lý hóa học, Kiểm soát ô nhiễm |
| Incoloy 825 | ~ 42% có, 21.5% Cr, 30Cấm35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385Mạnh1400 | Đường ống chống axit, Hệ thống ống xả biển |
| Niken - (30% W) | ~ 70% vào, 30% W | 10.0 | ~ 1455 Từ1500 | Bức xạ che chắn, Các bộ phận chống hao mòn |
| Bất cứ điều gì 36 | ~ 64% Fe, 36% TRONG | 8.05 | 1430Mạnh1440 | Dụng cụ chính xác, Ứng dụng mở rộng nhiệt thấp |
7. Phần kết luận
Mật độ Nickel sườn là một tài sản vật lý cơ bản ảnh hưởng đến thiết kế, chế tạo, và hiệu suất trong các ngành công nghệ cao.
Các yếu tố như độ tinh khiết, hợp kim, nhiệt độ, và áp lực tạo ra các biến thể nhỏ, Nhưng hiểu những sắc thái này là rất quan trọng đối với các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu.
Niken kết hợp mật độ cao, sức mạnh cơ học, Và khả năng phục hồi nhiệt làm cho nó không thể thiếu trên không gian vũ trụ, hóa chất, năng lượng, và các lĩnh vực điện tử.
Câu hỏi thường gặp
Hình thức niken có (rắn vs. Bột) ảnh hưởng đến mật độ của nó?
Đúng. "Mật độ thực sự" (mật độ của chính niken) giống nhau đối với chất rắn và bột (~ 8,908 g/cm³ cho niken tinh khiết), Nhưng mật độ khối lượng lớn ” (khối lượng/khối lượng của giường bột) là thấp hơn (4Hàng 5 g/cm³) Do khoảng trống giữa các hạt.
Phép đo nhiệt độ khí đo mật độ thực, Trong khi mật độ tap đo mật độ khối lượng lớn.
Làm thế nào để làm việc lạnh ảnh hưởng đến mật độ niken?
Làm việc lạnh (VÍ DỤ., lăn, rèn) tăng mật độ niken nhẹ (~ 0,1 –0,2%) bằng cách giảm các khuyết tật mạng (trật khớp) và nén khoảng trống.
Ví dụ, Niken cán lạnh có mật độ ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ cho niken được ủ.
Mật độ niken có cao hơn các kim loại thông thường khác không?
Đúng. Niken dày hơn nhôm (2.70 g/cm³), sắt (7.87 g/cm³), và titan (4.51 g/cm³) Nhưng ít đậm đặc hơn đồng (8.96 g/cm³), thau (8.4Mạnh8.7 g/cm³), và vonfram (19.3 g/cm³).
Mật độ có thể được sử dụng để phân biệt niken với kim loại giả?
Đúng. Ví dụ, Thép mạ niken (Mật độ ~ 7,9 g/cm³) có mật độ thấp hơn niken tinh khiết (8.908 g/cm³), Làm cho nguyên tắc của Archimedes trở thành một cách đơn giản để phát hiện hàng giả (VÍ DỤ., Tiền xu giả).
Mật độ của niken trong không gian là gì (chân không, Nhiệt độ cực cao)?
Trong chân không, Mật độ không bị ảnh hưởng (Chỉ có nhiệt độ và áp suất vật chất). Ở nhiệt độ đông lạnh (-200° C.), Mật độ niken tăng lên ~ 8,95 g/cm³ (Do sự co thắt mạng).
Trong vi trọng lực, Đo mật độ thông qua nguyên tắc Archimedes, là không thể, Vì vậy, XRD được sử dụng thay thế.
