镍的性质及常见用途

镍是一种化学元素，英文名是Nickel，来源于德文Kupfernickel。化学符号为Ni，原子序数为28，属第四周期系Ⅷ族。镍有多种同位素，表1.2.1给出了几种同位素的丰度、半衰期和衰变模式等。镍是具有铁磁性的金属元素，是许多磁性材料的主要组成成分，作为铁系元素的一种，其在地球中的含量仅次于硅、氧、铁、镁，居第5位。其中地核中含镍最高，是天然的镍铁合金。地壳中镍的丰度为1.6×10-2%，其中铁镁质岩石含镍高于硅铝质岩石，例如橄榄岩含镍为花岗岩的1 000倍，辉长岩含镍量为花岗岩的80倍。镍的同位素如表1.2.1所示。

表1.2.1　镍的同位素

镍金属呈银白色，具有良好的机械强度和延展性，耐高温、难熔，并具有很好的化学稳定性，在空气中不易氧化等特征，能够高度磨光和抗腐蚀，溶于硝酸后，呈绿色，是一种十分重要的有色金属原料。

镍的居里点为357.6℃。低温时，镍仍具有良好的强度和延展性。和铂、钯一样，钝化时，镍能吸收大量的氢，粒度越小，吸收量越大。其物理性质见表1.2.2。

表1.2.2　镍的物理性质

镍属面心立方体晶型，每个晶胞含有4个金属原子。其原子量为58.69，原子体积为6.59 cm3/mol，原子半径为0.162 nm。固体热容系数为0.456 06 J/（g·℃），熔体为0.698 73 J/（g·℃），线胀系数为1.28×10-5（20℃），弹性极限（E×10-3）21～23，抗拉强度为392.26～441.3 MPa。

镍的密度（g/cm3）：铸镍8.8，电镍8.9，镍丸8.4，1 500℃熔体7.76，化学纯致密镍9.04；单位体积的镍能吸收其4.15倍的氢气，1.15倍的一氧化碳。镍退火后延伸率为40%～50%，布氏硬度为80～90 N/mm2；其铸造收缩率为2.2%。

镍属铁族元素，在周期表上与铜毗邻，其成键特性对提取冶金和成矿作用巨大，主要表现为矿物的紧密结合或伴生，造成冶金工艺的复杂化和困难。铁族元素及铜的成键特性如表1.2.3所示。

表1.2.3　成键特性

镍在水溶液介质中亦较稳定，如电解镍片在约100℃的3 mol/L H2SO4中溶解速度仅为10.67 g/（m2·h），表1.2.4列出了温度为100℃时，镍粒在不同粒度和不同H2SO4浓度下的溶速。

表1.2.4　镍粒的溶速(www.xing528.com)

镍的化学性质比铁稳定。其氧化态主要为Ni2+，其他还有Ni-、Ni、Ni+、Ni3+、Ni4+和Ni6+，重要的镍盐为硫酸镍（NiSO4·6H2O）和氯化镍（NiCl2·6H2O），NiSO4能与碱金属硫酸盐形成矾。简单化合物中以+2价为最稳定，能形成配位化合物，+3价镍盐为氧化剂。镍的氧化物有NiO和Ni2O3。氢氧化镍（Ni（OH）2）为强碱，微溶于水，易溶于酸。镍不溶于水，常温下在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，能阻止本体金属继续氧化，实验表明纯度为99%的镍，20年内不会发生锈痕。此外，镍还具有很强的抗蚀性，能耐氟、碱、盐水和很多有机物质的腐蚀，尤其是对苛性碱的抗蚀能力强，在50%的沸腾NaOH溶液中镍每年的腐蚀速度不超过25μm，可用于制造货币、陶瓷制品、特种化学器皿、电子线路、玻璃着色以及镍化合物等。在稀酸中镍会缓慢溶解，释放出氢气同时产生绿色的正二价镍离子，浓硝酸能使其表面钝化而具有抗蚀性。细镍丝可燃，加热时与卤素反应。镍可以在纯氧中燃烧，发出耀眼白光。同样的，镍也可以在氯气和氟气中燃烧。对氧化剂溶液包括硝酸在内，均不发生反应。镍是一个中等强度的还原剂。常压下，镍能与一氧化碳反应，形成剧毒的四羰基镍（Ni（CO）4），加热后它又会分解成金属镍和一氧化碳。

镍的用途很广，在军事、航天航空及钢铁、机械制造方面起着功能材料的作用，是一个国家不可缺少的重要战略物资。被用来制造不锈钢、高镍合金钢和合金结构钢，广泛用于飞机、雷达、导弹、坦克、舰艇、宇宙飞船、原子反应堆等各种军工制造业。在民用工业中，镍常制成结构钢、耐酸钢、耐热钢等，大量用于各种机械制造业。镍还可作陶瓷颜料和防腐镀层，镍钴合金是一种永磁材料，广泛用于电子遥控、原子能工业和超声工艺等领域，在化学工业中，镍常用作氢化催化剂（如兰尼镍）。

目前世界上10%的镍用于电镀，镀镍的物品美观、干净、又不易锈蚀。67%的镍用于不锈钢和其他抗腐蚀合金，约为镍消耗量的2/3；12%用于高镍合金；3%用于铸造业；2%用于铜镍为主的合金；6%用于其他。在钢中加入镍，可以提高机械强度。如钢中含镍量从2.94%增加到7.04%时，抗拉强度便由52.2 kg/cm2增加到72.8 kg/cm3。镍钢用来制造机器中承受较大压力、承受冲击和往复负荷部分的零件，如涡轮叶片、曲轴、连杆等。含镍36%、含碳0.3%～0.5%的镍钢，它的膨胀系数非常小，几乎不热胀冷缩，用来制造多种精密机械，高精度量规等。含镍46%、含碳0.15%的高镍钢，称为“类铂”，因为它的膨胀系数与铂、玻璃相似，这种高镍钢可熔焊到玻璃中。在灯泡生产上很重要，可用作铂丝的代用品。一些精密的透镜框，也用这种类铂钢制作，透镜不会因热胀冷缩而从框中掉下来。由67.5%镍、16%铁、15%铬、1.5%锰组成的合金，具有很大的电阻，用来制造各种变阻器与电热器。含镍成分较高的铜镍合金，不易腐蚀。下面简单介绍镍在7个具体领域里的应用。

（1）耐热合金：镍与铁、钴、铬、锰等能形成固溶体合金，具有高熔点，耐海水侵蚀及高温氧化，断裂强度大，易机械加工等优点，可用于制作燃气涡轮机。

（2）磁性材料：镍具有最大的磁导率（＞600μm），是最佳软磁材料。而将镍与铝、钴制成的合金，磁性就变得更强了。这种合金受到电磁铁吸引时，不仅自己会被吸过去，而且在它下面吊了比它重60倍的东西，也不会掉下来。因此，可以用来制造电磁起重机。

此外，镍还能与很多金属一起得到性能优异的磁性材料。如坡莫Ni-Fe及Fe-Ni-Si合金是典型高导磁材料，而Al-Ni-Fe-Co合金，还可作永磁（硬）性材料。又如Co-Ni-P合金是高密度磁性记录材料的薄膜基体，其机械强度大、韧性高及易加工等。Co-Ni合金膜记录磁带日益广泛应用于信息工程。Fe-Ni-Co合金是一种非晶态磁材料，应用于磁头及变压器。

（3）电子及电气材料：镍可制作各种传感器。锰康铜（58Cu41NiMn）或康铜（60Cu40Ni）可制作应变器的电阻，NiO或镍可用作还原气氛中的传感器或光盘存储器，Ni（OH）X用作光电显示材料；镍则易于发射电流，广泛用作电子管阴极。此外镍还广泛用于可充电的高能电池，如Ni-Cd、Zn-Ni、Fe-Ni及Ni-H2电池等。

（4）催化：应用于有机物的氢化、氢解、异构化、HC类的重整及脱硫等过程，还应用于气相氧化剂（AN、丙烯醛等）的催化。由于镍较铂族金属便宜且不易毒化，故常代替其作为催化剂。在重整的过程中，铂族金属却无法替代镍。

（5）储氢金属：LaNi5、LaCo5及CeCo5等均是良好的储氢材料，特点是低温可吸附大量的氢，稍升温降压又可释出，其结构与稀土储氢材料CaCu5相似，其中LaNi5较便宜。在LaNi5的六方晶体胞中含有1个LaNi5，晶胞体积为9.0×10-23 cm3。晶胞中有3个八面体空隙、6个四面体空隙，被吸附的氢以原子状态存在于这些空隙中，若空隙全被氢原子占据，则组成LaNi5H9，若只有一半被占据，则为LaNi5H45，此时合金密度为8.3×10-2 g·cm-3，比标准状态下氢的密度（8.9×10-5 g·cm-3）约大一千倍，可见在低压（大于4×105 kPa）下储运氢气安全又经济。

（6）形态记忆合金：如钛镍系合金具有“记忆”的本领，而且记忆力很强，经过相当长的时间，重复上千万次都准确无误。它的“记忆”本领就是记住它原来的形状，所以人们称它为“形状记忆合金”。原来这种合金有一个特性转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，而在转变温度之下，它又有另一种组织结构。结构不同，性能也就不同。钛镍合金在加热及冷却循环中，具有双向性反复记忆原形特性，加之耐热蚀性强，故广泛用于喷气机的油压控制，以及各种油管连接器及海底油田的油管接头、电缆连接器等。此外，在家电方面也获得广泛应用，如微波炉加热器中的循环振动结构，电流过热感测器，烘衣机、电烤箱及医疗器械等中的热风装置开关等。

（7）颜料及染料：由TiO2、NiO及Sb2O3的混合料在800℃煅烧而成的黄橙色颜料，是由于镍可任意地在阳离子节点上取代钛，形成缺陷晶体结构而引起发色作用，其中锑酸镍的形成，可使颜色由黄向橙黄转变。这种颜料覆盖力强，着色力差，故不易被其他物料污染；又由于具有金红石或尖晶石结构，故化学性能很稳定，能抗酸碱，耐光照，耐热达400℃。

镍、钴铝酸盐固熔体组成的蓝色颜料，亦具有尖晶石结构；其组成为NiAl2O415%～20%，余为CoAlO4。由NiO逐渐取代ZnO-SnO2组成的蓝色颜料中的ZnO，可使色彩逐渐由蓝向绿转变，最终可得到光泽很好的绿色颜料。由Ni2（PO4）及NiP2O7组成的磷酸镍颜料具有鲜黄色彩，如其中镍含量增加，则色彩渐变为暗黄绿色。镍的联胺甲醛络合物则呈鲜艳的黄绿色，是特别适用于毛呢织品的染料。