《镍杂志》第36卷，2021年3号 by Constructive Communications

镍杂志关于镍及其应用的专业杂志《镍杂志》第36卷，2021年3号

镍的社会属性，促进社会交往微型电容器让我们保持联系

疫苗生产促进社会交往

善交往的镍与其它金属完美搭档

REMKO DE WAAL EPA-EFE MX3D

案例研究23 3D 打印人行桥，阿姆斯特丹世界首座 3D 打印的不锈钢桥在荷兰正式启用。设计师采用了增材制造技术，其优势在于，可以快速实现几乎所有的设不锈钢：Arcelor Mittal 建筑师：Joris Laarman 实验室

计方案，几乎不产生废料，可以现场建造或工厂预制。这座 12 米长的桥是在工厂预制的。

首席工程师：Arup

该桥使用了 4500 公斤308LSi（UNS

制造商：荷兰 MX3D 公司，专注于大型机器人线+弧增材制造（WAAM）

S30888）不锈钢焊丝，由四个6轴工沉积。PBF 技术与之相类似，但是，业焊接机器人将 3D 打印的部件进分辨率更高，使设计者能够更精准

地点：Oudezijds Achterburgwal，阿姆斯特丹市中心最古老和最著名的运河之一

行焊接组装。这些机器人利用复杂

长度：12.2 米

的逐层沉积工艺建造桥体，表面呈现钢的本色。含镍 300 系不锈钢可

直接送入高温熔区，熔化后逐层

地实现他们的设计理念。 3D 打印桥梁由大型机器人通过数字激光烧结工艺进行焊接。桥上安

宽度：6.3 米

焊接、坚固耐用，因此，非常适用于

高度：2.1 米

3D 打印建筑。

17吨负载试验

设计师使用了两种 3 D 打印方

4500 公斤 308 LSi 不锈钢

法--直接能量沉积（DED）和粉末

2021 年 7 月 15 日，马克西玛女王宣

床熔融（PBF）。DE D 打印技术

布该桥正式对公众开放，并由机器

打印时间：6 个月

装的传感器用于收集数据，跟踪桥梁的性能变化。

是将粉末或金属丝通过笔状喷嘴人剪彩。 2 || 《镍杂志》《镍杂志》第36卷，第36卷，2021年3号 2021年3号 2

编者按：镍的社会属性，促进社会交往

镍是一种社会金属。该想法看似奇怪，但仔细想想，这正是镍真正有用的缘由。在本期《镍杂志》中，我们将从镍的理化特性和它在帮助人类联系中的应用，审视镍的社会属性。镍具有与大多数金属混合的特质。因此诞生了多种耐热、耐腐蚀、坚韧、有延性和可焊接的合金。它们具有不同的实用性，甚至可以说，它们的力学性能非常关键。镍和其它金属一起可以在金属和塑料表面形成镀层，这些社会技能正在解决我们日常生活方方面面的问题。镍为我们的社交网络提供了哪些便利呢？社交离不开智能手机，我们看看镍在智能手机微型电容器中的作用。使我们保持联系的电子产品，一旦使用寿命结束，将被如何处理？我们是指电子废物中镍的增长空间，以及如何回收再利用。回收的镍一般都被用于生产不锈钢等合金材料，生产商可以再次利用镍的社会属性。我们还探讨含镍不锈钢如何帮助制药行业应对控制新冠病毒，恢复正常

镍的化学和力学特性在帮助人类连接的应用中发挥作用。

社交所亟需的疫苗在生产中所面临的挑战。本期肯定了镍在众多领域的应用。展望未来，镍的用量定会积少成多，聚沙成塔！ Clare Richardson 《镍杂志》编辑《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 3

案例研究23 3D打印桥

编者按

镍要闻

要闻

目录镍的社会属性，促进社会交往

04 06

镍要闻口袋里的微型电容器

采矿电子垃圾废金属焕发新生

至关重要的镍疫苗生产

镍

镍要闻给混凝土充电

社会金属

镍合金

铁涂层碳纤维网

因瓦合金

阳极层

技术问答埋地不锈钢管新出版物

导电水泥基混合物

UNS详细资料 LUMA Arles 摩天楼出版：国际镍协会

www.nickelinstitute.org

阴极层

总裁：Hudson Bates博士编辑：Clare Richardson

镍涂层碳纤维网

communications@nickelinstitute.org 撰稿人：Gary Coates、Jim Fritz、Richard Matheson、 Geir Moe、Kim Oakes、Odette Ziezold 设计：Constructive Communications 期刊内容仅供读者参考，未征求专家意见，不得在特定应用中使用或以此为依据。虽然期刊中的信息在技术上是正确的，但国际镍协会及其会员、工作人员和顾问不承诺，也不保证它们适用于任何普通或特定用途，对期刊中的信息不承担任何责任或义务。 ISSN 0829-8351 加拿大Hayes印刷集团用再生纸印刷封面：iStock©coﬀeekai 图片提供者：第3页—iStock©Orbon Alija 第6页—Shutterstock©OlegDoroshin，第8页—iStock©Lya_Cattel 第9页—iStock©pagadesign，第10页—Stock©SDI Productions，第11页—iStock©Drazen Zigic，第12页—iStock©maki_shmak

4 | 《镍杂志》第36卷，2021年3号

把住宅楼变成巨型电池？瑞典查尔姆斯理工大学研究人员 Tang 和 Zhang 研制了一个可充电的水泥基电池原型。这一创新概念包括在混凝土中嵌入短碳纤维、铁涂层碳纤维网和镍涂层碳纤维网--铁为阳极，镍为阴极。研究结果显示平均能量密度为每平方米7瓦时。虽然与商用电池相比其能量密度很低，但由于在建筑物中使用该技术，电池的建造体巨大，所以，能够存储和传输大量能量。混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，因此，当水泥基电池用于未来建筑、桥梁和人行道时，可能会改变建筑行业的格局，提高可持续性。

YEN STRANDQVIST/查尔姆斯理工大学

15 15 16

枝繁叶茂在中国这是一个未来的森林，在这里，精妙绝伦的建筑与技术创新相互结合。“未来花园”位于中国南京，是江苏园博会的景点之一，42 棵不锈钢树对屋面构成伞形支撑。中国建筑设计和研究小组照片：张广源

每棵树的造型整齐划一，相互连接。荷叶状屋面采用亚克力面板，这在世界上尚属首次。“未来花园”是由开采过的矿井和废弃的水泥厂改造而成，尽管地面条件复杂，施工难度大，但建成后的花园让人赏心悦目。该项目使用了1000 吨含镍 316L（UNS S31603）不锈钢。

电力飞行

Electric Air 公司创始人 Gary Freedman 创造了世界上纯电动飞机水上飞行最长记录，迈出了绿色飞行的重要一步，他乘坐的纯电动飞机飞越了新西兰库克海峡，全程40分钟。电动马达由两个含镍锂电池组驱动，电池续航时间可达90分钟，充电时间不到1小时。此次单人飞行与传统飞机首次飞越新西兰两个主要岛屿之间的海峡相距101年，而且与2021年10月在苏格兰召开

ELECTRICAIR

的联合国气候峰会开幕相呼应。“这是彻底变革的开始。”Freedman说：“更大、飞得更远的电动飞机正在研制中，将成为短途航线的理想选择。”

检测汗液中的糖分宾夕法尼亚州立大学的科学家们在《生物传感器和生

萄糖浓度，并通过了商用监测仪验证。Cheng 说：“我

物电子学》期刊上发表了一篇论文，详细介绍一种检

们正在推动将这项技术应用于患者的日常监测。”

测汗液中葡萄糖的新型、无创、低成本生物传感器。首先，研究人员选用激光诱导石墨烯（LIG），但这种材料“对葡萄糖完全不敏感”。然后，他们选择了镍，因为镍“对葡萄糖非常敏感”。受试者在餐后1小时和3小时宾夕法尼亚州立大学

将可重复使用的检测装置固定在手臂上，然后再进行短暂的运动。虽然汗液中的葡萄糖浓度比血液中葡萄糖浓度低100倍，但是新检测装置可以准确地检测葡《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 5

口袋中的镍微型电容器让我们保持联系镍通过减薄绝缘层厚度，缩小 MLCC 的尺寸，并保持电容量不变。

你口袋里的智能手机是一个复杂的电子系统，具有许多不同的功能，而这些功能都由同一块内置电池供电。电子线路是由独立的电子元件组成，如电阻、晶体管、电容器、电感器和二极管，通过导线或电路板连接。电容器具有储存电荷的能力，或者说是储存电荷的“容器”，很像小型充电电池。电容器是电子电路正常工作所必子电路活动引起的电源波动的影需的。假如电源能够提供恒定电

响。

压，且不考虑电流消耗，并且没

MLCC 剖析

有产生电噪声的元件，那么，就

MLCC 的基本形式是由两个或

不需要电容器。但电压波动现实

多个平行的金属板（电极）组

存在，必须消除。电容器提供缓

成，这些金属板由绝缘材料

冲存储，确保所有元件始终有足（即绝缘体）进行电气隔离。目够的电流，并对“噪音”进行过滤，前，MLCC 可以并联 600 个厚度不确保各个子电路按设计运行。

到 1 微米的平行电极。

在消费电子产品中，通常有数百 40多年前 MLCC 问世，取代了圆个微型电容器，在 iPhone 这样的片式陶瓷电容器。圆片式陶瓷高端智能手机中，微型电容器有电容器有两条单独的引线，一 1000 多个。它们被称为片式多层

般是通过印刷电路板上的孔安

陶瓷电容器（MLCC），它们的

装。它们既不利于快速安装，也

体积可以像你最喜欢的度假海滩

不利于电子产品微型化。矩形

上的沙粒那么小。它们的功能是

的 MLCC 可以快速表面安装。早

将子电路解耦，从而免受另一个期的 MLCC使用银-钯（Ag-Pd） 6 | 《镍杂志》第36卷，2021年3号

TAIYO YUDEN EUROPE GMBH

2020 年，4800t 镍粉用于生产沙粒般大小的多层陶瓷电容器。

作为电极，

21 世纪初被镍替代。机、智能手表和健身手环等可穿

与 Ag-Pd 相比，镍电极有多个优

戴电子产品、航空航天系统以及

点，包括：

智能汽车，特别是搭载高级驾驶

•

绝缘层更薄

•

电容量更大（容积效率更好）

•

成本更低

辅助系统（ADAS）的汽车。事实上，在任何微型电子产品中都有MLCC。MLCC的年产量达到 4 万亿件，其中 40% 用于智能手

目前，镍是生产 MLCC 的首选材

机。2020 年，4800 吨镍用于制造

料。镍可以减薄绝缘层厚度，缩

MLCC，这些微型元件使我们随

小 MLCC 的体积，并保持电容量

时保持联系，没有它们，我们的

不变。含镍 MLCC 应用于智能手电子设备将无法工作。《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 7

采矿电子垃圾废金属焕发新生我们基于复杂的铅/铜/镍冶金工艺，利用这些基本金属作为收集器，收集贵金属和其它金属，即所谓的“杂质”，如锑、铋、锡、硒、碲和铟。 —优美科

“电子废物，包括 LIB 废物，经过预处理后放入冶炼铜的转炉中。然后，通过电解分离出粗硫酸镍，再送入镍精炼炉，制成纯硫酸镍，作为生产电池的原料。” —住友金属矿业

“由于新的回收系统采用了模块化结构，所以，我们能够非常灵活地应对市场需求，使越来越多的含镍金属废弃物得到再利用。” —奥鲁比斯集团

8 | 《镍杂志》第36卷，2021年3号

想想最大的邮轮。再想象一下它的重量——实际上也就 10 万多吨。再想想500艘这样的邮轮以及它们的总重量。这个惊人的数字正是我们每年产生的新电子垃圾的总量。根据《全球电子废弃物监测》报告，专有技术仅 2020 年，全球产生的电子废弃物

每个生产厂在镍的循环利用方面都

达到 5300 万吨。而且每年都在增多，有自己的办法，而且多数是专有技术。预计2030年将达到 7400 万吨。但是，首先是预处理，因为电子废弃物含目前大约只有 10 0 0 万吨电子废弃

有大量的塑料、陶瓷和其它非金属

物得到真正的循环再利用，也就是

材料，这些材料要单独处理——金

说，我们回收其中的金属和其它有属才是人们最关心的。即便如此，家价值的材料，包括镍。剩余的4300 万用电器中的钢质零部件也可以通过吨电子废弃物没有得到循环再利用，磁力分离出来，送到钢铁厂作为废而是被填埋，估计其中可回收材料的总价值约 550 亿美元。手机、电脑、电视、家用电器和其它我们每天都在使用的电子元器件使用寿命终止后的境遇都不尽如人意。复杂的回收电子废弃物中含有镍，但数量取决于被回收的电子元件。回收过程相当复杂，因为镍是一种“亲和金属” ，可以和大多数金属混合。镍含量一般占元件总重量的 0.5 至 2%，远远低于铜和铁的含量。镍的关键属性被用于电子产品中，例如，在片式多

钢使用。例如，将电路板甚至整个手机破碎成小块，有助于分检。有些公司有专门回收各类电池的作业线，随着电动汽车电池寿命的结束，废

“淡水河谷公司历来采用火法冶金加工回收材料，但也在考虑湿法冶金。我们的流程图包含多个处理方案，安全可靠，我们还将继续提高处理黑块（Black Mass）的能力。” ——淡水河谷公司

金（高温）、湿法冶金（酸溶解）或

“我们位于瑞典北部的 Rönnskär 冶炼厂是世界上最大的电子废弃物金属回收工厂之一。该厂还最大限度地减少了排放，并利用电子废弃物进行集中供热。”

两者兼用。有些公司可以回收电子

—波立登

电池的回收量将迅速增长。铜、镍和贵金属的回收涉及火法冶

产品中用到的其它金属，如铟、硒、铋和其它含量更少的金属。重要原料国际镍协会的一些成员已经有 30 多

“自20世纪 90 年代以来，我们已经回收了100多万吨电子废弃物。” —嘉能可

年处理电子废弃物的经验。他们正在积极扩大处理能力，使电子垃圾

层陶瓷电容器（MLCC）中的应用（变废为宝。早年开采的材料，结束见第 6 页）。金、钯和银等贵金属用

使用寿命后，可以重新制成关键的

量更少，但是它们具有更大的货币价电子元件，供我们大家使用。尽管电值。但在循环经济中，我们需要尽可子废弃物中镍的回收量较少，但是，能多地循环利用，国际镍协会的成

镍行业是社会实现循环经济目标的

员正在尽自己的一份力量。

重要合作伙伴。《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 9

镍在疫苗生产中的重要作用

虽然 2020 年和 2021 年深受新冠疫情的坏消息及严重后果的困扰，但疫用于疫苗生产的切向流过滤滑块

苗研发是一个亮点，为控制疫情大流行带来了希望。制药公司、科学家和政府对高效疫苗的快速研发必将作为我们时代最伟大的成就之一被世人铭记。随着疫苗研发成功，接下来的挑战一次性使用技术，即：生物反应器采是尽快交付数以亿剂的疫苗，但传用高分子材料，用伽马射线进行消统的疫苗生产能力无法满足这一需

毒，使用后销毁。这项技术不需要

求。包括生物反应器和配套的“注射 WFI和CIP系统，可以缩短设备投产用水”（WFI）和在位清洗（CIP）系时间。

COTTER BROTHERS 公司

统的新制药厂的建设和验收投产，含镍 316L 型（UNS S31603）不锈钢可能需要 18 个月或更长时间。在疫是传统制药厂使用最广泛的材料，情大流行期间，这个时间太长了。

当需要提高耐腐蚀性时，则选用合

为了加快疫苗生产，制药行业改用金含量更高的不锈钢或镍合金。 10 | 《镍杂志》第36卷，2021年3号

采用一次性使用技术，聚合材料被

过滤膜，即渗透液，未穿过滤膜的

用作生物反应器。与传统生产设备回流液，重新循环到进料器。疫苗相比，不锈钢和其它耐蚀合金的使生产过程中，纯化通过纯化滑块完用量均有减少。尽管一次性生产装成。滑块的结构框架由抛光304L不置取代了一些不锈钢，但含镍奥氏体不锈钢在疫苗生产中仍发挥着重要作用。聚合材质的生物反应袋必须放置在被称为“手提箱”的金属容器内，用于机械支撑和温度控制。 “手提箱”由 304L（S30403）不锈钢抛光板制成，以保证生产环境清洁卫生。

锈钢制成，与产品接触的管道采用

用于疫苗生产的大型矩形箱体

电抛光316L不锈钢。制药设备通常采用 ASME BPE（生物加工设备）标准。它涵盖了材料、设计、制造、检验、测试以及高等级卫生认证。在可预见的未来，世界各国对新冠

疫苗产品的纯化是生产过程中一个疫苗的需求将处于常态化，最终将

产设备通过切向流过滤（TFF）实

这些救命药的快速生产还将依赖一

现纯化。切向流过滤是指进液的流

次性生产设备。无论哪种情况，含镍

COTTER BROTHERS 公司

重要且必不可少的步骤。一次性生建成大型传统生产设施。在此之前，

动方向与膜表面平行。部分进液穿合金都将是必不可少的建造材料

《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 11

镍：社会金属还记得早年上学的时候，老师在成绩单上写过“与他人友好相处”这句话镍很容易与铁、铜、铬、钼、钛、钴和钨混合，生产出有用和关键的工程合金。

吗？这也正是对镍的评价，镍是一种通用元素，可以与大多数金属合金化。含镍合金应用范围之广，是其它合金材料无可比拟的。镍与铜、钼、钛、铁和铬形成二

的关键作用是保持奥氏体结构，

元（双元素）合金。它还会形成

奥氏体结构使这些合金材料具有

三元合金，其中铁是第三种元

优良的加工性和焊接性。在增加

素，因为铁对合金的性能至关重

其它元素含量的同时，镍含量也

要，或者铁的存在不影响合金的

要进一步提高。由于镍 “善于社

性能，因此添加铁以降低成本。

交”，因此诞生了许多耐腐蚀合

还有包含上述多种元素的多元合

金。如果没有这些合金材料，大

金，特别是耐腐蚀不锈钢和镍基

多数化学品的工业化生产将更加

合金。铬、钼和其它元素提供了

困难，而且使用不太符合要求的

合金材料的耐腐蚀性。但是，镍

金属材料会更加昂贵。

成分，重量百分比* 名称

二元合金

三元合金

多元合金

耐腐蚀不锈钢和镍基合金

合金400 铜镍合金70-30 合金B-2 镍钛合金合金36 镍铬合金80-20 Kovar ® 合金80 合金600 合金33 MP35N® 合金188 合金617 316 6% 钼 SS 合金625 合金C-276 合金718 310 330

*重要元素的近似成分

12 | 《镍杂志》第36卷，2021年3号

UNS

镍

N04400 C71500 N10665 N01555 K93600 N06003 K94610 N14080 N06600 R20033 R30035 R30188 N06617 S31600 S31254 N06625 N10276 N07718 S31000 N08330

66 30 72 55 36 80 29 80 75 32 35 22 54 10 18 60 58 52 20 35

其它 32 Cu 70 Cu 28 Mo 45 Ti 64 Fe 20 Cr 17 Co, 54 Fe 5 Mo, 14 Fe 15 Cr, 8 Fe 33 Cr, 34 Fe 35 Co, 20 Cr, 10 Mo 40 Co, 22 Cr, 14 W 12.5 Co, 22 Cr, 9 Mo 16 Cr, 2 Mo, 70 Fe 20 Cr, 6 Mo, 55 Fe 21 Cr, 8 Mo, 3.5 Nb, 4 Fe 15 Cr, 16 Mo, 5 Fe, 3.5 W 19 Cr, 5 Nb, 3 Mo 25 Cr, 52 Fe 19 Cr, 1.2 Si, 44 Fe

特性耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀形状记忆和超级弹性低膨胀电加热元件低膨胀高磁导率耐腐蚀耐腐蚀高强度、耐腐蚀高温应用高温应用耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀高强度、耐腐蚀高温应用高温应用

因瓦合金—诺贝尔合金当温度从室温升至厨房烤箱的最高温度（约 260°C（500°F）），钢（铁碳合金）会膨胀。一般来说，这种膨胀并不明显，也不足以造成问题，但对于一些设备，如精密测量设备和机械钟，该温度区间的热膨胀是一个严

EMILIO SEGRÈ视觉档案馆

重的问题。1895 年，瑞士物理学家 Charles Edouard Guillaume 发现了铁镍合金（64%铁，36%镍）独特的低膨胀系数，并因此荣获了 1920 年诺贝尔物理学奖。这种合金被命名为 Invar (因瓦)，这个词来源于 “invariable” （不变），意指该合金在这个温度范围内的膨胀和收缩量很小。在 20°C 至 100°C（68°F 至 212°F）之间，因瓦合金的热膨胀率约为普通钢的十瑞士物理学家和诺贝尔奖得主 Charles Edouard Guillaume

分之一。镍含量从 36% 增加到 50% 时，热膨

生产航空航天用的高精密复合材料。

胀率随之增加。由此诞生铁镍合金

双金属片热敏开关利用了两种合金

家族，它们的热膨胀率针对特定的不同的热膨胀系数。因瓦合金在低温度范围进行优化，它们被统称为温条件下也能保持良好的强度和韧控制膨胀合金。性，用于制造液化天然气（L NG）这些合金可以定制膨胀率，以便与的薄膜罐。各种玻璃和陶瓷的膨胀率匹配，从而生产封闭式玻璃-金属和陶瓷-金该铁镍合金系列是生产精密测量属密封件，以保护电子产品不受气

因瓦合金 ® 制成的液化天然气运输船的膜层。

设备、热敏开关和电子产品保护装

体和液体的影响。还可以制成模具，置的关键材料。控制膨胀合金铁

K93600

其余

Kovar ®

K94610

其余

合金42

K94100

其余

合金52

N14052

其余

钴 ROLAND MOURON酿酒桶

镍因瓦合金36®

《镍杂志》第36卷，2021年3号 | 13

咨询专家国际镍协会技术咨询专线问题解答

问答

Geir Moe P .Eng. 是国际镍协会技术咨询服务协调员。Geir 与世界各地的材料专家一同为寻求技术支持的含镍材料最终使用者和规则制定者提供帮助。该团队可以随时针对多种应用（例如不锈钢、镍合金和镀镍）免费提供技术建议，使人们有把握地使用镍。

问：我想知道埋地不锈钢管道的外表面 (土壤一侧）是否需要采取防腐措施。

答: 这不是一个简单的问题，因为

腐蚀性物质，如氯化物，应选用

土壤的腐蚀性不同，而且腐蚀性也

耐腐蚀性更好的不锈钢，如 2205

会因季节而异。一般情况下，在土（S32205）、2507（S32750）或 6Mo 壤存在以下一种或多种情况时，埋

不锈钢（S31254），或者用矿脂防

地钢管和储罐都会发生腐蚀：

腐胶带包裹。由于涂层可能会受

• 水分含量高

到机械划伤，所以很少使用。

• pH值小于 4.5