镍：从古老金属到现代工业的重要元素

镍：从古老金属到现代工业的重要元素

从日常生活中的电烤箱、剪刀、钢尺到工业生产中的起重机、涡轮机、高能电池，再到军事工业中的潜艇、飞机、坦克，这些金属产品都离不开镍。现代镍主要用于冶炼不锈钢，新能源电池领域的需求量快速增长。但铜矿石中镍作为伴生元素存在会造成冶炼困难。在我们追求绿水青山的愿景下，环保的电动汽车产业快速发展，镍产业随之蓬勃发展。目前，我国是全球最大的镍消费国，镍需求量持续高企，但镍资源十分贫乏，90%以上的镍需进口。

古老金属与现代金属的重聚

镍在物质文明发展中发挥了重大作用。虽然镍元素是1751年由瑞典化学家喀琅施塔得发现的，但人类使用镍的历史却可以追溯到远古时代，如古埃及、古巴比伦和古代中国。可以说，镍是一种既“古老”又“年轻”的金属。在古埃及、古巴比伦和古代中国，人们利用镍含量较高的陨铁制造精铁器，用于冷兵器战争。公元前300年左右，我国出现了含镍的武器和合金器皿。由于镍的颜色接近银白色，我国古代称镍为“白铜”（镍和铜的合金）。西汉时期，我国已掌握了制取白铜的工艺，如云南出产的白铜，镍含量就很高。我国生产的白铜器皿自16世纪起传入欧洲，被欧洲人称为“中国银”。 直到今天，白铜在波斯语和阿拉伯语中仍被称为“中国石”（张亚飞，2019，镍与纳米镍功能材料）。

18世纪中叶，德国经常使用一种表面呈红褐色、带有绿色斑点的重矿石来制造蓝色玻璃。矿工们称它为“尼科尔铜”（），意为“魔鬼的铜”，因为它会导致工人恶心、腹泻，严重者会休克甚至死亡。后来的实验证明，尼科尔铜是砷化镍，也就是红色的砷镍矿。尼科尔铜溶于酸后呈绿色，就像普通的铜盐溶液一样。1694年，希尔纳发表论文称，尼科尔铜是钴或砷与铜的混合物。然而，喀琅施塔得通过多次实验，发现尼科尔铜中并没有铜。1746年，喀琅施塔得在瑞典里达尔许坦地区北部的洛斯钴矿中发现了一块绿色矿石。他用硝酸溶解后，将一块铁放入溶液中。 按照实验假设，铁会迅速取代溶液中的铜。不料，预期的结果并没有实现。于是，他将绿色矿石放在木炭上焚烧，发现矿石变成了黑色的炉渣。加入三份黑色溶剂后，得到了一种表面呈淡黄色、断面呈银白色的粗金属，由小片组成，硬而脆，能被磁铁轻微吸引。如果将其溶解在硝酸、王水和盐酸中，可以得到绿色溶液。后来，喀琅施塔得从镍铜中也得到了类似的结果。结合这些特性，喀琅施塔得认为这种物质是一种不同于当时发现的所有金属的新金属。他随即将这种金属命名为“镍”，并于1751年在《瑞典皇家科学院学报》上发表了他的研究成果。

镍，化学符号Ni，英文名称，源于德语。原子序数28，密度8.902g/cm3，熔点1453℃，沸点2732℃。据张亚飞《镍及纳米镍功能材料》（第2页）介绍，镍在地球含量中居第五位，仅次于硅、氧、铁、镁。地核中含有大量的镍，而地壳中镍的含量较低，居第22位，平均只有47微克/克。镍的强度和延展性好，易与其他金属形成合金，提高金属材料的强度、耐高温和耐腐蚀性能。因此，在工业机械和精密电子仪器的生产、冶金和电镀等方面有广泛的应用。

与两者相关的合金

镍是一种既神奇又平凡的金属，它“神奇”的一面是镍合金，它“平凡”的一面是伴生镍，比如铜矿中的镍。

镍及镍合金具有优良的耐腐蚀性能，不同种类的镍在还原/氧化性酸、碱、盐、氯离子等介质中均能发挥不可替代的作用，是目前最齐全、用途最广的耐腐蚀合金材料体系。在钢表面喷涂镍铝青铜涂层材料，可使钢的耐冲蚀腐蚀性能提高4倍。镍能与铁、钴、铬、锰等形成固溶体合金，具有熔点高、耐海水侵蚀和高温氧化、断裂强度高、易于机械加工等优点。镍的磁导率最大（>600微米），是最好的软磁材料。当它与铝、钴制成合金时，磁性变得更强。这种合金被电磁铁吸引时，能举起比自身重60倍的物体，所以镍也是制造电磁起重机的材料之一。 钛镍合金对原始形状有超强的“记忆”，经过长时间、数万次反复使用后仍能准确地恢复到原始状态。从以上例子我们可以发现，镍合金被广泛应用于飞机、舰船、导弹、雷达、航天飞机、坦克、拖拉机、汽车、燃气轮机、微波炉、医疗器械等各类军工制造和机械制造行业。

镍及其化合物的主要用途是作为合金元素生产不锈钢，全球约65%、中国约85%的镍用于冶炼不锈钢，其他应用领域还有电镀、化学电源、石油化工、颜料染料等材料。由于新能源领域，尤其是以中国为代表的“三元材料”（由三种元素或单质、化合物构成的合金、非金属材料、有机材料和高分子复合材料）领域需求旺盛，电池领域镍的使用比例逐年增加。根据行业数据显示，目前电池行业镍的使用量已由2010年前的3%增长到2021年的10%左右。受以中国为代表的不锈钢、新能源电池材料领域需求旺盛的刺激，全球对镍的需求逐年增加。

许多金属元素可以以共生元素的形式出现，如铜矿石中的铼、金矿石中的碲等。当镍以共生元素的形式出现在矿石中时，将使有工业价值的元素的提取变得困难。镍属于铁族元素，在元素周期表中与铜相邻，其键合特性对冶金成矿影响巨大，主要表现在与矿物紧密结合或共生，使冶炼过程复杂化。

镍和铜的共存虽然给冶炼带来了不便，但也有积极的一面，即氧化镍的超导性。1986年，IBM苏黎世研究中心证明了氧化铜中存在高温超导性。在科学家不断发现新的氧化铜超导体的同时，也将目光转向了元素周期表中仅次于铜的镍。因此，氧化镍受到了广泛的关注和厚望。人们希望以镍为基体制备出类似的高温超导材料。

除了上述用途外，镍还可作为制造5分硬币的材料，为此5分又被称为“镍币”（王燕等，2020）。