Бериллий

«Бериллий — один из самых замечательных элементов огромного теоретического и практического значения», — так сказал академик А.Е.Ферсман. Основные минералы этого металла — изумруд и берилл — человек познал очень давно. Много тысячелетий они украшали перстни и короны императоров. Этим камням приписывали много фантастических свойств. Крупные камни изумруда ценятся наравне с бриллиантами. Первые упоминания о бериллах имеются у Аристотеля, а это — IV в. до нашей эры.

Впервые о существовании оксида неизвестного металла в бериллах заявил в 1798 г. французский химик Л.Н.Воклен (1763—1829). Однако выделить чистый металл было исключительно трудно. Потребовалось 100 лет кропотливой, трудоемкой работы многих исследователей и лишь в 1898 г. был получен сравнительно чистый металл. Началось изучение его свойств.

Исследования показали, что бериллий обладает уникальной совокупностью технически важных свойств. Он прочнее стали в 3 раза, алюминия — в 9 раз; обладает высокой жаростойкостью — по этому показателю бериллий уступает очень немногим металлам. Но это далеко не все. Если оценить его по удельным показателям, то окажется, что удельная прочность бериллия выше, чем у сталей, чем у алюминиевых и магниевых сплавов. А об удельной жесткости бериллия следует сказать особо. Для всех известных материалов (дерево, бетон, сталь, медь, титан и все другие металлы и их сплавы) удельная жесткость находится в пределах 10—27, а бериллий, единственный из всех материалов, дает величину 167, т. е. в среднем в 9 раз выше. Кроме того, он стоек к коррозии, обладает высокой теплопроводностью и теплостойкостью.

Началом промышленного применения бериллия принято считать 20-е годы XX в.— пружины, рессоры, амортизаторы, изготовленные из бериллиевой бронзы (1—5% бериллия). Правда, исследования таких бронз начались еще в прошлом веке, но токсичность, высокая стоимость, низкая пластичность сдерживали их промышленное применение.

В настоящее время сплавы на основе бериллия уверенно внедряются в производство летательных аппаратов — элементы обшивки, лонжероны, тормозные диски в самолетостроении, корпуса приборных отсеков ракет (сплав локалой — 62 % бериллия и 38 % алюминия), крепежные детали, детали гироскопических устройств. В перспективе ближайших лет «послужной список» сплавов на основе бериллия пополнится сотнями деталей, к которым предъявляются требования термической и коррозионной стойкости. Эти сплавы будут применяться в химической промышленности, радиотехнике, электронике, при производстве лазерной, мазерной, газерной и другой техники ближайшего будущего.

А теперь рассмотрим более подробно, на примерах, что же дает внедрение бериллия в производство летательных аппаратов. Если построить планер самолета типа Ту-154 на 80 % из бериллия и его сплавов, то его масса становится в 2 раза меньше массы летательного аппарата из сплавов на основе алюминия. Это дает возможность увеличить грузоподъемность на 40 % или повысить дальность полета.

Далее, замена стали бериллием в таких деталях, как тормозные диски крупных самолетов, снижает массу более чем на 500 кг и уменьшает нагрев дисков более чем в 2 раза благодаря более высокой (почти в 7 раз) теплопроводности бериллия по сравнению со сталью.

Замена крепежных деталей из титана на бериллиевые при равной прочности позволяет снизить их массу на 45 %, а замена диска газовой турбины — на 60 %.

Из сплавов на основе бериллия изготовляют панели космических аппаратов, теплозащитные экраны, используемые не только для защиты космонавтов, но и для поддержания определенных температурных условий работы аппаратуры.

Замена стали на бериллий при сохранении показателей жесткости уменьшает массу гиростабилизированной платформы приборного отсека ракеты-носителя более чем в 15 раз. Это позволяет уменьшить массу баллистической ракеты на 600 кг и больше. А 1 кг массы эквивалентен 24 км полета. Если речь идет о космической технике — это повышение на 600 кг полезного груза.

Приведем пример эффективности замены на «земной» службе. Рессоры автомобиля, выполненные из углеродистой стали, выдерживают 800—900 тыс. циклов и или выходят из строя вследствие усталости, или требуют замены (выработан ресурс). Если эту же сталь легировать бериллием (до 10%), то рессоры выдерживают 15 млн. циклов. Продолжительность «жизни» возрастает в 15 раз!

С возникновением и развитием ядерной техники бериллий как конструкционный материал для многих сборочных единиц ядерного реактора оказался лучше других металлов. Он обеспечивает высокую жесткость конструкции, нейтрален к ядерному горючему, повышает плотность нейтронного потока на 10—15 % за счет выделения нейтронов при нейтронном облучении. А малая плотность позволяет уменьшить массу реактора. Например, отражатели из бериллия в 6 раз легче никелевых.

За последние годы в нашей стране созданы сплавы системы медь — бериллий— кобальт — никель, широко применяющиеся в производстве блоков пресс-форм для прессования пластмасс, форм для литья под давлением цинковых сплавов и штампов для объемной штамповки изделий из стали, алюминиевых и магниевых сплавов. Сплавы с бериллием в несколько раз увеличили долговечность пресс-форм и штампов.
Заинтересовались бериллием и музыканты. В этом чудо-металле звук «пробегает» за секунду более- 1200 м (в воздухе скорость звука, как известно, 330 м/с), что почти в 3 раза выше, чем в других металлах.

Такие соединения, как оксид и карбид бериллия, оказались основой для создания тепло-, звуко- и электроизоляционных материалов. Бумага из таких волокон не знает конкурентов по теплоизоляции и может применяться, например, для оплетки кабеля, работающего при высоких температурах. Такая бумага — лучший звукоизоляционный материал. Многие сотни лет непревзойденным звукоизоляционным материалом был лебяжий пух, а сегодня ему пришлось уступить свое первенство.

Следует ожидать, что сфера применения бериллия в последующие годы будет расширяться. Человечество использует бериллий пока с очень низким коэффициентом полезного действия. Причина этого — недостаточность сведений о его сплавах.

Данные о мировой добыче бериллия в технической литературе чрезвычайно противоречивы. Наиболее достоверными, по мнению авторов, являются следующие данные: мировая добыча в 1916 г. составляла 0,5 кг, а в 1956 г.— 20 000 т. Цена 1 кг бериллия составляет 300 р.

Металлы: