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冶金百科 | 铍冶金 - 需求和应用

2024-01-25 10:52:24 来源:中冶有色技术网
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简介:金属铍是一种战略金属,具有密度低、熔点高、刚度高、所有金属中最低的热中子吸收截面、热性能优异、对红外线反射率99%、X射线穿透性好等许多份异性能186.571,在很多应用领域使其成为唯一或首选的材料。高铍含量的合金复合材料、氧化物的性能也十分独特,是许多应用领域的首选材料;在一些含敏量很低的合金中,由于皱的添加,合金性能也得到显著改善,如铍铜和铍镍合金等,上述应用领域也往往带有明显的军事战略属性8891。
金属铍是一种战略金属,具有密度低、熔点高、刚度高、所有金属中最低的热中子吸收截面、热性能优异、对红外线反射率99%、X射线穿透性好等许多份异性能186.571,在很多应用领域使其成为唯一或首选的材料。高铍含量的合金复合材料、氧化物的性能也十分独特,是许多应用领域的首选材料;在一些含敏量很低的合金中,由于皱的添加,合金性能也得到显著改善,如铍铜和铍镍合金等,上述应用领域也往往带有明显的军事战略属性8891。

因此,从国家安全保障经济发展的角度考虑,铍不可或缺,开发与完善镀冶金产品是一个国家发展国防尖端技术和战略性新兴产业重要一环,也是国家战略资源利用和储备的重要研究对象。

金属铍的战略储备与需求

对于世界各强国、大国来说,铍是一种“战略性、关键性的材料,对战争具有转折性意义的基础战略物资”,在关系到国家安全和战争胜负的核武器或军工产品的生产上铍具有垄断性。

目前世界上只有美国、前苏联和中国具有工业规模地从铍矿石开采、提取冶金到铍金属及合金加工的完整铍工业体系。巴西和印度等铍资源丰富国家是主要的铍精矿供应国。

在美国和前苏联金属铍的管理直属于国防部,对金属铍产业的发展均推行特殊政策,作为国家产业予以维护、支持和巨额投入。美国政府十分重视金属铍的供给问题。冷战时期,美国政府长期在国防物资储备库对铍进行战略储备,1980年美国国防物资储备库拥有17167t 铍铜母合金和363t金属铍,1994年储备了2940t的铍。目前美国仍保留45t热压铍的最低储备目标。

我国金属铍的管理一开始是分类到有色行政管理部门管理,为国防高技术装备配套服务。1998年包括金属铍研究在内的全国242家科研院所转制改革,按企业经营模式运行。在铍的国防储备方面,我国缺乏系统性的规划。

金属铍的战略应用

领一直是核能进步的先驱材料,具有“核时代金属”的美称,直接关系着一个国家的战略核能源发展进程,这种地位在目前和可预见的未来都不会改变。锁相对于其他核材料,如Zr、石墨、重水等的优点在于:(1)金属镀具有所有金属中最小的热中子吸收截面,能有效地使中子返回堆芯。因此,在需要考虑体积和质量的反应堆中,金属铍是首选的反射层材料。铍密度低,也使它成为空间反应堆的首选材料。(2)皱作为核反应堆的减速剂,不会像重水那样在100℃下求发。(3)铍优良的热性能和机械性能,使从反应堆中稳态移出热的设计变得容易。(4)被原子序数低,对堆芯造成的污染小。

镀作为减速材料、反射材料和燃料包壳材料、增殖材料的核应用始于第二次世界大战期间,并在20世纪50年代末期得到了较大的发展。此外,铍被大量应收优

用于核弹头的反射层和引爆器,在舰载、潜水艇、宇宙飞船、飞机能源系统用轻质、小型反应堆和空间反应堆也广泛使用。

国际热核聚变实验反应堆项目是目前全球规模最大影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是验证和平利用聚变能的科学性和技术可行性,实现聚变能源的商业化应用,解决未来能源和环境问题。它的最关键核心部件是由铍板、铜板、不锈钢板构成的屏蔽模块,也称第一壁板。皱是第一壁板中直接面对等离子体的材料。ITER项目一旦完成,将彻底解决人类对清洁能源的需求。

铍制惯性器件主要有以下优点:(1)金属铍优异的尺寸稳定性减小了零件的变形,大幅度提高惯性仪表的精度;(2)铍质量轻,在同样旋转的速度下,受的惯性力小,材料变形小,加上铍刚度高,可以将零件做的更小更薄;(3)铍的比热容高和热导率好,可减少因零件发热带来的热梯度和不均匀膨胀造成的内应力,材料变形小,精度提高;(4)铍无磁,可免受其他磁性材料的干扰;(5)铍的辐照稳定性好,可以减少在核爆炸时被辐照破坏的可能;(6)大多数惯性系统由不同的结构材料组成并在高温下运行,材料之间热性能和热匹配是惯性器件运行稳定的关键,铍与其他结构主材钢、钛合金的热膨胀系数相当,热匹配性好,达到热平衡的时间短,产生的应力小;(7)质轻,可提高运行系统的整体性能。

应用铍材作为结构主材的三浮(液浮、磁悬浮、动压气浮)陀螺仪和陀螺加速度计的机械式惯性仪表仍旧代表当今及未来惯性技术发展的最高水平,并在陆、海基洲际核战略导弹武器系统及核潜艇等的制导和导航应用上不可替代。

在美国,金属铍还被广泛应用于核潜艇的导航系统中。铍的应用彻底改变了核潜艇惯性导航的精度。如北极星导弹核潜艇用的MKimode液浮陀螺改用铍材后,不但精度提高了10倍,而且重量减轻了75%,废品率也降到了3%。自20 世纪50年代末美国实现陀螺仪用材从铝向铍的转变之后,核潜艇导航用的惯性导航器件一直采用皱材制作,无论陀螺仪的种类如何变化,用皱是不变的原则。经抛光的铍表面对紫外线的反射率是55%,对红外线(10.6μm)反射率99%,特别适合于做光学镜体材料,尤其在红外光学系统。除对材料的光景性能要求外,轻质光学系统还要求镜体及其支撑材料具有密度低、刚度高、热毒定性和尺寸稳定性好等特性。特别是在太空环境中,对于动态(振荡或旋转系统中的工作镜体,镀是最佳材料。另外,镀也适宜做镜体的支撑材料,因为刚度高、质轻,可以将部件做得更小更轻,而铍尺寸稳定性高也保证了镜体的良寸稳定性和使用寿命,铍做镜体的支撑材料比做镜体更具竞争力。近几年,镀在精密光学系统应用明显增加,多数应用于航空航天领域,但也有相当数量应用于陆地。

在军事领域,铍镜最初的应用是夜视系统和红外照相机,现在各种导弹的红外光学系统、雷达的红外传感器、卫星(预警、通信、侦察等)红外传感器和光学系统、无人驾驶的飞行器的光学系统、核爆探测器、国家导弹防御计划中的地基拦截导弹系统中红外传感器和光学系统一般均采用铍镜和铍支撑结构件。

铍价格比较高,在地面应用铍结构件不占优势,但在航空航天领域,铍制作的部件小而轻,这主要是因为它密度低、刚度高,可大幅降低发射成本。

铍合金的战略应用

铍铜合金是一种综合性能优良的有色合金弹性材料,具有高强度、高硬度、高导电性、高导热性、耐疲劳、耐腐蚀、弹性滞后小、无磁性、冲击时不产生火花等优良性能,在所有铜合金中综合性能最好116-1181。

铝合金综合性能次于铍。铍铝合金相对于铝合金、钛合金、镁合金和一些传统的复合材料更轻、刚度和热稳定性更好,因此在航空航天领域具有很强的竞争力,极有可能成为下一代航空航天新的结构材料。

氧化铍陶瓷具有高的耐火度、高的热导率、良好的核性能以及优良的电性能,因而可以应用于高级耐火材料、原子能反应堆和高热导率材料,作为高热导率材料应用主要集中在各种大功率电子器件和集成电路等。目前,在电子器件上工业发达国家普遍应用氧化铍含量为99.5%的陶瓷产品,中国较多应用氧化铍含量为99.0%的陶瓷产品。

氧化铍陶瓷除了具有高的耐火度、良好的热稳定性以及独特的高热导率外,还具有良好的核性能,常用做反应堆的减速剂、反射层和核燃料的弥散剂。

铍镍合金(包括铍镍钛合金)是一种耐高温的超高弹性导电合金,是已知合金中弹性最好的一种。铍镍合金具有优异的导电性、优异的成型性、良好的高温力学性能和抗疲劳、耐腐蚀、耐磨与抗应力弛豫。与铍青铜相比,铍镍合金的工作温度可提高250~300℃,是制作高级弹性元件最好的材料,可用于性能要求比铍铜更为严格的场合。
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