鈹材料(beryllium material)

鈹屬于輕稀有金屬，具有一系列優異的物理、化學和力學性能。但由于生產工藝復雜、加工困難、價格昂貴及有毒，目前主要在高技術領域得到應用，應用數量有限。美國是鈹及其有關材料的最大生產國和使用國，前蘇聯和中國也有一定的生產能力和技術水平。80年代美國每年消費的鈹總量約為200～300t，其中用于航空航天和國防上的鈹及鈹合金占30％，電氣設備(含氧化物)占29％，電子設備(含氧化物)占35％，其他占6％。

鈹合金由于鈹的原子半徑小，可選的合金元素在鈹中的溶解度低，故鈹基合金的研究開發受到限制。通常所謂的鈹合金實際上大多是含鈹合金，其中開發和應用較多的有鈹鋁合金、鈹銅合金(見鍍青銅)及鈹鎳合金(見鎳鈹合金)。此外，含鈹的材料還有鈹／鈦復合材料和氧化鈹。

鈹鈦復合材料美國的研究工作者在70年代對鈹／鈦復合材料進行了研究，這種材料利用了鈦合金(Ti-6Al-4V)的抗沖擊能力和鈹的高彈性模量、低密度及鈹絲的高強度，同時還利用兩者在450～750℃溫度范圍內都具有較高的延性這一特點，使用通常的金屬壓力加工工藝進行生產。以單支或多支鈹棒鑲入鈦合金基體材料中進行擠壓，得到鈹絲增強的復合材料，其力學性能的范圍是：比例極限137～275MPa，抗拉強度755～1160MPa，伸長率1％～3％，彈性模量123～247GPa。主要試用對象是飛機發動機。

氧化鈹氧化鈹雖不能納入鈹合金的范疇，但除作為金屬鈹及鈹銅的原料之外其制作陶瓷的價值應子重視。由于氧化鈹兼有電絕緣性和導熱性因而廣泛用于轉換電路及通信。氧化鈹構件已在航空電子技術轉換電路中以及衛星通信系統中大量用作托架部件和裝配件。氧化鈹陶瓷還具有耐熱沖擊性，故被用在噴氣發動機的導火管中。氧化鈹陶瓷另一應用領域為氣體和離子激光器，尤其是氬離子激光器。采用氧化鈹激光棒可以明顯減少熱損耗。

金屬鈹及鈹材的制備制備金屬鈹有兩種方法，氟化鈹鎂熱還原法和氯化鈹熔鹽電解法。鎂熱還原的鈹珠含鈹96．5％～97％，需經真空感應熔煉提純；而電解法得到的鱗片狀鈹的純度可達99％以上。粉末冶金工藝是制備鈹材的基本方法。自1947年開始應用以來，鈹的粉末冶金工藝不斷得到改進，采用了空氣分級、振動球磨、微合金化、沖擊研磨以及冷、熱等靜壓成形和粉末預處理技術，從而顯著地提高了鈹材的性能，形成了包括標準級、結構級、儀表級、光學級、熱工級等多種用途的產品系列。

粉末冶金方法制備的鈹材實際上是含有彌散氧化鈹質點的材料。公認氧化鈹含量低于1％對于獲得室溫下良好的塑性和高溫成形性是適宜的。氧化鈹的顆粒尺寸越小和彌散均勻地分布于晶界，則鈹材的塑性愈高，并且可以起到穩定晶粒尺寸和提高再結晶溫度的作用。研究表明：高純鈹材(Be≥99．95％)的室溫抗拉強度σ_b，屈服強度σ_y與平均晶粒尺寸D的-1/2次方成正比，符合Hali-Petch方程。儀表級鈹材由于具有特殊的細晶結構和高含氧量，提高了對永久變形的抗力。微屈服強度或精密彈性極限，即引起百萬分之一永久變形的應力值，是儀表級鈹材的主要考核指標，可達到55MPa以上。

鈹的粉末冶金熱壓錠，可以采用常規的壓力加工工藝加工成板材、管材、箔材和線材。熱加工時鈹錠外應加軟鋼包套，以防止坯料氧化、改善加工性能和防護條件。板材軋制前坯料在惰性氣體中加熱至790℃，然后于730℃下以10％～16％的道次壓下量進行軋制，軋制每道次之后坯料需重新加熱。鈹材的擠壓溫度應達到850～950℃，鍛造溫度為600～750℃。近年來，采用特殊的形變熱處理工藝，熔鑄的鈹錠可以通過鍛造加軋制得到90％的變形量，材料的延性圾沖擊韌性有明顯改善。鈹箔可以用軋制法及滇空蒸著工藝生產。

鈹的應用鈹以三種形態進入各應用領域，即(1)鈹合金。(2)金屬鈹。(3)氧化鈹等化合物。其消費比例大致為合金占65％，金屬鈹占25％，氧化物占5％～10％。金屬鈹的優良性能有：(1)低密度。(2)高模量。(3)極低的泊松比。(4)高比熱。(5)尺寸穩定性。(6)紅外反射性。(7)良好的熱導。(8)熱膨脹相容性。(9)輻照透過性。(10)良好的核性能。(11)機加工無特殊困難。由于鈹的這些性能以及其性能的組合，而使不同品種的鈹材制品在下述各個領域中得到成功的應用。

X線窗口X線窗口是鈹最早而且最成熟的應用領域。鈹能透過軟X射線及其他射線，如γ射線、電子束等，所以能用于許多不同的輻照及射線測量裝置中。厚度為0．25mm的鈹板(箔)多用于X光管窗口，而0．25mm以下的則用于正比計數器及閃爍計數器的封窗材料。另外可將鈹應用于電子計算機控制的軸向層析掃描裝置(CT)以及其他帶有加壓探測室的儀器之中。

核應用鈹具有優異的核性能，包括極低的熱中子吸收截面和極小的中子減速長度，作為良好的中子反射劑和減速劑，而應用于多種不同的反應堆及核裝置之中。如材料試驗反應堆，工程試驗反應堆，核潛艇動力反應堆，同位素生產反應堆等，此外還有微型反應堆，大型中子源以及作為原子彈中的中子反射體等。使用鈹及氧化鈹作為結構材料的各式反應堆已達數百座。這一類的應用還包括作為阿波羅登月飛船所用的能源裝置(同位素熱電機)的部件，核動力火箭發動機的部件等。據認為作為熱核聚變反應堆的等離子體約束環，鈹是具有潛力的候選材料，美國Brush鈹公司已為歐洲的這類反應堆研制了上述部件。

導航儀表50年代中期，美國研制成用鈹制造的慣性導航器件，有效地提高了導航精度，減輕了系統的重量。至今它已成為美國精密導航儀表的基本結構材料，這類儀表廣泛地使用于飛機、飛船、火箭、潛艇船只的導航裝置之中。這一領域是利用了鈹的重量輕，微屈服強度值高和良好的尺寸穩定性等特性。典型用例包括美國的民兵導彈、航天飛機導航裝置的部件和基座等。

光學系統由于鈹重量輕、彈性模量高，具有良好的熱性能和光反射性能，鈹用于制造輕量光學鏡體和光學系統的支架結構。如高速攝影機用的旋轉鈹鏡，空間掃描用的低頻擺動式鈹鏡。它們已裝備在各種資源衛星，氣象、天文及偵察衛星之中，這些鏡體的直徑有的小于25．4mm，有的大于1655mm(65英寸)。由于鈹對紅外光有極高的反射率，美國有大量的鈹用于制造可見和紅外光擺動掃描輻射器(VISSR)，晝夜均可提供掃描信息。鈹制鏡體是美國F111戰斗機上電光目標選擇器中的關鍵部件。鍍鎳的鈹鏡還用于坦克的火力控制系統。新研制的高純鈹無鍍層鈹鏡將用于空間探測器和信息選擇傳布裝置。未來的輕量激光光學系統(例如激光通信，高速傳真等)是鈹的重要應用領域，它可以做高速旋轉器，調制器和高速、強冷鏡體。

空間結構在空間結構中廣泛地采用了鈹，在這一領域中突出地利用鈹的高比剛度，以使結構的重量和體積得到優化，并使結構的自然頻率超過某一臨界值而避免共振。此外，在設計載人飛行器結構時，還利用鈹的良好熱學性能。鈹對輻照的良好透過性，對于武器系統的設計也是重要因素。典型的用例包括美國Agena飛船前置艙的蒙皮，民兵導彈的轉接段，戰術通信衛星的錐形組裝體，ATS6高技術衛星磁力計用桁標，RCA、Sat-com通信衛星的折疊式太陽能板的支架結構，美國航天飛機上使用了高延性鈹材制造擋風窗墊、定位器、臍門等。

吸熱部件鈹的比熱容高于其他幾種常用結構材料，它有高熱導率，相當高的熔點，在800℃還保持相當程度的耐氧化能力。鈹的熱學應用分為兩種：一種是以吸熱功能為主，例如飛行器的鼻錐、蓋板、散熱器等；另一種兼有高溫下的負載能力，主要是美國幾種飛機制動器中的剎車盤，如用于C5A軍用運輸機、F14戰斗機、S3A反潛機等。鈹的這種性能還應用于美國幾種中小型火箭推進室的設計之中。羅克維爾國際公司建造并試驗了22～4448N(5～10001bf)推力水平的鈹制推進室，曾在民兵導彈上使用過幾百個鈹制推進室，使用了1臺鈹發動機把水手號飛船推入了環繞火星的軌道，在海盜號軌道飛行器上使用了一種第三代鈹制發動機。

商業應用除核技術及空間領域的應用外，金屬鈹的應用已逐漸擴大到民用，如記憶盤、高速磁帶的傳動輪，高保真度的音響設備拾音器芯座，揚聲器的鼓膜等。

鈹毒及其防護鈹及其化合物的粉塵，煙霧能引起人體很多器官的急性或慢性中毒，因而鈹被列為各種工業毒害中最嚴重的。鈹的毒害主要產生于粉塵，煙霧的吸入和接觸。采取必要的預防措施可以減小及消除鈹的毒害。國內外采取的比較成熟的措施有：(1)選用濕法工藝，采用連續、管道化和自動裝置實行密閉作業。(2)廠房及實驗室完全密封、加強清洗、消除積塵。(3)嚴格對含鈹物料及污染設備的儲運管理。(4)加強環境監測。(5)工作人員定期體檢。中國現行衛生標準規定作業地點空氣中鈹的工作日平均濃度最高為1μg／m³，作業時間每天為6h。

開發應用展望根據到2000年的預測，整個90年代鈹消費的年增長率將達到8％～12％。在原子能領域，鈹可望在原子能結構和軍事方面的應用有所擴大；在航天領域則可望在大型飛機，特別是高機動性的軍用飛機，宇航飛船和慣性導航系統中增加應用。鑒于C5A大型軍用飛機應用鈹做制動器的成功經驗，民用飛機有可能很快采用，以減輕重量并提高制動性能。近年來新發表的有關鈹的試驗研究工作項目主要有：

工藝研究方面主要有：(1)金屬鈹、氧化鈹及制品的回收技術研究。(2)粉末等離子噴鍍，燒結法制取薄壁鈹件。(3)惰性氣體霧化法制鈹粉。(4)以鑄錠為坯料，通過特殊的壓力加工工藝包括室溫下等靜擠壓、編程的多向變形加工并不斷降低加工溫度以及各種熱機械加工制取低含氧量、等軸細晶鈹材的工藝研究，最近的熱機械加工研究結果表明可以得到伸長率為75％的鈹材。

含鈹新合金的研究主要有：(1)洛克希德公司正在研制一代Al-Ti-Be超低密度合金。(2)洛克希德公司開發采用快速冷凝法制取含鈹的鋁鋰合金。(3)核金屬公司研制出一種含62％Si的鈹一硅鑄造合金，熱膨脹系數極低，可做光學鏡體基體材料。(4)美國空軍的飛機制造研究所(WAL)提出了采用快速冷凝法制造Ti-Li-Be-Si合金，預定1992年用于戰斗機上。(5)重新考察評價鈹-鋯、鈹-鈮等金屬間化合物作為高溫材料的性能及可能用途。

鈹毒及其防護研究主要是尋找人體敏感性的鑒別方法，包括淋巴母胚細胞的轉化試驗的有效性研究，這一問題的解決將為從根本上杜絕慢性鈹病做出貢獻。