Применение бериллия и его сплавов

До недавнего времени бериллий применяли для легирования сплавов на основе никеля, алюминия, в меньшей степени железа. Широко бериллий начали использовать при производстве бсрил-лиевой бронзы, которая находит применение не только в авиацион­ной и ракетно-космической технике.

Из чистого бериллия изготовляют окна рентгеновских трубок, так как бериллий слабо поглощает рентгеновские лучи, а также де­тали некоторых приборов.

Ядерная техника. Применение бериллия н технике обеспечи­ли, прежде всего, его ядерные свойства. С 1960 года бериллий ста­новится конструкционным материалом.

Потребности ядерной техники привели к росту производства бериллия. По своим ядерным свойствам бериллий является пер­спективным материалом для изготовления замедлителей и отража­телей нейтронов в атомных реакторах. Замедлители должны эффек­тивно уменьшать скорость нейтронов и в то же время не поглощать их, так как в противном случае может прекратиться цепная реак­ция. Всем этим требованиям удовлетворяет бериллий.

Быстрые нейтроны хорошо замедляются веществами с не­большой атомной массой. Однако водород, литий и бор сильно по­глощают нейтроны, претерпевая ядерные превращения. Бериллий же при небольшой атомной массе почти не захватывает нейтроны, I просто замедляет скорость их движения.

В реакторах без отражателя плотность нейтронов у краев активной зоны падает до нуля. Отражатели способствуют более рав­номерному распределению нейтронов и тем самым уменьшают Критическую массу реактора и увеличивают его мощность. Берил­лий - лучший материал для изготовления отражателей.

Бериллий испускает нейтроны при облучении его α-частицами, поэтому его используют в источниках нейтронов. Ис­точники получают прессованием и.спеканием смеси порошков чис­тых радиоактивных металлов, или их соединений с бериллием. Ис­точники нейтронов широко используются для пуска реакторов, а также экспериментальной технике.

Авиационные двигатели. Одна из специфических проблем двигателестроения связана с колебаниями, которые возбуждаются при работе двигателя. Частота этих колебаний пропорциональна величине Е/γ, которая называется частотным параметром.

У бериллия частотный параметр в 2,5 раза лучше, чем у тита­на, алюминия или стали. Замена этих материалов бериллием позво­лила бы решить проблему резонанса. При сохранении частоты соб­ственных колебаний на том же уровне можно резко уменьшить массу, сечение и хорду лопаток из бериллия. Благодаря этому, а также высокой удельной прочности, можно изменить конфигура­цию деталей компрессора и всего двигателя. Например, повышая концевую скорость вследствие благоприятного значения √Е∕γ и увеличения допустимых значений напряжений в корневом сечении лопатки, можно значительно увеличить π_к. Благодаря этому, двух­ступенчатый компрессор заменяют одноступенчатым с теми же ха­рактеристиками.

Снижение массы лопаток ведет к снижению массы диска,, подшипников и корпуса.

Основная проблема применения хрупкого бериллия для изго­товления лопаток связана с его сопротивлением ударным нагрузкам и пока что использование бериллия в авиадвигателях не вышло за рамки опытных исследований.

Конструкция самолетов. Для уменьшения аэродинамического сопротивления крыло и другие элементы конструкции должны иметь минимально возможную толщину. При этом на первое место выступает жесткость конструкции.

Высокие скорости приводят к повышению температуры, при которой работает конструкция. Модуль упругости с ростом темпе­ратуры уменьшается. Другая проблема жесткости сверхзвуковых самолетов связана с их вибрациями, возникающими при опреде­ленных режимах работы двигателя. Благодаря высокой удельной жесткости, применение бериллия в этих условиях наиболее рацио­нально.

Реально пока что бериллий широко используется в конструк­циях авиационных тормозов. Это обусловлено его высокой тепло­емкостью, значительной теплопроводностью и малой плотностью. Коэффициент температуропроводности у бериллия высокий: a= l ∕Cγ, где l - коэффициент теплопроводности, С - удельная теп­лоемкость, γ- плотность материала.

Кроме того, у бериллия высокие износостойкость и размерная стабильность, сопротивление термическому растрескиванию. Бла­годаря высоким теплоемкости и теплопроводности, температура нагрева бериллиевых дисков значительно ниже, чем стальных, ко­торые к тому же имеют малый срок службы.

К числу положительных эффектов применения бериллия и авиационных тормозах относят: снижение их массы, увеличение срока службы гидросистем и шин благодаря лучшему охлаждению, увеличение срока службы фрикционных материалов, более плав­ную работу тормозов.

Преимущество бериллия перед другими материалами не только в снижении массы самих тормозов, но и косвенных послед­ствиях, обусловленных выигрышем в массе. Облегчение тормозов позволяет снизить массу колес и, следовательно, их инерцию. Это, и свою очередь, снижает изгибающий момент в стойках крепления, и также массу привода приземления к конструкции крепления крыла, что способствует уменьшению износа колес, увеличению срока их службы.

В многодисковой тормозной системе бериллий используют и качестве прокладок между стальными дисками; стальные диски при этом служат для передачи тормозного момента, а бериллиевые сег­менты выполняют роль теплопоглощающих элементов.

На самолетах "F-4" использование бериллия в тормозах обеспечило общую экономию около 350 кг.

Применение бериллия в гироскопах явилось одной из первых попыток использования его за пределами атомной техники. Вначале инерциальные системы навигации с бериллием находили лишь военное применение. В настоящее время они используются и в гражданской авиации. В 90% выпускаемых гироскопов высшего класса бериллий идет на изготовление тех или иных деталей.

Приборы инерциальной навигации являются наиболее точны-I ми из существующих механических инструментов. С их помощью определяют систему координат, в которой проводятся измерения и 1 расчеты, поэтому конструкция гироскопа должна быть предельно жесткой и размерностабильной.

Бериллий обладает необходимым сочетанием свойств, удовле­творяющих требованиям, предъявляемым к материалам гироскопов. Это низкая плотность, высокий модуль упругости, размерная стабильность, а также совпадение коэффициентов термического расширения бериллия и стали, которая используется для изготовления Р подшипников.

Вследствие высокой стоимости изготовления гироскопов цена I используемых материалов имеет второстепенное значение.

Конструкция ракет. Для увеличения радиуса действия или I полезной нагрузки ракет необходимо увеличить мощность силовой установки или уменьшить массу балластных конструкций.

Наиболее простой путь решения указанной задачи заключает-I ся в использовании более легких, жестких и прочных материалов, в I частности бериллия, тем более, что в реальных конструкциях ракет и условиях сжатия работает до 3/4 всех деталей.

Бериллий является перспективным материалом для ракетных I двигателей малой тяги (до 4500 Н). Здесь он нашел применение для изготовления камер сгорания, сопел и других деталей. В этих при­ложениях важна низкая плотность, высокая прочность, высокие теплопроводность и теплоемкость. Благодаря сочетанию высоких теплоемкости и теплопроводности бериллиевое сопло не разрушается при рабочей температуре около 3000°С в течение 60-80с.

Кроме проблемы аэродинамического нагрева космического аппарата при запуске и пуске с орбиты необходимо обеспечить тепловое регулирование космического летательного аппарата (КЛА) в процессе космического полета. В космическом простран­стве возникают дополнительные источники нагрева помимо тепло­выделения внутри корабля - это излучение солнца, а также длинно­волновое земное излучение.

Тепловое излучение КЛА осуществляется за счет подбора не­обходимою соотношения поглощательной и излучательной спо­собности материалов, используемых для изготовления радиаторов. Соответствующим образом обработанный бериллий способен по­глощать или излучать в пространство в несколько раз больше те! чем другой материал, при равной массе. Поэтому бериллий является незаменимым материалом для изготовления космических радиаторов, поддерживающих оптимальный тепловой баланс как внутри так и снаружи КЛА