一、鈹的性質
鈹的元素符號為“Be”,原子序數4,原子量9.02。致密狀的金屬鈹外觀呈銀灰色。金屬鈹的理論密度1.842g/cm3,僅次于鎂(1.738g/cm3),是鋁的2/3,鈦的2/5,鐵的1/4。鈹的熔點為1,289℃,是所有輕金屬中最高的,是常用輕金屬鋁、鎂的近1倍。金屬鈹的彈性模量高達3.03×105MPa,約是鋁的4倍,鈦的2.5倍,鋼的1.5倍,鈹的剛度大是鈹具有良好尺寸穩定性最主要的原因。鈹材不但具有很高的彈性模量,而且還具有較高的屈服強度和抗拉強度。表2-3中列出金屬鈹室溫下典型力學性能。鈹的強度不是金屬中最大的,但因密度小,故比強度高,約是鋁合金的1.7倍,鎂合金的2.1倍,鈦合金的1.1倍,鋼的1.5倍,在幾種主要的金屬結構材料中較為突出。鈹的主要同位素有6Be,7Be,8Be,9Be和10Be,次要的同位素有11Be,12Be和14Be,自然鈹包括100%的9Be同位素,9Be原子核由4個質子和5個中子組成。鈹中子在核中的結合能小(1.666MeV),相當于大多數穩定原子能量的1/5~1/6,在能量粒子(中子、質子、γ射線)的轟擊下,很容易釋放出中子,因而可以用鈹來做中子源以及中子增殖劑。此外,鈹還具有所有金屬中最小的熱中子吸收截面(0.009b)和最大的熱中子散射截面(6.1b)。同時,鈹核重量小,降低中子速度而不損失能量,因此,鈹是很好的中子反射材料。鈹室溫比熱為1.926kJ/(kg?K),是所有金屬中比熱最大的,并且鈹的比熱隨溫度的升高還顯著增加,這一優異特性一直保持到鈹的熔點,鈹的吸熱能力相當于鋁的2.5倍,鈦的4倍。在吸收相同熱量的情況下,別的金屬往往已經熔化,而鈹仍能保持良好的工作狀態。鈹的熱導率為216W/(m?K),與重量相同的其它金屬相比,導熱性最好。高的比熱容和良好的熱傳導可以降低零件發熱所帶來的熱梯度影響和不均勻膨脹所造成的內應力,因此在環境溫度變化時鈹材內部產生的熱應力比其它金屬小。優良熱性能也是鈹具有良好尺寸穩定性的原因之一。經拋光的鈹表面對紫外線的反射率是55%,對紅外線(10.6μm)的反射率是99%,特別適合于做光學鏡體材料。同時,鈹兼具密度小、強度高、尺寸穩定性好和良好的熱性能等優異性質。因此,在要求輕質高強、能適應晝夜幾百度的溫差以及要長期穩定運行的太空領域,鈹成為首選的鏡體以及鏡體的支撐材料。鈹對X射線幾乎是完全穿透的(是相同厚度鋁的17倍),被稱為“金屬玻璃”,因而鈹是X射線窗口的理想材料。
二、鈹的主要用途
金屬鈹價格昂貴,大多只應用于性能超過價格因素的國防和航空航天領域,以及其它材料性能無法滿足要求的商業領域。金屬鈹的應用大致分七個方面,即核反應堆、慣性導航、光學系統、結構材料、熱學、高能物理學和典型商業應用。鈹在艦載、潛水艇、宇宙飛船、飛機能源系統用輕質、小型反應堆和空間反應堆也得到了廣泛的應用。
三、鈹的資源
中國鈹礦儲量豐富,據國土資源部儲量司2002年7月編制的全國礦產資源儲量匯總表《全國礦產資源儲量通報》的統計數據,截至2001年底,已探明鈹的礦產資源全國套改后氧化鈹的資源儲量為28萬噸。其中,基礎儲量1.92萬噸,占6.8%;資源量26.35萬噸,占93.2%。但工業儲量只有2.1萬噸,只占已探明儲量的7.5%左右。
中國鈹礦主要類型為花崗偉晶巖型,熱液脈型和花崗巖(包括堿性花崗巖)型?;◢弬ゾr型是最主要鈹礦類型,約占國內總儲量的一半,主要產于新疆、四川、云南等地。熱液石英脈型鈹礦具有規模中等、品位較富、礦物結晶較粗等特點,也是目前開發利用的類型之一,礦床主要分布在中南及華東地區。花崗巖型鈹礦多見于地槽褶皺帶。含鈹花崗巖分為酸性巖和堿性巖兩種,巖體規模較小,呈巖株、巖舌、巖蓋狀出現,礦體位于巖體頂部或邊緣。此外,還有含鈹條紋巖型(湖南香花嶺)、云英巖型(廣東萬峰山)、火山熱液脈型(福建福里石)、淺粒巖型(湖北廣水)等。除云英巖鈹礦早有開采利用外,其它類型至今尚未得到有效的開發利用。在上述鈹礦類型中,花崗偉晶巖型鈹礦在中國最具發掘潛力,在新疆阿勒泰和西昆侖兩個稀有金屬成礦帶,已劃分出成礦遠景區數萬平方公里,偉晶巖脈近10萬條。此外,在川西、滇西、東秦嶺等地區也有一定的找鈹遠景。
四、鈹的提取與制備
金屬純鈹的生產工藝主要有兩種,一種是氟化鈹鎂熱還原法,制取的金屬鈹為珠狀,純度一般在97%左右。另一種是電解氟化鈹或氯化鈹,制取的金屬鈹為鱗片狀,純度可達99%以上。工業規模生產金屬鈹主要采用氟化鈹鎂熱還原法工藝,哈薩克斯坦、中國、印度都是如此,美國是兩種方法都采用。
鈹粉性能是決定鈹產品最終性能的關鍵因素。幾十年來,金屬鈹粉的制備技術得到了不斷的發展,共經歷了四代,即從圓盤磨法、球磨法、氣流沖擊法、到霧化制粉技術。目前各國工業上仍采用氣流沖擊法,僅美國Materion公司掌握了第四代鈹霧化粉的規模化生產技術。
鈹的固結成型主要有冷等靜壓-燒結(CIP-S)、真空熱壓(VHP)、冷等靜壓-熱等靜壓(CIP-HIP)、直接熱等靜壓(HIP)、粉末鍛壓、電火花燒結等方法。這些方法都可以達到鈹的近理論密度,但產品性能有所差異。真空熱壓和熱等靜壓法最為常用。
五、鈹的深加工及其應用
由于鈹的室溫脆性,通常鈹的壓力加工是在540℃~815℃的溫度下采用低速變形加工,且鈹有毒和易損傷模具,加工時一般將鈹包覆起來。鈹的壓力加工原料一般為真空熱壓鈹錠,對真空鑄錠進行壓力加工的技術目前僅Materion公司掌握。鈹壓力加工產品有棒、管、箔、絲、鍛件和各種型材。
鈹是金屬材料中焊接難度較大的材料之一。國外花了很長時間才解決了鈹的焊接難題,原因是無論采用何種焊接方法,焊接工藝的可重復性較差,致使很難確定出相應的鈹焊接工藝標準。
鈹在室溫下會與氧反應形成致密的氧化膜,焊前必須采用化學法酸洗,酸洗液:10%氫氟酸溶液或40%硝酸溶液加5%氫氟酸溶液。酸洗后用丙酮及去離子水進行超聲波清洗。
鈹的焊接主要有釬焊、熔焊和擴散焊接等方法。采用不同焊接方法可實現鈹與鈹、鈹與異種金屬的連接。
六、主要鈹企業
西北稀有金屬材料研究院