5.7 Бериллий

Бериллий - металл серого цвета, обла­дающий полиморфизмом. Низкотемпе­ратурная модификация бериллия, существую­щая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периода­ми а = 0,2286 нм; с — 0,3584 нм; высоко­температурная Ве_в (1250-1284 °С) - ре­шетку объемно-центрированного куба.

Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопровод­ностью и электропроводимостью, демп­фирующей способностью и другими ценными свойствами.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двой­ной силикат бериллия и алюминия (ЗВеО • А1₂О_э • 6SiО₂). Содержание в зем­ной коре бериллия небольшое - 0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлече­ния из руд, получения из него полуфа­брикатов и изделий определяют высо­кую стоимость бериллия.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки, по­лученные вакуумной переплавкой, либо обрабатывают давлением для получе­ния полуфабрикатов, либо перерабаты­вают в порошок, из которого полуфа­брикаты и изделия изготовляют мето­дом порошковой металлургии. Об­работке давлением подвергают лишь малые слитки (диаметр < 200 мм), так как в слитках большого размера из-за высо­кого поверхностного натяжения обра­зуются две усадочные раковины, соеди­ненные трещиной.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше 700 °С бериллий «схватывается» с инструментом. Поэтому его прокатывают в стальной оболоч­ке, которую затем стравливают.

Механические свойства бериллия за­висят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Горячекатаный полуфабри­кат, полученный из слитка, обладает низкими свойствами. По относи­тельному удлинению вдоль прокатки он близок к литому состоянию, в попереч­ном направлении имеет близкую к нулю пластичность.

Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты). Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые пружинят при красном калении.

Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу).

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. Оксид бериллия является наиболее теплопроводным из всех оксидов и служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором, и огнеупорным материалом (тигли), а кроме того наряду с металлическим бериллием служит в атомной технике как более эффективный замедлитель и отражатель нейтронов чем чистый бериллий, кроме того оксид бериллия в смеси с окисью урана применяется в качестве очень эффективного ядерного топлива. Фторид бериллия в сплаве с фторидом лития применяется в качестве теплоносителя и растворителя солей урана, плутония, тория в высокотемпературных жидкосолевых атомных реакторах. Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла -(BeF₂-60 %,PuF₄-4 %,AlF₃-10 %, MgF₂-10 %, CaF₂-16 %). Этот состав наглядно показывает один из примеров применения соединений плутония в качестве конструкционного материала (частичное).

В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).

В производстве деталей для аэрокосмической техники, тепловых экранов и систем наведения с бериллием не может конкурировать практически ни один конструкционный материал. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. Налажено производство бериллидов, применяемых как конструкционные материалы для двигателей и обшивки ракет и самолетов, а так же в атомной технике.

Тесты для самоконтроля

1. Все металлы могут быть разделены на две большие группы:

А) белые и цветные

Б) черные и цветные

В) черные и белые

2. Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают

А) круглые и плоские слитки

Б) круглые и выпуклые слитки

В) прямоугольные и плоские слитки

3. На первой стадии старения возникают зоны

А) Фурье

Б) Джоуля - Ленца

В) Гинье – Престона

4. Сплавы системы Al—Mg—Si относятся к

А) термически не упрочняемым сплавам

Б) изотермически упрочняемым сплавам

В) термически упрочняемым сплавам

5. Механические свойства меди относительно

А) низки

Б) высоки

6. Свинец

А) растворяется в меди

Б) не растворяется в меди

7. Образование мартенсита в титановых сплавах по сравнению с закалкой углеродистой стали сопровождается сравнительно … ростом прочностных свойств

А) невысоким

Б) высоким

8. Механические свойства бериллия не за­висят от

А) степени частоты

Б) цвета

В) наличия структуры

9. При сплавлении меди с оловом образуются

А) жидкие растворы

Б) твердые растворы

10. Различают две группы медных сплавов:

А) латуни и бронзы

Б) латуни и титана

В) бронзы и титана

БЛОК 6. ПОЛИМЕРНЫЕ ВЕЩЕСТВА

6.1 Общие свойства полимерных веществ

Полимерные материалы относятся к высокомолекулярным соединениям, молекулы которых содержат многие тысячи и даже сотни тысяч атомов. Они построены из большого числа одинаковых звеньев – мономеров.

Все полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры содержат в главной цепи и радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, серы, азота и галогенов. К злементоорганическим полимерам относятся соединения, содержащие углерод и элементы, не входящие в состав органических веществ: кремний, алюминий, титан, олово и др. Неорганические полимеры не содержат атомов углерода. В их цепях атомы связаны сильными химическими связями, а между цепями действуют межмолекулярные слабые связи.

По происхождению полимеры делятся на природные, синтетические и искусственные. К первым относятся такие вещества как крахмал, натуральный каучук, шеллак, целлюлоза и др. Синтетические полимеры создаются на основе веществ с более простым молекулярным строением. Искусственные полимеры получают путем специальной обработки природных высокомолекулярных соединений.

В настоящее время особенно широка номенклатура синтетических полимеров. Получают их с помощью двух химических реакций: реакции полимеризации и реакции поликонденсации. Они могут быть термопластичными и термореактивными.

При реакции полимеризации из мономеров путем разрыва двойной связи между атомами углерода образуются линейные макромолекулы полимера, поэтому и полимеры также называются линейными. Между линейными макромолекулами связь весьма слабая, поэтому линейные полимеры гибки и эластичны. При повышении температуры они размягчаются и расплавляются. В практике их называют термопластичными. Линейные полимеры в большинстве случаев могут растворяться в подходящих по составу растворителях. Строение линейных полимеров аморфное и (или) кристаллическое.

В зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в трех состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и текучем.

В стеклообразном состоянии полимеры тверды и хрупки. При нагревании линейный полимер переходит из стеклобразного состояния в высокоэластичное. Температура перехода называется температурой стеклования Т_ст. В высокоэластичном состоянии полимер обладает весьма большой упругой деформацией. При дальнейшем нагревании материал переходит в текучее состояние. Это происходит когда температура нагрева достигнет уровня температуры текучести Т_тек. В состоянии текучести полимер под нагрузкой проявляет необратимую пластическую деформацию. При охлаждении линейный полимер проходит эти стадии в обратном порядке. Эти превращения объясняются изменением структуры полимера и используются при технологичной обработке этих материалов.

Термореактивные полимеры получают путем реакции поликонденсации, суть которой заключается в том, что совместно полимеризуются мономеры различного строения. Происходит перегруппировка атомов, соединяющихся в цепочки за счет образования низкомокулярных веществ, таких как вода или водород. Молекулы этих полимеров развиты в пространстве в различных направлениях. Материалы, имеющие такое строение, называются пространственными полимерами. Разветвленное строение и пространственные химические связи обусловливают то, что по сравнению с линейными полимерами пространственные являются более плотными материалами. При нагревании они не размягчаются и не плавятся, а сгорают и обугливаются, поэтому их и называют термореактивными полимерами. Они практически не растворимы. Поликонденсацией получают феноло-формальдегидные, карбамидные, фурановые, эпоксидные и другие полимеры. Некоторые термопластичные линейные полимеры путем специальной технологической обработки можно перевести в термореактивные, путем создания у них между линейными молекулами поперечных связей - "сшивок", такие полимеры называют сшитыми.