7. Свойства и применения керамики из оксида бериллия. Охрана труда

Технические свойства изделий из оксида бериллия могут существенно зависеть от технологических методов производства. Твердость хорошо спеченного BeO по шкале Мооса — 9, микротвердость — 15,2 ГПа. Механические свойства ВеО зависят от плотности, характера кристаллизации и наличия примесей, образующих инородную фазу. В зависимости от метода изготовления, плотность изделий может составлять 0,9-0,99 от теоретической.

Механическая прочность плотных изделия из ВеО весьма высока. Предел прочности при сжатии образцов с плотностью 2,9 г/см³ составляет по 1500, при растяжении 130, при изгибе 200-300 МПа. С повышением температуры механическая прочность монотонно снижается.

Одно из отличительных свойств керамики из оксида бериллия — медленное падение его механической прочности с повышением температуры образца. При 1500 ºC прочность на сжатие BeO составляет 120 МПа, что > прочности корунда, ZrO₂, шпинели. При нормальной температуре прочность указанных видов керамики превышают прочность ВеО в 2,5—3,0 раза.

Модуль упругости изделий из поликристаллического оксида бериллия с повышением плотности изделий возрастает.

Керамика из BeO имеет довольно высокую скорость ползучести. Скорость ползучести ε при различной температуре и напряжения (σ) можно определить из уравнения:

lg ε = Т— 12540/Т+2,5 lg σ.

Теплофизические свойства.Теплоемкость спеченного BeO значительно возрастает с повышением температуры. Истинная молярная теплоемкость может быть вычислена по формуле, предложенной Келли:

С_р = 8,45 + 4,1^-3 Т— 3,17·10⁵ Т^-2.

Теплопроводность спеченного оксида бериллия при низких температурах превосходит теплопроводность других оксидных и керамических материалов в 7—10 раз. А также теплопроводность бериллиевой керамики при нормальной температуре больше теплопроводности стали, молибдена, свинца и др.

Нортон и Кингери предложили уравнение, по которому может быть подсчитана теплопроводность BeO в интервале температур 800—1800°С:

λ = (58,2/R) + 3·10^-29 T⁸, где Т — абсолютная температура, К.

ТКЛР монокристаллов BeO вследствие их анизотропности различен по главным осям и составляет при нормальной температуре по оси а 5,3·10^-6 °С^-1 и по оси с 5,1·10^-6 °С^-1.

С повышением температуры ТКЛР BeO возрастает. При 2150С наблюдается аномальное изменение ТКЛР из-за полиморфного превращения гексагональной фазы в кубическую.

Термическая устойчивость BeO значительно выше, чем у всех оксидных материалов, и выше, чем у многих других керамических материалов. Изделия из BeO хорошо выдерживают воздушные теплосмены при охлаждении с 1500—1700°С холодным воздухом, а также выдерживают несколько теплосмен и в более жестких условиях водяного охлаждения.

Электрофизические свойства

Чистый BeO — хороший диэлектрик вплоть до самых высоких температур. Диэлектрическая постоянная ε=6,5; ТКε=7·10^-4 °С^-1. Тангенс угла диэлектрических потерь составляет 4—5·10^-4 при частоте 900 кГц. Удельное объемное сопротивление BeO зависит от плотности, степени кристаллизации и наличия примесей, как и все электрофизические свойства.

Радиационная устойчивость.

BeO в больше, чем какой-либо керамический материал, обладает способностью рассеивать нейтроны, поперечное сечение рассеяния составляет 0,68 барн. Именно эта способность и определила применение оксида бериллия в атомных реакторах в качестве замедлителей нейтронов. Под воздействием радиоактивного излучения вследствие смещения ионов и возникновения дефектов в кристаллической решетке происходит изменение некоторых физических, механических и теплофизических свойств BeO.

Применение. Высокая стоимость и токсичность оксида бериллия ограничивает области применения бромеллитовой керамики лишь ядерной, электронной и высокотемпературной техникой, где требуется самая высокая теплопроводность, высокие электрическое сопротивления, термостойкость и механические свойства, а также исключительная способность рассеивать радиоактивное излучение высоких энергий.

Спеченный оксид бериллия используют в качестве конструкционных элементов в обычных и высокотемпературных ядерных реакторах, в частности как замедлителя и отражателя. Оксид бериллия — хороший матричный материал для ядерного горючего. Тигли из BeO, благодаря его химической инертности, находят применение в металлургии редких металлов для плавки металлических бериллия, платины, тория, титана, урана и др., при этом допускается нагрев в вакуумных индукционных печах. Хорошие диэлектрические свойства BeO и вакуумная плотность определили его применение в электронной технике.

Разработана технология прозрачной керамики из BeO со светопропусканием до 80%. Изделия получали из порошков прокаленного сульфата бериллия с малыми добавками методом горячего прессования при 1400°С и давлении 200 МПа. Из BeO изготовляют керамику с пористостью до 82% (пенолегковес).

Влияние на организм. Одной из особенностей BeO, ограничивающей возможность применения этого материала и сильно усложняющей технологию производства изделий, является токсичность. Наиболее токсичны растворимые соли бериллия (сульфат, фторид и др.), а также собственно оксид, особенно необожженный. Бериллиевые соединения поражают кожу, дыхательные пути, вызывая пневмонию, раздражают желудочно-кишечный тракт и нервную систему. Предельно допустимая концентрация бериллия в воздухе рабочих помещений в виде тех или иных соединений, утвержденная Министерством здравоохранения, не должна превышать 0,001 мг/м³. Для обеспечения безопасности при работе с оксидом бериллия следует строго выполнять ряд особых мероприятий по технике безопасности, не допускающих заражения BeO.