Металл космического века реферат

Обновлено: 30.06.2024

Мочалова Анастасия Сергеевна 1 , Ротанова Валерия Александровна 1 , Ребяков Никита Сергеевич 1
1 ФГБОУ ВО Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина (Мининский университет), студент

Аннотация
В данной статье авторы рассматривают разнообразие материалов для создания космических объектов. Представлены перспективные композиты, которые помогут в будущем создать износостойкую технику будущего для новых космических открытий. Люди научились пользоваться лучшими свойствами материалов – это один из показателей технического прогресса.

Металлы – это главные конструкционные материалы, используемые создания ракетно-космических машин. Итак, самые пригодные для космоса это (см. схему №1):

Алюминий считается любимцем авиаконструкторов, но для улучшения свойств из него приходится делать сплавы.
Железо – неотъемлемый металл любых инженерных сооружений. Железо в виде различных высокопрочных нержавеющих сталей стоит на втором месте среди материалов, применяемых для постройки ракет.
Медь также является одним из основных металлов электротехники и теплотехники.
Серебро – древнейший драгоценный металл, он является связующим звеном меди и стали в жидкостном двигателе ракеты. Титан и сплавы на его основе – важнейший металл космического века. Несмотря на общераспространенные убеждения, этот металл недостаточно широко используется в ракетной технике — из сплавов на основе титана чаще всего делают газовые баллоны высокого давления. [1]

Схема №1. Основные космические металлы

Но прогресс не стоит на месте, и при разработке средств исследования космического пространства требуются новые структуры, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов. В наши дни идет стремительная разработка инновационных космических материалов, таких как интеллектуальные космические композиты, самовосстанавливающиеся материалы и нанотрубки. (см. схему №2)

Схема №2. Инновационные космические материалы

Космические нанотехнологии. NASA совместно с космическим центр Джонсона заключили договор о совместной разработке и применении высочайших технологий и, в особенности, нанотехнологий для исследования пространства космоса. NASA планирует упростить вывод космомашин на орбиту с использованием космического лифта, изготовленного из нано-трубок. Они имеют высокую жесткость, что может помочь им затмить большинство новейших материалов для аэроконструкций. Композиты из нано-трубок снижают вес современных космических объектов примерно в два раза. Углеродные нанотрубки из одного слоя, созданные в 1991 году обладают чрезвычайной прочностью, поэтому они не очень подходят для основной ленты космического лифта. Они в 100 раз прочнее стали, и, соответственно примерно в 5 раз прочнее, чем предполагается для создания. Соотношение прочность и веса такого материала ленты больше, чем у высокозакаленной стали.

Содержание

1 Основные сведения о металлах, применяемых в космическом технике 3
1.1 Жаропрочность 6
1.2 Тугоплавкие металлы -
2 Металлы применяемые в космическом кораблестроении 9
2.1 Бериллий….……………………………………………………………………………………-
2.2 Стали.…………………………………………………………………………10
2.3 Титановые сплавы . ………………………………………………………. 12
2.4 Магниевые сплавы…………………………………………………………. 13
2.5 Алюминиевые сплавы………………………………………………………. -
2.6 Космическое золото.…………………………………………………. ……15
Библиографический список 17

Прикрепленные файлы: 1 файл

Металлы применяемые в космической технике - копия.docx

1 Основные сведения о металлах, применяемых в космическом кораблестроении

История аэронавтики и астронавтики показала, что определение главных направлений или национальных целей оказывает большое влияние на развитие техники. Основу развития техники составляют знания о свойствах материалов. Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации космических средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов космического материаловедения. При разработке космических средств требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу. Весь спектр сильных, зачастую с резкими переходами воздействий на металлические и неметаллические конструкции и элементы оказывает существенное влияние на их глубинные структурные свойства и, как следствие, на надежность и долговечность космических средств различного назначения.

Металлы – основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов. За последние годы разработано и в дальнейшем получит новое развитие поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием. Замена традиционных сплавов новыми позволит снизить массу узлов изделий РКТ на 10. 30 % в зависимости от типа конструкции. Технология получения деталей из новых гранулированных сплавов наряду с возможностью повышения рабочих температур до Т=850 °С обеспечит снижение массы узлов на 10. 30 %.

Революционные решения в создании перспективных изделий РКТ может обеспечить новый класс конструкционных материалов – интерметаллиды (химические соединения титан – алюминий, никель – алюминий и др.). Эти материалы имеют низкую плотность (ρ=3,7. 6,0 г/см3) и обладают высокой жаропрочностью (до Т=1200 °С), высокими характеристиками коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости.

Разрабатываемый в настоящее время титановый сплав по технологичности в машиностроительном производстве будет равноценен традиционной нержавеющей стали (не требуется оборудования для сварки и термообработки с контролируемой атмосферой). Сплав благодаря легированию главным образом гафнием и ниобием не будет окисляться при нагревах до Т=(850. 900) °С. Не потребуется термообработки сварных соединений для снятия остаточных напряжений, что исключает необходимость использования печей для термообработки и камер для сварки с контролируемой атмосферой. При необходимости термообработка сварных узлов для предотвращения поводок от остаточных напряжений (например, крупногабаритных конструкций типа рам, ферм, экранов донной защиты и т.д.) может проводиться в воздушной атмосфере без последующей пескоструйной очистки и травления. Сварку деталей можно осуществлять всего лишь при струйной защите аргоном, не боясь окисления шва. Сплав будет работоспособен в широком интервале температур Т=(–253…+450) °С. Он открывает широкие перспективы для применения титана в ракетостроении взамен нержавеющих сталей, позволит практически втрое улучшить массовые характеристики изделий[1].

Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, улучшением технологий термомеханического упрочнения и т.д.) к настоящему времени исчерпало свои возможности. Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов: кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того, значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах приводит к зональной и объемной ликвации в слитках и, как следствие, к анизотропии свойств полуфабрикатов и деталей из них. Большой резерв в повышении свойств конструкций РКТ лежит в использовании интерметаллидных соединений. Для разработки жаропрочных конструкционных материалов на основе интерметаллидных соединений наибольший интерес представляют системы титан - алюминий и никель - алюминий, железо - хром - алюминий.

Интерметаллиды (химические соединения металлов) по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30 % ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства - высокие жаропрочность и жаростойкость, высокую коррозионную стойкость в сравнении с нержавеющими сталями (особенно в кислороде) и высокую износостойкость. Кроме того, интерметаллиды имеют низкую плотность. Интерметаллидные сплавы на основе титана могут работать до температуры Т=850 °С без защитных покрытий, сплавы на основе никеля – до температуры Т=1500 °С.

Весь комплекс свойств интерметаллидов может оказать революционное влияние на многие области техники и в первую очередь на создание перспективных образцов авиакосмической техники, в том числе летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями. Использование интерметаллидов в двигательных установках (ротор, статор, крыльчатки, клапанная группа, неохлаждаемые сопла и т.п.) позволит повысить удельную тягу двигателей на 25. 30 %,обеспечит снижение массы конструкций до 40 %.

Жаропрочность

Жаропрочные стали и сплавы предназначены для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и др., работающих при высоких температурах.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Жаропрочность характеризуется условным приделом ползучести и пределом длительной прочности.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах Т=(700…950) °С создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при еще более высоких температурах Т=(1200…1500) °С – на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.

Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют Т=(500…750) °С. При температурах до Т=600 °С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах – на основе γ-твердого раствора с гранецентрированной кубической решеткой[2, с. 340].

Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы - класс химических элементов, имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию такие как: молибден, вольфрам, ниобий, тантал, рений с температурой плавления Т=(2468…3410) °С. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках. Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по-разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; третьего периода — тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше Т=2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, атомных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температурах до Т=(1500…2000) °С.

Молибден и вольфрам в чистом виде используют в радио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели и т.д.) вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами ниобий применяют для изготовления теплообменников атомных реакторов.

Температура плавления тугоплавких элементов самая высокая, исключая углерод и осмий. Данное свойство зависит не только от их свойств, но и от свойств их сплавов.

Сопротивление к деформации ползучести является определяющим свойством тугоплавких металлов. У обычных металлов деформация начинается с температуры плавления металла, а отсюда деформация ползучести в алюминиевых сплавах начинается от Т=200 °C, в то время как у тугоплавких металлов она начинается от Т=1500 °C. Это сопротивление к деформации и высокая температура плавления позволяет тугоплавким металлам быть использованными, например, в качестве деталей реактивных двигателей или при ковке различных материалов.

Общие свойства тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до Т=3073 K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до Т=500 °C делает это одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода.

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры[3].

2 Металлы применяемые в космическом кораблестроении

Бериллий — относительно твёрдый, но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Имеет высокий модуль упругости λ=300 ГПа. На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO.

Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют намного уменьшить размеры активной зоны реакторов, увеличить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его использование считают экономически оправданным, особенно в небольших энергетических реакторах для самолетов и морских судов.

В еще большей мере космическую технику привлекают в бериллии легкость, прочность, жесткость, и особенно – необыкновенно высокое отношение прочности к весу. Поэтому бериллий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиационной технике.

Благодаря способности сохранять высокую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах – приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

Железо - незаменимый элемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей – второй по применению металл в ракетах.

Везде, где нагрузка сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, дешевле, нужна для стартового сооружения.

Сталь - сплав железа с углеродом и с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14 % углерода (при большем количестве углерода в железе образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода – на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,60 % С) и высокоуглеродистые (0,6…2,0 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные – до 4 % легирующих элементов, среднелегированные – до 11 % легирующих элементов и высоколегированные – свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих:

– Углерод – составная часть, с увеличением содержания которой в стали увеличивается её твердость и прочность, при этом пластичность уменьшается.

– Кремний и марганец (в пределах 0,5. 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают.

– Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления Т=1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

Сегодня титан является одним из наиболее популярных металлов. Он очень прочный и легкий, его плотность немногим выше плотности алюминия. При одинаковой прочности титановые конструкции легче стальных на 45 %. Сплавы титана находят применение во многих отраслях промышленности, а особенно в авиакосмической сфере. Благодаря своим уникальным свойствам титан применяется при изготовлении как ортопедических и стоматологических имплантов, так и самолетов последнего поколения и космических кораблей.

Каждая отрасль техники по мере своего развития предъявляет все более разнообразные и высокие требования к металлам. Но наиболее ответственные требования предъявляются к металлам спутников и космических кораблей —в них должен сочетаться весь комплекс лучших механических, физических и химических свойств. Достижения в получении прочных материалов в определенной степени влияют на успехи в освоении космоса. В Северной Америке и Европейском Союзе с развитой аэрокосмической и военной оборонной промышленностью, но особенно в Соединенных Штатах, около 50 % спроса на титановую продукцию приходится на аэрокосмическую и военную оборону.

НОВАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ТРЕБУЮТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МЕТАЛЛОВ

Американские ученые проводили эксперименты, чтобы установить, как воздействуют на различные металлы условия космического пространства, в частности глубокий вакуум. Образцы исследуемых материалов помещали в вакуумную камеру с давлением, соответствующим разрежению на высоте 800 км над землей. Были получены интересные результаты. Так, выяснилось, что в этих условиях некоторые металлы — кадмий, цинк и сплавы магния — испаряются. Наиболее устойчивыми оказались сталь, титан, вольфрам и платина. Среди них лидируют титан и его сплавы, уверенно шагнувшие в космос.

Для современных сверхзвуковых самолетов требуется, чтобы они имели относительно низкий структурный весовой коэффициент, что обеспечивает титановый сплав, имеющий прочность, близкую к стали средней прочности, но обладающий низкой плотностью. Вместо конструкционной стали и жаропрочного сплава он позволяет значительно снизить конструкционный вес и стоимость самолета.

Плотность титана равна 4500 кг/м3 при комнатной температуре. Если затрагивать физические свойства титана, то можно отметить его высокую удельную прочность, прочности при высоких температурах, маленькую плотность и коррозийную стойкость. Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть — алюминия. При высоких температурах, когда легкие сплавы уже не работают (на основе магния и алюминия), на помощь приходят титановые сплавы. К примеру, самолет на высоте в 20 км развивает скорость в три раза выше, чем скорость звука. И температура его корпуса при этом около 300 °С. Такие нагрузки выдерживает только титановый сплав.

Продолжение статьи читайте в январьском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техник

“Бериллий – один из самых замечательных элементов, огромного теоретического и практического значения.

…Овладение воздухом, смелые полеты самолетов и стратостатов невозможны без легких металлов; и мы уже предвидим, что в помощь современным металлам авиации – алюминию и магнию – придет и бериллий.

И тогда наши самолеты будут летать со скоростью в тысячи километров в час.

За бериллием будущее!

Геохимики, ищите новые месторождения. Химики, научитесь отделять этот легкий металл от его спутника – алюминия. Технологи, сделайте легчайшие сплавы, не тонущие в воде, твердые, как сталь, упругие, как резина, прочные, как платина, и вечные, как самоцвет…

Может быть, сейчас эти слова кажутся сказкой. Но как много сказок на наших глазах превратилось в быль, влилось в наш простой домашний обиход, а мы забываем, что еще 20 лет тому назад наши радио и звуковое кино звучали фантастической сказкой”.

Так писал почти полвека назад крупнейший советский ученый академик А.Е. Ферсман, уже тогда сумевший по достоинству оценить значение бериллия.

Да, бериллий – это металл будущего. И в то же время в Периодической системе найдется немного элементов, история которых, подобно истории бериллия, уходит в далекое-далекое прошлое.

…Свыше двух тысячелетий назад в безводной пустыне Нубии, где находились знаменитые изумрудные копи царицы Клеопатры, рабы добывали чудесные кристаллы зеленого камня. Караваны верблюдов доставляли изумруды к берегам Красного моря, а оттуда они попадали во дворцы властителей стран Европы, Ближнего и Дальнего Востока – византийских императоров, персидских шахов, китайских богдыханов, индийских раджей.

С открытием Америки в историю зеленого камня была вписана новая страница. В могилах и храмах Мексики, Перу, Колумбии испанцы обнаружили множество крупных темно-зеленых изумрудов. За несколько лет испанцы разграбили эти сказочные богатства. Найти же место, где добывался чудесный самоцвет, им долго не удавалось. И только в середине XVI столетия завоеватели Америки сумели, наконец, овладеть тайной инков и проникнуть к сокровищам изумрудных копей Колумбии.

Редкий по красоте колумбийский изумруд царил в ювелирном деле до XIX века. В 1831 году уральский смолокур Максим Кожевников, собирая валежник в лесу близ небольшой речушки Токовой, нашел первый русский изумруд. Крупные ярко-зеленые изумруды Урала быстро получили признание ювелиров всего мира.

Разработкой уральских изумрудных копей руководил в то время “исправляющий должность командира” Екатеринбургской гранильной фабрики Яков Коковин, кристально честный человек, большой знаток и художник камня. В 1834 году к нему попал найденный на одном из приисков громадный изумруд, весивший более двух килограммов. Мог ли он тогда знать, какую роковую роль сыграет в его судьбе этот красивый камень, вошедший в историю минералогии как “изумруд Коковина”?
Наиболее ценные камни командир гранил сам. И на этот раз он намеревался своими руками произвести огранку самоцвета-великана. Но его планам не суждено было сбыться: из Петербурга по ложному доносу внезапно нагрянула ревизия, у Коковина учинили обыск и “нашли” изумруд, который тот и не собирался прятать. Вместе с камнем его под стражей отправили в столицу. Следствие по этому делу вел граф Перовский, слывший большим знатоком и любителем драгоценных камней. Он и довел дело до желанного для себя конца: ни в чем не повинного Коковина граф упрятал в тюрьму (где сломленный несправедливыми наветами мастер вскоре покончил с собой), а изумруд, минуя государственную казну, пополнил коллекцию графа. Но у того камень не задержался: крупно проиграв в карты, знатный вельможа вынужден был расстаться с ним, и изумруд перекочевал к тайному советнику князю Кочубею, владельцу крупнейшей в России коллекции самоцветов. После смерти князя его сын перевез немало ценных камней, среди которых находился и “изумруд Коковина”, в Вену, где устроил их распродажу. По настоянию российской Академии наук царское правительство за огромные деньги выкупило коллекцию. Самый крупный в мире изумруд вернулся на родину и сейчас украшает экспозицию Минералогического музея Академии наук СССР в Москве.

Изумруд – один из многих минералов бериллия. Голубовато-зеленый, цвета морской воды аквамарин и вишнево-розовый воробьевит, винно-желтый гелиодор и желтовато-зеленый берилл, чистейшей воды фенакит и нежный синий эвклаз, прозрачный зеленый хризоберилл и его удивительная разновидность александрит – густо-зеленый днем и малиновый при искусственном освещении (“зеленое утро и кровавый вечер” – образно описал его Н.С. Лесков) – вот лишь некоторые, но, пожалуй, наиболее именитые представители семейства бериллиевых самоцветов.

Представители флоры тоже готовы внести свою лепту в поиск бериллиевых месторождений. В этой роли может выступать обыкновенная сосна, имеющая склонность отбирать бериллий из почвы и накапливать его в своей коре. Если сосна растет недалеко от залегания бериллиевых минералов, то концентрация этого элемента в сосновой коре оказывается в сотни раз выше, чем в почве, и в десятки раз выше, чем в коре других деревьев, например березы или лиственницы.

Как вы уже знаете, ювелиры с почтением относятся ко многим бериллиевым камням-самоцветам, а вот технологи, занятые производством металлического бериллия, более разборчивы в своих привязанностях: из всех бериллиевых минералов они ценят лишь берилл, ибо только этот минерал имеет промышленное значение. В природе встречаются кристаллы-гиганты берилла: масса их достигает десятков тонн, длина – нескольких метров. А недавно на Мадагаскаре обнаружен монокристалл берилла, весящий 380 тонн. Длина этого “кристаллика” 18 метров, его поперечник 3,5 метра.

В Горном музее в Ленинграде есть интересный экспонат – полутораметровый кристалл берилла. В блокадную зиму 1942 года вражеский снаряд пробил крышу здания и разорвался в главном зале. Осколки серьезно повредили кристалл, и казалось, что ему уже не найдется места в экспозиции музея. Но после кропотливой ювелирной работы художников-реставраторов камень был восстановлен в первоначальном виде. Сейчас о пережитой им операции напоминают лишь два поржавевших снарядных осколка, вмурованных в пластину из органического стекла, да пояснительная табличка, рассказывающая об этом экспонате.

Не удивительно, что бериллиевые камни-самоцветы издавна привлекали внимание не только любителей драгоценностей, но и химиков.

Соли нового элемента имели сладковатый привкус, и потому Воклен предложил назвать его глицинием (по-гречески “гликос” – сладкий), однако многие ученые сочли это название неудачным, поскольку сладкий вкус присущ солям и других элементов, например иттрия. По предложению известных химиков немца Клапрота и шведа Экеберга, также занимавшихся исследованиями берилла, открытый в этом минерале химический элемент был назван бериллием, а название глициний долгое время сохранялось лишь во французской химической литературе.

Сходство бериллия и алюминия доставило немало хлопот создателю Периодической системы элементов Д.И. Менделееву. Дело в том, что в середине XIX века бериллий именно из-за этого сходства считался трёхвалентным металлом с атомной массой 13,5 и, следовательно, должен был занимать в таблице место между углеродом и азотом. Это вносило явную путаницу в закономерное изменение свойств элементов и ставило под сомнение правильность Периодического закона. Менделеев, убежденный в своей правоте, считал, что атомная масса бериллия определена неверно, что элемент должен быть не трехвалентным, а двухвалентным с магнезиальными свойствами. На основании этого он поместил бериллий во вторую группу, исправив его атомную массу на 9. Вскоре это вынуждены были подтвердить шведские химики Нильсон и Патерсон, которые ранее были твердо убеждены в трехвалентности бериллия. Их тщательные исследования показали, что атомная масса этого элемента равна 9,1. Так, благодаря бериллию – возмутителю спокойствия в Периодической системе – восторжествовал один из важнейших химических законов.

Судьба этого элемента во многом сходна с судьбами его собратьев-металлов. В свободном виде он был выделен в 1828 году немецким химиком Вёлером и независимо от него французским химиком Бюсси, но лишь спустя семь десятилетий француз Лебо электролизом расплавленных солей смог получить чистый металлический бериллий. Не мудрено, что еще в начале нашего века химические справочники безапелляционно обвиняли бериллий в “тунеядстве”: “Практического применения не имеет”.

Однако бурное развитие науки и техники, которым ознаменовался XX век, заставило химиков и других специалистов пересмотреть этот явно несправедливый приговор. Изучение чистого бериллия показало, что он обладает многими ценными и интересными свойствами.

Один из самых легких металлов, бериллий характеризуется в то же время солидной прочностью, большей, чем у конструкционных сталей, не говоря уже о “коллегах” бериллия по группе металлов-легковесов. Так, если алюминиевая проволока сечением 1 квадратный миллиметр способна выдержать лишь чуть более 10 килограммов (например, ведро с водой), то бериллиевая проволока такого же сечения выдерживает груз в шесть раз тяжелее, т.е. равный приблизительно массе тела взрослого человека. В то же время бериллий плавится при гораздо более высокой температуре, чем магний и алюминий. Такое удачное сочетание свойств делает бериллий сегодня одним из основных авиационных материалов. Детали самолета, изготовленные из этого металла, намного легче, чем алюминиевые.

Отличная теплопроводность, высокая теплоемкость и жаропрочность дают возможность использовать бериллий и его соединения в космической технике в качестве теплозащитного материала. Из бериллия были выполнены, например, элементы тепловой защиты кабины американского космического корабля “Меркурий”.

Бериллиевые детали, сохраняющие высокую точность и стабильность размеров, используются в гироскопах – приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

С точки зрения освоения космического пространства весьма перспективно еще одно свойство бериллия: при его горении выделяется огромное количество тепла. В этом отношении с ним не в силах конкурировать ни один другой металл. Не случайно конструкторы космической техники рассматривают бериллий как возможный компонент высокоэнергетического ракетного горючего для полетов на Луну и более далекие от нас небесные тела. Предложено также изготовлять из него топливные резервуары ракетных систем: когда горючее израсходуется, вместо него можно будет использовать (или, попросту говоря, сжечь) бериллиевую “тару”.

Широкое применение в авиации находят сплавы меди с бериллием – бериллиевые бронзы. Из них изготовляют многие изделия, от которых требуются большая прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в значительном интервале температур, высокая электро- и теплопроводность. Подсчитано, что в современном тяжелом самолете свыше тысячи деталей сделано из этих сплавов. Благодаря своим упругим свойствам бериллиевая бронза служит прекрасным пружинным материалом. Пружины из такой бронзы практически не знают усталости: они способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки!

Кстати, именно с пружинами связан любопытный эпизод из истории второй мировой войны. Гитлеровская промышленность была отрезана от основных источников бериллиевого сырья. Мировая добыча этого ценного стратегического металла практически полностью находилась в руках США. И немцы пошли на хитрость. Они решили использовать нейтральную Швейцарию для контрабандного ввоза бериллиевой бронзы: американские фирмы получили от швейцарских “часовщиков” заказ на такое ее количество, которой хватило бы на часовые пружины всему миру лет на пятьсот вперед. Хитрость, правда, была разгадана, и этот заказ остался невыполненным. Но все же время от времени в новейших марках скорострельных авиационных пулеметов, поступавших на вооружение фашистской армии, появлялись пружины из бериллиевой бронзы.
Усталость – одно из “профессиональных заболеваний” многих металлов и сплавов, которые, не выдерживая переменных нагрузок, постепенно разрушаются. Добавка же в сталь даже небольшого количества бериллия как рукой снимает усталость. Если автомобильные рессоры из обычной углеродистой стали ломались уже после 800-850 тысяч толчков, то после введения я сталь “витамина Be” рессоры выдерживали десятки миллионов толчков, не обнаруживая и следов усталости.

В отличие от стали, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл, поэтому ее широко используют для изготовления инструмента, применяемого на взрывоопасных работах – в шахтах, на пороховых заводах, нефтебазах. Бериллий существенно влияет на свойства магния. Так, присадка всего нескольких тысячных долей процента бериллия предотвращает возгорание магниевых сплавов при плавке и разливке (т.е. примерно при 700°С). Резко уменьшается при этом и коррозия сплавов – как на воздухе, так и в воде.

Большое будущее принадлежит, по-видимому, сплавам бериллия с литием. Союз этих двух легчайших металлов приведет, быть может, к появлению отличных конструкционных сплавов – прочных, как сталь, и легких, как дерево.

По своим химическим данным бериллий мог бы с успехом исполнять роль раскислителя стали, помогая ей избавляться от проникшего в нее кислорода. К сожалению, он еще слишком дорог, и использовать его в больших количествах металлургии пока не могут. Но они нашли бериллию другое важное применение, где расход его невелик: насыщение этим металлом поверхности стальных изделий – бериллизация – значительно повышает их твердость, прочность, износостойкость.

Весьма благосклонны к бериллию рентгенотехники – ведь он лучше всех других устойчивых на воздухе металлов пропускает рентгеновские лучи. Сейчас из него во всем мире делают окна для рентгеновских трубок. Пропускная способность таких окон почти в двадцать раз выше, чем алюминиевых, применявшихся ранее для этой цели.

Бериллий сыграл заметную роль в развитии учения о строении атома и его ядра. Еще в начале 30-х годов немецкие физики Боте и Беккер, бомбардируя бериллий альфа-частицами, обнаружили так называемое бериллиевое излучение – очень слабое, но обладающее значительной проникающей силой: лучи проходили через слой свинца толщиной несколько сантиметров. Природу этого излучения установил в 1932 году англичанин Чэдвик. Оказалось, что оно представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых примерно равна массе протона. Новые частицы были названы нейтронами.

Отсутствие электрического заряда позволяет нейтронам легко внедряться в ядра атомов других элементов. Это свойство сделало нейтрон эффективнейшим снарядом атомной артиллерии. Сейчас нейтронные пушки широко применяются для осуществления ядерных реакций.

Изучение атомной структуры бериллия показало, что для него характерно малое сечение захвата нейтронов и большая величина их рассеяния. Благодаря этому бериллий рассеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет скорость до таких значений, при которых цепные реакции протекают более эффективно. Из всех твердых материалов бериллий считается лучшим замедлителем нейтронов. Прекрасно справляется он с ролью отражателя нейтронов, возвращает их в активную зону реактора, противодействует их утечке. Ему присуща также высокая радиационная стойкость, сохраняющаяся при очень больших температурах. Все эти замечательные свойства делают бериллий одним из самых необходимых элементов “томной техники.

Несомненный интерес для науки представляет “звукопропускная” способность этого металла. В воздухе скорость звука составляет 330 метров в секунду, в воде – около 1500 метров. В бериллии же звук побивает все рекорды, преодолевая за секунду 12600 метров (в 2-3 раза больше, чем в других металлических материалах). На эту особенность уже обратили внимание создатели музыкальных инструментов.

Многими ценными свойствами обладает и оксид бериллия. Высокая огнеупорность (температура плавления более 2600 °С), значительная химическая стойкость и большая теплопроводность позволяют использовать этот материал для футеровки индукционных печей, изготовления тиглей для плавки различных металлов и сплавов. Так, для выплавки бериллия в вакууме применяют тигли только из оксида бериллия, который с ним абсолютно не взаимодействует. Этот оксид служит основным материалом для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов.
Теплоизоляционные свойства оксида бериллия, возможно, будут использованы и при исследовании глубинных слоев нашей планеты. Существует проект взятия проб из мантии Земли с глубин до 32 километров с помощью так называемой “атомной иглы”, представляющей собой миниатюрный атомный реактор, который заключен в теплоизолирующий футляр из оксида бериллия с острием из тяжелых вольфрамовых сплавов.

Оксид бериллия имеет уже большой стаж работы в стекольной промышленности. Добавки его повышают твердость, показатель преломления и химическую стойкость стекол. Введение оксида и других соединений бериллия позволяет получать специальные стекла высокой прозрачности для всех лучей спектра – от ультрафиолетовых до инфракрасных.
Оксид бериллия служит и исходным сырьем для создания искусственных изумрудов и других бериллиевых самоцветов, выращиваемых при высоких давлениях и температурах. Этот процесс осуществляется сегодня уже не только в научных лабораториях, но и в производственных условиях.

…Сбылись пророческие слова замечательного ученого и мечтателя А.Е. Ферсмана. Совсем немного времени понадобилось бериллию, чтобы оправдать возлагаемые на него надежды. Из малоизвестного редкого элемента он превратился сегодня в один из важнейших металлов XX века.

Читайте также: