Применение бериллия и его соединений

Для бериллия характерен значительный разрыв между временем его открытия и началом широкого промышленное применения в 30-х годах XX столетия. Причина тому — трудности, связанные не только с переработкой бериллиевого сырья, но и со сложностью получения чистого металла, с его химической активностью особенно большим сродством к газам, в первую очередь — к кислород и азоту. Долгое время применение бериллия было связано лишь с использованием свойств его оксида, употреблявшегося для изготовления огнеупорных изделий, высококачественного фарфора для электроизоляторов, газокалильных колпачков и специальных стекол.

В настоящее время бериллий стал серьезным конкурентом для обычно применяемых авиационных материалов. Облегченные конструкции самолетов с применением бериллия увеличивают дальность и потолок полетов. Он отличается малой удельной массой (1,84 г/см³), высокой прочностью, высоким модулем упругости (в 1,5 раза большим, чем у стали, и в 2,5 раза, чем у титана), высокими жесткостью, теплопроводностью, удельной теплоемкостью (в 2,5 раза выше, чем у алюминия, в 8 раз, чем у стали), хорошей коррозионной стойкостью, способностью сохранять точность и стабильность размеров деталей, выдерживать большие температуры.

Несмотря на высокую стоимость, бериллий стараются использовать во всех критических случаях, особенно на космических аппаратах, где поскольку происходит непрерывное ужесточение требований по габаритам, надежности и условиям их эксплуатации.

В условиях механических и тепловых нагрузок бериллий способ обеспечить самый высокий уровень точности оптических систем (отклонение между элементами не более 0,005 мм).

Сплавы с бериллием, резко повышающим механические свойства многих металлов, применяются для производства деталей и конструкций, подвергающихся длительному интенсивному напряжению или трению при переменной или высокой температуре. Наиболее широко в промышленности используются Be–Сu сплавы (бронзы), сочетающие высокую прочность и выносливость с коррозионной устойчивостью и высокой тепло- и электропроводностью. Пружины из них выдерживают миллиарды циклов при значительной нагрузке. Современный автомобиль содержит десятки, а самолет — тысячи деталей из бериллиевых бронз.

Около 65 % потребления бериллия в США приходится на Be–Сu сплавы, в которых содержится в среднем 2 % Be. Ленты из этих сплавов используются для пружин, соединительных деталей и переключателей в автомобилях, самолетах, спутниках, радарах, телекоммуникациях, промышленной автоматике, компьютерах, бытовых приборах, инструментах и контрольно-измерительных приборах. Трубы большого диаметра находят применение в нефтегазовых буровых инструментах, втулках и вкладышах в тяжелом машиностроении и системах, обеспечивающих посадку самолетов. Главное применение стержней из Be–Сu сплавов — переключатели в волоконно-оптических системах, а брусков иплит — в производстве литейных форм для металла, стекла и пластиков.

Сплавы А1—Mg—Be и Be—А1, отличающиеся большой легкостью, применяются в самолетостроении и ракетной технике. В последнее время большое внимание уделяется интерметаллическим соединениям бериллия с тугоплавкими металлами, в первую очередь — с танталом и цирконием. Тугоплавкость бериллидов, легкость и устойчивость к окислению до 1650°С делает их идеальными конструкционными материалами для ракет, управляемых снарядов и спутников.

В атомной технике бериллий и его оксид используются как источники, замедлители и отражатели нейтронов, а также как конструкционный материал для бериллизации изделий с целью придания им высокой поверхностной твердости. Из бериллия изготовляют окошки рентгеновских трубок, так как он проницаем для рентгеновских лучей.

В начале XXI века очень крупным потребителем бериллия может стать термоядерная энергетика, в которой он исследуется как компонент горючего и материал для теплопередачи, размножения и замедления нейтронов. Оксид бериллия (~ 15 % потребления США) используется как субстрат для интегральных схем, систем зажигания в автомобилях, в лазерах. радарах, микроволновых устройствах. В традиционных областях применения значение оксида бериллия не только сохранилось, но и увеличилось; как огнеупорный материал ВеО в ряде случаев незаменим. Это касается, в частности, изготовления тиглей для плавки металлов (Be, U, Th, Ti), где используется такое уникальное свойство ВеО, как необычайно высокая теплопроводность наряду с огнеупорностью.

Оксид бериллия широко используется при конструировании индукционных печей и вакуумных нагревательных приборов. Весьма перспективным огнеупорным материалом является пористая керамика из оксида бериллия, получаемая пенометодом и выдерживающая температуру 1750 °С. В связи с высокой устойчивостью к тепловому удару ВеО находит применение в авиации для изготовления лопастей газовых турбин и деталей реактивных двигателей. Важная область применения оксида бериллия — получение меднобериллиевой лигатуры, используемой в производстве бериллиевых бронз. Применяется ВеО и как катализатор в некоторых органических синтезах.

Мировая добыча бериллия, по предварительным данным Геологической службы США, в 2011 г. увеличилась по сравнению с 2010 г. на 17% - до 240 т благодаря росту производства в США, которые являются доминирующим в мире продуцентом этого металла. На эту страну в 2011 г. приходилось 87,5% глобальной добычи бериллия (таблица 3.2).

В 2010 г. мировой рынок бериллиевых продуктов восстановился после того, как в 2009 г. в условиях глобального финансово-экономического кризиса ситуация на рынке значительно ухудшилась, что привело тогда к падению добычи бериллия на 30% относительно уровня 2008 г.

Таблица 3.3 — Динамика мировой добычи бериллия (тонны/год).

В 2011 г. состояние рынка бериллиевых продуктов продолжало улучшаться. По сообщению ведущего американского продуцента бериллия, прибыли компании в прошлом году увеличились. Сообщалось, что в I полугодии 2011 г. отгрузки необработанных медно-бериллиевых сплавов и полосы выросли по сравнению с теми же месяцами 2010 г. соответственно на 32 и 3%. В указанный период повысились продажи бериллиевых продуктов на ключевых отраслевых рынках сбыта, включая производство автомобильных электронных устройств, деталей для авиакосмической и прочих отраслей промышленности, продуктов для промышленного рентгеновского оборудования, коммуникационной инфраструктуры, оборудования для производства полупроводников, нефти и газа..

По оценке Геологической службы США, в 2011 г. потребление бериллия в США составило 270 т на сумму примерно 121 млн. долл. (оценка на базе стоимости бериллия в импортируемой медно-бериллиевой лигатуре). В 2011 г. 45% всего использованного в стране бериллия нашло применение в производстве компьютеров и телекоммуникационных продуктов, 12% - военном секторе, 11% - в производстве промышленных компонентов и в гражданском авиакосмическом секторе, а остальной металл - в производстве электроприборов, автомобильных электронных устройств, медицинских приборов, в энергетике и в прочих сферах.

Вторичный бериллий в США извлекается в основном из нового лома, образующегося в ходе производства бериллиевых продуктов. Данные о масштабах его производства не сообщаются, однако, по оценке, на него приходится до 10% видимого потребления бериллия в стране.

По оценке, в 2007–2010 гг. бериллий в различных формах поставлялся в США следующими странами (%): Россия – 45, Казахстан – 22, Япония – 7, Кения – 5, прочие страны – 21.

Ввиду токсичности бериллия его производство регулируется различными международными и национальными правилами и законами, целью которых является контроль за содержанием этого элемента в воздухе, воде и других средах. Вследствие этого бериллиевая отрасль вынуждена осуществлять тщательный контроль экологической чистоты своих предприятий для исключения потенциального вреда здоровью людей, что увеличивает стоимость бериллиевых продуктов.

Цены на бериллиевые продукты на 2011 г. составляет ~450, долл/кг.