第33卷第9-10期中國材料進(jìn)展Vol.33No.9-102014年10月MATERIALS CHINAOct,2014特約專欄金屬鈹?shù)膽?yīng)用進(jìn)展鐘景明μ,許德美2,李春光2,王戰(zhàn)宏?,李峰2,王莉,李志年2(1.國家鉭鈮特種金屬材料工程技術(shù)研究中心,寧夏石嘴山7530000(2.西北稀有金屬材料硏究院寧夏特種材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏石嘴山7530000摘要:綜述了近20年來金屬Be在核能、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)件、高能物理學(xué)和商業(yè)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展,以及金屬Be優(yōu)異的性能在促進(jìn)其應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和改進(jìn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量中所起的重要作用。從金屬Be的應(yīng)用范圍和效果,說明金屬Be作為¨戰(zhàn)略性、關(guān)鍵性”工程材料,對一個(gè)國家國防、航空航天和戰(zhàn)略核能發(fā)展所起的關(guān)鍵支撐作用。并簡要介紹了我國金屬Be的應(yīng)用現(xiàn)狀,指出我國必須大幅度提高Be在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和紅外光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用水平,以增強(qiáng)我國空間爭奪和對抗能力。最后,總結(jié)了世界范圍內(nèi)金屬Be的應(yīng)用市場格局,預(yù)計(jì)未來金屬Be市場仍以國防、航空航天和戰(zhàn)略核能為主,且在民用工業(yè)中也將占據(jù)重要地位。關(guān)鍵詞:金屬Be;慣性導(dǎo)航系統(tǒng);紅外光學(xué)系統(tǒng)中圖分類號:TG146.24文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-3962(2014)09-0568-08Progress in Application of Metallic berylliumZHONG Jingming.,XU Demei, LI Chunguang, WaNg ZhanhongLI Feng, WANG Li, LI Zhinian(1. China National Engineering Research Center for Tantalum and Niobium Special Metal Materials(2. Northwest Rare Metal Materials Research Institute, Ningxia Key laboratory for Rare Materials業(yè)30:mAbstract: This paper mainly reviews the up-to-date progress of metallic beryllium applications in nuclear reactors, inerial navigation system, optics, thermotics, structure parts, high-energy physics and typical commercial use in the recent20 years, as well as gives brief introduction that excellent performances of metallic beryllium play an important role in pro-moting technology development of its application field and improving product performance and quality. Based on the rangend effect of metallic beryllium application, the paper details that metallic beryllium as key strategic engineering materialhas given strong support to national defense, aerospace and strategic nuclear energy development. Moreover, the paperbriefly introduces status of metallic beryllium applications in China, and points out that China should greatly improve thelevel of beryllium application in inertial navigation system and the infrared optical system, so as to enhance China s spacefighting and confrontations ability. Finally, the paper summarizes pattern of metallic beryllium market. It can be expectedthat metallic beryllium market is still defense, aerospace and strategic nuclear, and metallic beryllium will consistentlyplay an important role in civil industry in futureKey words: metallic beryllium; inertial navigation system; infrared optical system前言光學(xué)系統(tǒng)和航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件上得到了持續(xù)而廣泛的應(yīng)用,這使金屬Be成為一種引人矚目的“戰(zhàn)略性、關(guān)金屬Be作為一種特殊的功能和結(jié)構(gòu)材料,早期的鍵性”工程材料。應(yīng)用集中在核領(lǐng)域和X射線領(lǐng)域,20世紀(jì)七八十年代國外,特別是美國十分重視金屬Be的應(yīng)用,金屬開始轉(zhuǎn)向國防和航天航空領(lǐng)域,在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、紅外Be也為美國國防、航空航天和核能發(fā)展起到了關(guān)鍵的支撐作用。我國金屬Be的應(yīng)用水平與美國差距較大收稿日期:2014-06-01且在某種程度上影響田的摶術(shù)進(jìn)步,特別是基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474177)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中國煤化工簡介了金屬第一作者及通訊作者:鐘景明,男,1963年4月生,教授,Be在核能、慣Email:zhongim@cnmnc.comCNMHG統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件Do:10.7502/j.issn.1674-3962.2014.09.05熱學(xué)、高能物理學(xué)和商業(yè)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展,以及第9-10期鐘景明等:金屬鈹?shù)膽?yīng)用進(jìn)展569金屬Be優(yōu)異的性能在促進(jìn)其應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和改進(jìn)等離子體內(nèi)壁的Be瓦和蒸汽器,每1次的用量均超過產(chǎn)品性能和質(zhì)量中所起的重要作用,結(jié)合應(yīng)用實(shí)例說明3t3,圖1所示是2006~2007年第4次等離子體內(nèi)壁金屬Be作為“戰(zhàn)略性、關(guān)鍵性”工程材料,對國防、航更換Be板(4.4t)4。國際熱核聚變試驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目空航天和戰(zhàn)略核能發(fā)展所起的關(guān)鍵支撐作用,旨在引起( nternational Thermonuclear Experimental reactor,ITER)我國工業(yè)界的設(shè)計(jì)者和工程人員對金屬Be應(yīng)用的重視,是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的未來戰(zhàn)略核能源項(xiàng)目加快我國金屬Be的應(yīng)用步伐,為金屬Be在國防、航空其等離子體的Be瓦預(yù)計(jì)需要13t金屬Be5,這些Be航天和戰(zhàn)略核能等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的積極作用做出瓦分別由美國S65C、中國CN-CO1、俄羅斯T℃貢獻(xiàn)56FW熱壓Be材制作。2金屬Be應(yīng)用進(jìn)展2.1金屬Be在核能中的應(yīng)用金屬Be的核性質(zhì)十分優(yōu)異,具有所有金屬中最大的熱中子散射截面(6.lbam),且Be原子核質(zhì)量小,能降低中子速度而不損失中子能量,是很好的中子反射材料和減速劑。Be中子在核中的結(jié)合能小(1.666MeV)在能量粒子(中子、質(zhì)子、y射線)的轟擊下,很容易釋放出中子,可以用Be來做中子源、增殖劑。另外,Be密度低(1.842g/cm3),對于需要考慮體積/質(zhì)量的圖1“歐洲聯(lián)合環(huán)”于20020071年第4次更換Be瓦的照片(1反應(yīng)堆,Be是首選材料Fig. 1 Photo of beryllium bush of JET replaced 4 th time in 20062007Be的核應(yīng)用始于二戰(zhàn)期間,并在20世紀(jì)50年代末期得到了較大的發(fā)展,特別是在小型核動(dòng)力反應(yīng)堆中。美國國家點(diǎn)火裝置( National Ignition Facility,NF)1956年,美國原子能委員會(huì)就與布拉什威爾曼工程材是世界上最大的、輸出功率最強(qiáng)的激光核聚變裝置,裝料(現(xiàn) Meterion公司)和卡韋基( Kawecki Chemical Cω.)置的核心部件是包含放射性氫同位素氘和氚的燃燒球兩家公司簽約5年期合同,要求每家每年生產(chǎn)約45t由于Be具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱的優(yōu)點(diǎn),比其它材料更能金屬Be。最近美國核動(dòng)力木星衛(wèi)星探測器( Jupiter Icy承受氘氚擾動(dòng),包裏聚變反應(yīng)氘原子和氚原子的燃燒球Moons orbiter,JIMo)的核反應(yīng)堆使用了Be組件,Be最終選擇由Be制作。該Be制燃燒球設(shè)計(jì)和制作由洛斯組件設(shè)計(jì)由洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)完成。阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室完成預(yù)計(jì)金屬Be還會(huì)用在美國計(jì)劃建造的月球核反應(yīng)Be制作的中子源有Be-Sb、Be-Am、Be-Po等,堆上。其中Be-$b中子源應(yīng)用最為廣泛。Be還經(jīng)常用于在核我國有關(guān)設(shè)計(jì)與研制機(jī)構(gòu)成功開發(fā)了用于中子照射物理學(xué)研究中產(chǎn)生中子的靶材。我國Be-$b中子源的分析檢測用微型反應(yīng)堆,所用的反射體包括一個(gè)內(nèi)徑生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,1997年西北稀有金屬材料研究院d20mm、外徑φ420mm、高240mm的短圓筒和上下自主研發(fā)的Be-Sb芯塊產(chǎn)品,達(dá)到了國際先進(jìn)水平端蓋等,共60個(gè)Be部件。我國首座大功率高通量試驗(yàn)穩(wěn)定供應(yīng)我國核電站二次中子源點(diǎn)火控制裝置。反應(yīng)堆,用Be做反射層,共使用230套精密Be組2.2金屬Be在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用件。這些Be組件系由西北稀有金屬材料研究院提供。Be的微屈服強(qiáng)度很高,這一特性保證了慣性導(dǎo)航托克馬克聚變反應(yīng)堆( Tokamak fusion reactor,器件所要求的尺寸穩(wěn)定性,還沒有任何一種其它材料能TFR),俗稱“人造太陽”,是未來戰(zhàn)略能源發(fā)展的目標(biāo)達(dá)到Be導(dǎo)航時(shí)達(dá)到的精度。另外,鈹密度低、剛度高之一。Be除了具有優(yōu)異的核性質(zhì)以外,Be原子序數(shù)低,適合于慣性導(dǎo)航儀表向小型化和高穩(wěn)定性發(fā)展的要求對等離子體不造成明顯的污染,對O的親合力和吸氣作解決了通常用硬A制作慣性器件時(shí)存在轉(zhuǎn)子卡死用提高了等離子體的純度,而且Be也沒有明顯的化學(xué)行穩(wěn)定性差、壽命短等問題2.-9。濺射作用,其蝕損壽命也可接受。因此,大多數(shù)TFR20世紀(jì)60代,善和首茶聯(lián)定和了慣性導(dǎo)航器選擇了Be作為約束等離子體的內(nèi)壁材料。從1988年件用材從硬Al中國煤化工了至少一個(gè)起,Be替代氟氯化碳(CFC)用于“歐洲聯(lián)合環(huán)”聚變反數(shù)量級,并實(shí)CNMHG要求。慣性應(yīng)堆( Joint European Torus reactor,JT),主要用做面對器件平均故障時(shí)間間隔也大幅度提高,美國Be制液浮570中國材料進(jìn)展第33卷陀螺儀G8的平均故障時(shí)間間隔達(dá)到了28000h8。從在美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)( National Missile Defe那以后,Be在精密導(dǎo)航儀表和慣性平臺中得到了廣泛NM)中,金屬Be除了做慣性器件,還被用于很多領(lǐng)的應(yīng)用,特別是在路基和海基戰(zhàn)略導(dǎo)彈、核潛艇和軍用域,如地基雷達(dá)的電子系統(tǒng)和導(dǎo)彈部件等。路基攔截器飛機(jī)等導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用上具有不可替代的地位。美國大( Groud- Based Interceptor,GBI系統(tǒng)所要求的高敏捷性也力神( Titan)、民兵( Minuteman)、和平衛(wèi)士( Peacekeep要求使用Be或Be-A合金。外大氣層獵殺裝置( Expater)路基戰(zhàn)略導(dǎo)彈,北極星( Polaris)、海神( Poseidon)、 mospheric Kill Vehicle,EKⅤ)也用Be制作遮光罩和光學(xué)三叉戟( Trident)?；鶓?zhàn)略導(dǎo)彈,F-15,F-22戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)等等的陀螺組件和慣性平臺均由Be制作。Be制慣性陀螺儀不僅能測量經(jīng)緯度、高程以實(shí)現(xiàn)1978年洛克韋爾公司完成靜電陀螺導(dǎo)航儀工程導(dǎo)航,還可以精確測量重力,也用于重力測量衛(wèi)星(ESGN)樣機(jī)(軍用型號 AN/WSN-3),采用d10mm實(shí)上0。美國的重力探測衛(wèi)星B( Gravity Probe B Satellite心Be轉(zhuǎn)子。該靜電陀螺監(jiān)控器自1979年陸續(xù)裝備了美使用了4個(gè)Be制參考球,用來精確測量重力異常國三叉戟彈道導(dǎo)彈核潛艇和拉菲特級( La Fayette Class)該衛(wèi)星是用來證明愛因斯坦的廣義相對論。核潛艇,1985年開始裝備攻擊型核潛艇和水面潛艇。B20世紀(jì)90年代初,我國已成功研制全Be結(jié)構(gòu)的靜52戰(zhàn)略轟炸機(jī)和F-111隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)裝備SPN壓液浮陀螺儀,見圖3a,圖3b是其部分Be零件,該陀GEANS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(軍用型號 ANzASN-136系統(tǒng))螺儀的主要性能指標(biāo)接近或達(dá)到國際上同類先進(jìn)陀螺儀后,使轟炸機(jī)投彈圓概率誤差和導(dǎo)彈系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)誤的水平。我國靜壓氣浮陀螺儀、靜電陀螺儀和激光陀螺差大大減小。該慣性系統(tǒng)是霍尼韋爾( Honeywell)公司中也不同程度地應(yīng)用了Be材,國產(chǎn)陀螺儀的導(dǎo)航精度用d38mm空心Be轉(zhuǎn)子制作,每個(gè)d38mm空心Be轉(zhuǎn)大幅度提升。。但在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,Be的應(yīng)用并沒子重10g。20世紀(jì)80年代,該系統(tǒng)改進(jìn)成為精密慣性有獲得推廣,可以說幾乎沒有得到應(yīng)用。目前我國慣性測量系統(tǒng) GEO/SPIN,廣泛用于海、陸、空大地器件仍普遍使用硬Al。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,Be的應(yīng)用測量0推廣問題已經(jīng)存在20~30年了,應(yīng)用水平與國外差距20世紀(jì)90年代中期,美國開始了路基戰(zhàn)略導(dǎo)彈民越拉越大,成為我國慣性導(dǎo)航技術(shù)落后于美國和前蘇聯(lián)兵Ⅲ( MinutemanⅢ)和海基戰(zhàn)略導(dǎo)彈三叉戟Ⅱ( Trident的重要原因之一。因此,我國要想獲得慣性儀器高精m)改進(jìn)項(xiàng)目,Be制慣導(dǎo)系統(tǒng)是項(xiàng)目改進(jìn)的重點(diǎn)之度,滿足縮小體積,減輕重量,適應(yīng)航天高精度慣導(dǎo)系更新后的制導(dǎo)裝置使民兵Ⅲ導(dǎo)彈精度提高,達(dá)到和平衛(wèi)統(tǒng)的要求,關(guān)鍵措施之一是使用Be材,實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航士戰(zhàn)略導(dǎo)彈的精度。圖2所示是和平衛(wèi)士導(dǎo)彈用系統(tǒng)用材從硬A向Be的轉(zhuǎn)變。Be材在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)先進(jìn)慣性參考球( Advanced Inertial Reference Sphere,中應(yīng)用的擴(kuò)大,必將推動(dòng)我國慣性導(dǎo)航技術(shù)的大幅度提AIRS),打開后展示出一個(gè)陀螺儀和加速度計(jì),該球約升,對我國航天事業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵的促進(jìn)作用耗用了9kg金屬Be-1。圖2和平衛(wèi)士導(dǎo)彈用Be制先進(jìn)慣性參考球照片63國產(chǎn)全中國煤化工B零件(b)照片sphere used in peacekeeper, AIRS opened toCNMHGshow a gyroscope and accelerometergyroscope(a)and a part of beryllium elements(b).第9-10期鐘景明等:金屬鈹?shù)膽?yīng)用進(jìn)展5712.3金屬Be在光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用F-15E等飛機(jī)上裝備的稱之為“ Lantirn”(用于夜間作戰(zhàn)拋光后的金屬Be對紅外線(10.6μm)的反射率高的低空導(dǎo)航和捕獲與跟蹤目標(biāo)的綜合系統(tǒng))的紅外光學(xué)達(dá)99%,特別適合于做光學(xué)鏡體。對于在動(dòng)態(tài)(振蕩系統(tǒng)中使用了Be,據(jù)說借助于該系統(tǒng),戰(zhàn)斗機(jī)能在漆或旋轉(zhuǎn))系統(tǒng)中工作的鏡體,要求材料具有很高的變形黑的夜間躲過敵人的雷達(dá),并以800km/h的速度能力,Be的剛性很好地滿足了這一要求,成為首選材飛行5。料。玻璃光學(xué)轉(zhuǎn)鏡的最高轉(zhuǎn)速為10×10-rpm,Be轉(zhuǎn)鏡在俄羅斯,預(yù)報(bào)地球同步軌道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的一個(gè)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到35×10-rpm以上,Be制掃描鏡的振蕩內(nèi)置大型望遠(yuǎn)鏡筒中,載有重約600kg、由多個(gè)Be鏡頻率可以在1kHz以上。另外,在幾種常用的鏡體材組成的光學(xué)成套設(shè)備。該衛(wèi)星用于導(dǎo)彈發(fā)射監(jiān)測,每7料(RBsi, Zerodur,ULE, Fused silica)中,Be成形性min對地球表面掃描一次,4星組網(wǎng)模式可以形成橫貫和機(jī)加工性最好,易制成大尺寸鏡體。近年來,隨著鏡美國東海岸至中國東部的導(dǎo)彈發(fā)射監(jiān)測21體尺寸要求越來越大,Be在精密光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用明顯增加。Be的光學(xué)應(yīng)用主要分軍用和民用兩方面。在軍事領(lǐng)域,Be最初的應(yīng)用是夜視系統(tǒng)和紅外照相機(jī),后來N在定位、預(yù)警、偵察、通訊衛(wèi)星的紅外光學(xué)系統(tǒng)、無人駕駛飛行器的光學(xué)系統(tǒng)、核爆探測器、戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)略光學(xué)系統(tǒng)和坦克射擊系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用。在這些應(yīng)用領(lǐng)域,Be往往是唯一能夠滿足性能要求的材料。Be的光學(xué)軍用市場較大,僅1990年,美國 Materion公司,就圖5OH-58D偵察直升機(jī)桅桿瞄準(zhǔn)器Be制光具座照片201完成了用于改善“西德豹”坦克性能的650個(gè)Be鏡毛坯g the mast的制作,同時(shí)接受了美國M1A2坦克用250塊和韓國的ng device on the OH-58DK-1主戰(zhàn)坦克控制系統(tǒng)用280塊Be鏡毛坯的訂貨9helicopter[ 20)圖4為坦克設(shè)計(jì)系統(tǒng)用Be鏡坯。Be也被用于F-15,F在民用領(lǐng)域,Be掃描鏡、擺鏡和轉(zhuǎn)鏡在資源和氣-16,F-22,F-35和聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)( Joint Strike象衛(wèi)星中有著廣闊的市場,在紅外天文望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用Fighter,JsF)等戰(zhàn)機(jī)上瞄準(zhǔn)艙的光學(xué)部件21。也非常普遍,這個(gè)市場也很大,如美國地球觀測衛(wèi)星( Earth observation satellite,EOS)使用了Be掃描鏡,國家海洋和大氣局先進(jìn)超高分辨率輻射計(jì)( Advanced VeryHigh Resolution Radiometer, AVHRR)使用的掃描鏡和鏡體基座均用金屬Be制作。最近,美國航空航天局(NASA)制造的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡( James Webb Space Telescope' s Mirror,JwST),它是替代哈勃( Hubble)的新一代太空望遠(yuǎn)鏡。在主鏡材料競選過程中,Be優(yōu)異的物理、機(jī)械、拋光工藝性能,特別是Be可以在低于30K的溫度下工作,圖4坦克射擊系統(tǒng)使用的Be鏡的照片使它擊敗了眾多優(yōu)選材料(與Be有競爭力的主要是Fig, 4 Photo of beryllium mirror blank used in shootingULE、 erodur),成為詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡材stem of the tank 19I料。詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡共使用了18塊對角直徑達(dá)圖5是美國陸軍OH-58D偵察直升機(jī)桅桿瞄準(zhǔn)器1.52m的六邊形Be鏡,圖6是NASA測試6塊Be鏡單Be制光具座,激光、電視和紅外傳感器都安裝在這個(gè)元的低溫性能的照片。詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的紅外照光具座上。該光具座每個(gè)質(zhì)量僅2.7kg,但剛性的Be相機(jī)光具座也由Be制作23。另外,詹姆斯韋伯太空框架有效消除了飛機(jī)馬達(dá)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng),保持了精望遠(yuǎn)鏡雖然比哈勃大,但因使用Be鏡,質(zhì)量只有6.2t,密定位,保證了傳感器很好的成像,確保了目標(biāo)探測和約是哈勃的選擇系統(tǒng)的工作可靠性。直升機(jī)靠這個(gè)光學(xué)電子系統(tǒng),ULE,質(zhì)量為1中國煤化工材料是即使在黑暗的低空飛行也能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。美國和臺灣軍隊(duì)我國Be鏡CNMH衛(wèi)星和神舟所購OH-58D型直升機(jī)中,總共用Be1260kg-。在號飛船上,截止2004年,西北稀有金屬材料研究院共572中國材料進(jìn)展第33卷形。但Be昂貴,在地面上單純作結(jié)構(gòu)件不占優(yōu)勢,主要的優(yōu)勢在航空航天領(lǐng)域。表1是1995年美國對幾種結(jié)構(gòu)材料制作某一太空零件時(shí)的軌道成本(發(fā)射成本+零件成本)的比較2),從中可以看出,雖然Be的零件成本較高,但Be零件輕,發(fā)射成本低,最終用Be制作的太空零件軌道成本比其它材料低得多。因此,且不說Be優(yōu)異的物理性能,單使用Be作為結(jié)構(gòu)部件所帶來的益處也是巨大的。另外,大多數(shù)空間結(jié)構(gòu)件工作時(shí)都處圖6NASA測試太空望遠(yuǎn)鏡6塊Be鏡單元的低溫性能的現(xiàn)場照片于壓應(yīng)力狀態(tài),對材料剛度要求高,Be的高剛度恰好滿足這一要求。Fig. 6 Photo of cryogenic properties testing in scerNASA for six beryllium mirror used in the表1幾種材料制作某一太空零件的軌道成本比較Webb Space Telescope 23)Table 1 Comparison on orbit cost of different candidate計(jì)給風(fēng)云衛(wèi)星提供了6塊Be掃描反射鏡,為資源衛(wèi)星Cost element6061 T6Al Ti6A14304ST和“神州”號飛船的研制提供了Be雙面掃描鏡7塊和Be掃描反射鏡8塊,還研制了20余套高速攝像機(jī)用平行Weight of part/1b80.5511.4平面Be轉(zhuǎn)鏡和三棱Be轉(zhuǎn)鏡供客戶使用2。2004年以后,西北稀有金屬材料研究院又為有關(guān)設(shè)計(jì)與研制機(jī)構(gòu)提供了多塊Be制掃描鏡、擺鏡和轉(zhuǎn)鏡。圖7是西北稀Total on orbit cost/$809000807500144500784500有金屬材料研究院為ZY-1衛(wèi)星制作的Be雙面掃描鏡。1960年以來,美國在多種飛行器中使用了Be制部件以獲得減重效果,在軍用飛機(jī)上應(yīng)用Be做結(jié)構(gòu)件更重要的是利用Be的剛性滿足提高飛行速度的要求。包括水星和雙子星飛船的熱屏蔽板,戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星的構(gòu)架和蒙皮,戰(zhàn)略洲際導(dǎo)彈助推器和有效載荷之間轉(zhuǎn)接殼體,軌道地球物理觀察衛(wèi)星所用的太陽能電池板的基座和基板,航天軌道飛行器駕駛艙擋風(fēng)板的構(gòu)架,處置容器的臍門,軍用飛機(jī)上的方向舵、側(cè)翼前緣、儀器支承件和閥門等2。海神號?；l(fā)射戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈頭圓錐形頂端部分轉(zhuǎn)接殼體,總計(jì)耗用金屬Be約181t(5年耗用總量)。美國新近的卡西尼土星探測器( Cassini orbit圖7西北稀有金屬材料研究院生產(chǎn)的ZY-1衛(wèi)星Beer)和火星漫游者( Mars rovers)兩個(gè)太空項(xiàng)目中為了減雙面掃描鏡的照片輕重量,也大量使用金屬Be部件。Fig 7 Photo of beryllium double-sided scaning mirror在美國,Be作為航空航天結(jié)構(gòu)件得到了普遍應(yīng)用,used in ZY-l satellite and produced by North但我國長期以來認(rèn)為Be零件價(jià)格昂貴,沒有考慮到用west Rare Metal Materials Research InstituteBe制作零件可大幅度降低發(fā)射成本,更沒有考慮到零但與國外相比,我國Be鏡在紅外光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用件減重后,可提高飛行器的有效載荷、航程半徑、飛行較少,且集中在民用領(lǐng)域,在軍事領(lǐng)域尚未獲得應(yīng)用,速度、飛行壽命,以及增加射程等等好處。因此,我國特別是在預(yù)警、定位、偵察、通訊衛(wèi)星,飛機(jī)瞄準(zhǔn)艙和沒有單純將Be用做結(jié)構(gòu)材料。坦克射擊系統(tǒng)中沒有獲得應(yīng)用,這非常不利于空間競爭2.5金屬Be在熱學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用力的提高。因此,我國必須迅速加快Be在精密光學(xué)系Be的比熱為1.926kJ/kg·K(20℃),是所有金屬統(tǒng)的應(yīng)用步伐,以大力增強(qiáng)我國空間爭奪和對抗能力。中比熱最大的,熱導(dǎo)率為216W/m·K(25℃),與質(zhì)2.4金屬Be作為飛行器結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用量相同的其它拉懸烹,惋點(diǎn)(1285℃)Be密度低,彈性模量高(303GPa),能使構(gòu)件的質(zhì)也是比較高的中國煤化工獲得了大量量/體積比達(dá)到最優(yōu)化,并保證結(jié)構(gòu)件自然頻率高,避應(yīng)用。CNMHG免共振2,同時(shí)Be剛度高,零件可以做得很薄而不變Be的熱學(xué)應(yīng)用主要分為兩類:一類是利用Be吸熱第9-10期鐘景明等:金屬鈹?shù)膽?yīng)用進(jìn)展573性好這一特點(diǎn),將Be作為輕質(zhì)、高效的吸熱材料,主醫(yī)療射線攝影裝置作為Ⅹ射線窗口材料具有壟斷性,目要包括吸熱器、熱屏蔽零件、散熱器、開關(guān)部件、火箭前還沒有那一種材料能夠替代Be,如骨Ⅹ射線照相術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴和控制推進(jìn)器、電子“黑盒”,以及宇宙飛計(jì)算機(jī)層析Ⅹ射線掃描器(CT),乳房Ⅹ射線照相術(shù)船的吸熱外蓋板等。第2類不但要求熱性能,也要能在超聲診斷監(jiān)視儀等。另一個(gè)是在工業(yè)分析設(shè)備上,如電高溫下承受一定的載荷,這類應(yīng)用引岀了熱學(xué)品級的子顯微鏡、工業(yè)Ⅹ射線探傷儀、Ⅹ光衍射、X射線熒光Be材SR-200。目前,交疊軋制的SR-200熱學(xué)級Be分析,行李的X射線檢查儀、原位分析、計(jì)數(shù)管等。薄板經(jīng)常在軍用電子和航空電子系統(tǒng)作為復(fù)動(dòng)冷源及結(jié)Be最新的商業(yè)應(yīng)用是高級揚(yáng)聲器的音響放大器構(gòu)支柱使用2-26。這源于在綜合音質(zhì)評價(jià)上,Be比鉆石和碳質(zhì)纖維還要我國金屬Be在熱學(xué)方面尚未獲得應(yīng)用,存在的問優(yōu)良。音響揚(yáng)聲器的振動(dòng)膜由Ti振膜改成Be振膜后題與Be作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí)相同高頻上限由原來的23kHz延伸至40kHz,頻率響應(yīng)也2.6金屬Be在高能物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用更平滑,這是音箱質(zhì)的提升。很多大型音響公司,如雅Be具有低密度、高強(qiáng)度、熱容量大和導(dǎo)熱性好、馬哈( Yamaha)、先鋒( Pioneer)等,早在20世紀(jì)70年無磁性、以及耐蝕性,使Be成為制作同步加速器束流代就開始使用Be制作揚(yáng)聲器振膜,但由于Be振膜制作管/窗口材料的最佳選擇。目前,世界各國著名的高復(fù)雜,很少真正投放市場。直到2003年,法國勁浪能物理學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室,加速器上的束流管/窗口幾乎全( JMLAB)與Be材料供應(yīng)廠商一起合作,才掌握了Be振部使用Be和Be-A合金,如德國電子同步加速器(Deut-膜生產(chǎn)工藝?，F(xiàn)在,Be振膜已應(yīng)用于各大音響公司旗sches Elektronen Synchrotron,DESY),歐洲核子研究中艦產(chǎn)品中,可以預(yù)計(jì)Be振動(dòng)膜是一個(gè)正在不斷擴(kuò)大的L( European Organization for Nuclear Re)大市場。型強(qiáng)子對撞機(jī)( Large Hadron Collider,LHC),美國能源航空用優(yōu)質(zhì)AI合金鑄件,常加入少量的Be,用以部布魯克海文國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( Brookhaven national labo-提高鑄件的表面光潔度、強(qiáng)度、塑性和成品率。Mg合try)相對論重離子對撞機(jī)( Relativity Heavy lon Colli-金中添加0.001%的Be,其著火溫度提高200℃-m2-yder,RHC)等在T合金中,Be是最有效的晶粒細(xì)化劑,加入0.05%北京正負(fù)電子對撞機(jī)中升級時(shí)使用了由西北稀有金(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Be,就能將Ti鑄件的晶粒度從幾百微米屬材料研究院研制的細(xì)長薄壁Be管,該管壁厚細(xì)化到幾十微米x0.6mm、長300mm,見圖8,實(shí)現(xiàn)了我國Be材在高能我國Be的商業(yè)應(yīng)用主要集中在X射線窗口上,近物理學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的突破幾年,西北稀有金屬材料硏究院開始硏制Be振動(dòng)音膜產(chǎn)品,目前正在努力推向市場。3金屬Be的應(yīng)用市場格局美國是最大的Be市場,主要是由于軍事需求對Be工業(yè)的刺激。Be作為特殊的功能和結(jié)構(gòu)材料,廣泛用于國防部的武器系統(tǒng)、能源部的戰(zhàn)略核設(shè)施以及幾種關(guān)鍵的民用設(shè)施,并為美國航空航天技術(shù)發(fā)展起到了關(guān)鍵的支撐作用23。1991年美國用于國防和航空航天領(lǐng)圖8西北稀有金屬材料研究院生產(chǎn)的用于北京正負(fù)電子對域的Be為57t2,冷戰(zhàn)結(jié)束后的十幾年里,金屬Be的撞機(jī)中譜儀的薄壁Be管照片用量大幅減少,一直維持在每年10~20t之間。近幾年Fig.8 Photo of thin-wall beryl有所回升,2010年約45t,接近冷戰(zhàn)前的水平,2011ter Ill in Beijing Electron-Positron Collider and producer年約331(由表觀消費(fèi)量計(jì)算)32)。美國 Materion公司是by Northwest Rare Metal Materials Research Institute[71世界上最大的Be綜合制造廠商,在世界Be市場上處于2.7金屬Be的商業(yè)用途壟斷地位,該公司是ER項(xiàng)目Be瓦的主要供貨商Be對X射線幾乎是完全透過的,且Be制窗口不易在前蘇聯(lián)量R都田干軍事領(lǐng)域,用損壞,故在X射線窗口/管等得到了廣泛的應(yīng)用,這是量與美國相當(dāng)中國煤化工01年俄羅斯Be最早、也是最重要的應(yīng)用市場之一。其中主要有兩JSC.TVEL公司CNMHG了前蘇聯(lián)唯個(gè)市場,一是在醫(yī)學(xué)成像診斷設(shè)備中,Be在高分辨率的金屬Be生產(chǎn)廠家烏爾巴冶金廠( Ulba metallurgical574中國材料進(jìn)展第33卷Plant,UMP)約34%的股份,烏爾巴冶金廠目前位于哈外光學(xué)系統(tǒng),特別是衛(wèi)星、戰(zhàn)機(jī)、坦克的紅外光學(xué)系統(tǒng)薩克斯坦,估計(jì)俄羅斯目前Be的應(yīng)用水平僅略次于美中應(yīng)著力推廣Be的應(yīng)用,以增強(qiáng)我國空間競爭和對抗國2。俄羅斯是IER項(xiàng)目Be瓦的供貨商之一。能力。進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)Be產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,建立健全的中國具有金屬Be的生產(chǎn)能力,但用量少,且應(yīng)用Be產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系,切實(shí)增強(qiáng)我國戰(zhàn)略金屬Be材料的自主要集中在核能、Be鏡和Ⅹ射線窗口上。西北稀有金主保障供給能力。用大約10~15年的時(shí)間使我國Be的屬材料研究院是我國唯一的Be材生產(chǎn)和研制基地,其應(yīng)用水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。產(chǎn)品主要滿足中國市場的需求,該院也是ⅣER項(xiàng)目B另外,我國急需提高科技和工業(yè)各界的設(shè)計(jì)者對金瓦的供貨商之一屬Be的認(rèn)識和接受程度。目前我國在設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用英、法、德等西歐國家和日本不具備Be的生產(chǎn)能中往往沒有考慮,或者不了解Be優(yōu)異的綜合性能可使力,但這些國家是金屬Be主要的消費(fèi)國。除了直接進(jìn)構(gòu)件性能大幅度提高收獲更多利益,而過多的考慮了口Be零件以外,這些國家金屬Be加工能力均很強(qiáng),主Be的價(jià)格。有的則認(rèn)為Be有毒,恐Be不敢用Be。實(shí)要進(jìn)口Be的半成品進(jìn)行二次加工滿足其Be市場的需際上在很多應(yīng)用領(lǐng)域,綜合考慮后Be成本是最低的求,這些Be原料大多數(shù)來自于美國。英國公司是首先而Be的毒性僅存在于制備過程的粉、塵、煙、霧狀態(tài),把Be材用于軍事用途特別是光學(xué)應(yīng)用的機(jī)構(gòu)之一,其最終使用的Be零件是無毒的。這種對Be的錯(cuò)誤認(rèn)識或中英國 Avimo公司生產(chǎn)的Be鏡在一些市場中占有強(qiáng)勢者誤解必須加以改變,提高認(rèn)識和消除誤解實(shí)現(xiàn)Be材地位,主要用于軍事車輛觀測系統(tǒng)、熱圖儀和前視紅外的推廣應(yīng)用,才能使Be釋放出巨大的潛力和發(fā)揮其獨(dú)系統(tǒng)等。與美國相比,西歐和日本的軍工部門消費(fèi)的特的作用。Be要少得多,3參考文獻(xiàn) References值得注意的是,關(guān)于金屬Be這種材料的應(yīng)用數(shù)據(jù),除美國的“部分”信息以外,其它國家的數(shù)據(jù)無從獲得。[11 Tomberlin T A. 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