鈹：高科技舞臺上的新星

蘇更林

近期，我國可控核聚變研究不斷取得突破。2017年7月5日，全超導托卡馬克裝置“東方超環”（EAST）在全球率先實現上百秒的穩態長脈沖高約束等離體運行，即穩定“燃燒”了超過100秒。而我國科學家自主研發的“第一壁”，也把鈹推向了公眾視野。

沉睡在綠柱石里的寶貝

鈹為一種鋼灰色的稀有金屬，在元素周期表中排行第四，是最輕的堿土金屬元素。說到鈹不能不提綠柱石，人們把鈹元素稱為沉睡在綠柱石中的“寶貝”。

一般的綠柱石和普通的石頭沒什么兩樣，其中罕有的色澤美麗者則是珍貴的寶石，如祖母綠、海藍寶石等。現在我們知道綠柱石的成分為鈹鋁硅酸鹽，可在鈹元素發現之前，人們只知道其成分為硅酸鋁。

1798年，法國化學家沃克蘭通過分析發現，綠柱石和祖母綠這兩種外觀差別巨大的石頭具有幾乎完全相同的化學成分，除了含有已知的元素鋁、硅、氧之外，還含有一種新的未知元素。沃克蘭把這種元素命名為Glucinium（來源于希臘文glykys，是甜的意思，據說是有人嘗了含有這種新元素的化合物粉末，感覺是甜的）。后來，德國化學家維勒還原出了單質鈹，并將其命名為Beryllium，來源于綠柱石的英文名稱beryl。

鈹的發現無疑是金屬鈹開發利用史上的一個標志性事件，但是金屬鈹的提取并不是一帆風順的。鈹元素被發現30年之后的1828年，維勒等人才各自獨立地用金屬鉀還原氯化鈹制得單質鈹，而且第一塊金屬鈹的純度并不高。1898年，電解法首次被應用于金屬鈹的制備。1932年，世界上第一個工業化生產鈹的工藝裝備投產，從而開創了金屬鈹應用的新紀元。

20世紀40年代初期，人們開始認識到鈹及其化合物對人體的危害。鈹及其化合物的粉塵、煙霧能引起人體很多器官的急性或慢性中毒，并且氧化鈹、氟化鈹、氯化鈹、硫化鈹、硝酸鈹等化合物的毒性比金屬鈹的毒性更大。

鈹青銅傳奇

金屬鈹一個重要的應用方向就是合金制造。我們知道，青銅要比鋼鐵軟得多，彈性也不大，抗腐蝕能力也不強。但是，在青銅中加進少許鈹后，其性能就發生了巨大變化。人們一般把含鈹1%～3.5%的青銅叫作鈹青銅。鈹青銅的機械性能比鋼還要好，并且硬度和彈性也提高了，抗腐蝕性也加強了許多，同時還保持了其良好的導電性。

由于鈹青銅具有許多優異的性能，所以在許多領域都具有廣泛的應用。比如，鈹青銅常被用來制作深海探測器和海底電纜，也可用來制作精密儀器零部件、高速軸承、耐磨齒輪、焊接電極以及手表游絲等。在電子儀表工業中，鈹青銅還可用作開關、簧片、接觸件、觸點、膜盒、膜片、波紋管等彈性元件。在民航客機上，多用鈹青銅來制造軸承，其具有耐蝕、耐磨、強度高等特點，使用壽命也提高了4倍以上。用鈹青銅來制作電力機車的輸電線，可以進一步提高其導電性能。用鈹青銅制成的彈簧，據說可以壓縮幾億次以上。

含鎳的鈹青銅還擁有一個十分可貴的品質，那就是在受撞擊時不產生火花，故在石油和炸藥等行業十分有用。同時，含鎳的鈹青銅也不會被磁鐵磁化，所以又是制造防磁零件的好材料。

宇航材料中的一張“王牌”

我們知道，降低航天器的體重可以節約發射費用。鈹作為一種重要的輕金屬，其密度要比鋁小許多，而強度比鋼還大。因此，鈹是一種極其重要的宇航材料，兼具鈹和鋁各自優勢的鈹鋁系列合金，被廣泛用作空間飛行器的結構材料，如人造衛星以及宇宙飛船的基架、梁柱和固定桁梁等。

含鈹合金還是制造飛機的優質材料，像方向舵和機翼箱等關鍵部件都可以找到鈹的身影。據悉，在一架現代化的大型飛機上，大約有1000多個零部件都是用鈹合金制造的。

在金屬王國中，鈹的熱學性能很好，并具有高熔點、高比熱、高熱導率和適宜的熱膨脹率等優異性能。如用鈹來為超音速飛機制造制動裝置，則具有非常好的吸熱和散熱的性能。用鈹來為人造衛星和宇宙飛船制作“防熱外套”，則可以保證它們在穿越大氣層時溫度上升不會過高，從而保障航天器的飛行安全。同時，金屬鈹還是制造慣性導航系統的關鍵材料，對提高導彈、飛機、潛艇等的導航精度具有重要的意義。由于鈹對紅外光具有良好的反射性，因此還被應用于空間光學系統。

“原子鍋爐”里的“多面手”

“原子鍋爐”是原子核反應堆的俗稱，是核電站的核心裝備。在“原子鍋爐”內，燃燒的燃料不是煤，而是核燃料——鈾235。核燃料的燃燒實質上就是核的裂變反應，從而釋放出大量的能量。然而，核的裂變反應需要用“中子炮彈”去轟擊原子核，使原子核發生分裂。而鈹就是一種能夠高效率提供“中子炮彈”的“中子源”。

當鈾235的原子核受到“中子炮彈”的轟擊時，一個原子核會吸收一個中子而分裂成兩個質量較小的原子核，同時釋放出兩三個中子。這些裂變產生的中子又會去轟擊其他的鈾235原子核，從而引起新的裂變。由于新中子的速度非常之快，只有讓這類快中子放慢“腳步”之后，才能使核裂變不斷地延續下去。鈹對中子具有很強的“制動”作用，因此是“原子鍋爐”內極佳的中子減速劑。

鈹在原子能工業中還有一個重要角色，那就是用作原子反應堆的反射劑。原來，為了防止“原子鍋爐”內的中子向外逃逸，需要在“原子鍋爐”的內壁設置可靠的中子屏蔽層。鈹的氧化物熔點高達2450℃，耐高溫性能非常好，而且還能像鏡子反射光線一樣把中子反射回去。因此，鈹的氧化物是制造中子反射層的優質材料。

為“人造太陽”建“居室”

在全球能源緊張的背景下，被譽為“人造太陽”的熱核聚變工程正在緊鑼密鼓地進行。然而，如何打造一個堅不可摧的“反應艙”始終是最大的難題。最近，我國科學家自主研發制造出“人造太陽第一壁”。

“第一壁”采用的材料看上去就像“三明治”一樣，在反應堆內直接面對高溫聚變材料的是經過特殊處理的高純度鈹。在高純度鈹的外面依次為銅合金和不銹鋼，它們與高純度鈹經過特殊的加工工藝已經成為了一個有機的整體，因此具有非凡的隔熱防護效果。

要知道，“人造太陽”的工作溫度有上億度，要為其制造一個堅固“容器”，簡直比登天還難！我國科學家用特殊的方法打造“第一壁”的特殊結構，從而抵御了“人造太陽”裝置內部上億度的高溫環境，為熱核聚變實驗反應堆筑起了一道堅固的“防火墻”。

擦亮X射線管的“眼睛”

金屬鈹還有一個絕活，那就是對X射線是“透明”的，因此被譽為“金屬玻璃”。也就是說，金屬鈹透過X射線的本領十分強大，這一點在X 射線管上能派上大用場。

所謂X 射線管，實際上就是一個X 射線的發生器件。X射線管主要由三個部分組成，一是陰極（電子槍），這是產生電子并將電子束聚焦放出自由電子的部分；二是陽極（金屬靶），這是發射X射線的部分；三是窗口，這是X射線的輸出通道。X射線管的工作原理為，在真空條件下，用高速運動的電子去轟擊金屬靶，從而發射出X射線來。然后用輸出的X射線，進行分析、診斷和治療等應用。

你可別小看這個X射線管輸出的窗口，它對材料的要求可是很高的，既要滿足一定的強度要求，以維持管內的高真空；同時還要滿足對X射線的吸收要小，以保證X射線的強度。因此，鈹是制造X射線管“窗口”的絕好材料。endprint