白炽灯“下岗”,钨会“失业”吗

2020-09-30 05:08:00 百科知识杂志

在人们的印象里,钨是与灯泡灯丝联系在一起的。正是“钨丝文明”,把人类带进了电气照明的新时代。如今白炽灯“下岗”了,那钨是不是该“失业”了呢?

灯丝应用,“我的地盘我做主”

1879年,爱迪生发明了白炽灯,但美中不足的是,灯丝发光效率不高,寿命也不长。原来,第一个取得商业化应用的白炽灯采用的是碳化纤维灯丝,在电流的作用下仅能持续燃烧14小时。选择高电阻的耐热材料来充当灯丝材料是当时的研究方向。为了延长灯丝的使用寿命,爱迪生费尽周折。他用18个月做了1200次实验,测试了6000多种纤维材料,找到一种可燃烧1200小时的碳化竹纤维灯丝。

寻找合适灯丝材料的竞赛还在进行,目标是让电灯更明亮、更耐久。柯立芝就是探索队伍中的一员,1911年,他发明的钨丝灯照亮了世界。

柯立芝是在元素周期表中寻找突破口的,钨不是他的第一个目标,不过很快他就锁定了钨。由于钨极耐高温(熔点3422℃),并且具有极低的蒸气压,因此可以提高灯泡的亮度和寿命。不过,要把纯钨制成灯丝并不是一件容易的事。按照惯例,要制成金属丝需要把金属加热软化后再拉制。可是拉制钨丝就没有那么简单了,钨本身是一种坚硬易碎的金属,并且一般工具都难以存在于软化钨的温度条件下。

柯立芝采用钨粉冶金和加入掺杂剂的方法,成功驯服了这个“叛逆”的金属。他先把钨金属粉末压制、烧结并锻造成细棒,然后再用这些棒拉出纤细的韧性钨丝,并赋予了灯丝在白热温度下(1200℃~1500℃)不下垂的特性。

如今,即便白炽灯已经下岗了,但钨丝仍是照明、电子等行业的关键材料。像碘钨灯、投影仪、泛光灯、汽车灯、反射灯以及医疗设备和光纤系统等仍在使用钨丝材料。

硬质合金,用“牙齿”说话

硬质合金以硬见长,具有高韧性、高强度、高硬度的特点。说到钨基硬质合金,不能不说碳化钨。那可是一种硬度极高的钨碳化合物,几乎像钻石一样坚硬。圆珠笔笔尖上的球珠,最初是由不锈钢制成的,从1961年开始改用碳化钨制作。

单一的碳化钨材料脆性大、韧性低,所以往往通过加入黏结剂金属(铁、镍、钴等)来改善合金的性能。硬质合金的制造,一般是先制得钨粉,再通过与炭黑混合、碳化等工序制成碳化钨。然后以碳化钨为硬质相,钴等为黏结相,经一系列工艺制得硬质合金。按照含钴量的不同,硬质合金可分为高钴(20%~30%)、中钴(10%~15%)和低钴(3%~8%)三类。

被誉为“工业牙齿”的钨基硬质合金,一直是钨的最大消费领域。它主要应用于切削工具、冲压工具、模具、采矿机械和筑路工程机械等领域。

特种钨钢,“量力求才”是王道

钨作为最重要的合金元素,极大地促进了特种钢的发展。钨特钢具有良好的耐高温力学性能,被广泛应用于航天、航空、电子、电力、冶金、机械、体育器材等行业。

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢。高速钢中添加的金属元素一般是钨、钼、铬、钴、钒等,其中含钨9%~24%。高速钢也称空气硬化钢,淬火时在空气中冷却也能使其硬化。

含有钨、钴和铬的合金具有优异的耐磨性能,可应用于轴承、活塞等耐磨场合。含有钨、铜或者含有钨、银的合金,具有耐高温、强度高、耐电弧烧蚀、导电好、导热好的特性,可应用于高压开关、断路器、点焊电极以及微电子材料等。

在钨合金中加入铼可以提高钨的高温性能,并具有良好的耐磨性和焊接性,可作为空间站的核反应堆材料。某些含钨合金还可用作火箭发动机的喷嘴挡板,其燃烧温度可达3400℃以上。

钨重合金,密度才是“砝码”

钨不但硬度很高,而且密度也很高,是生产钨基高密度合金的理想材料。所谓钨基高密度合金,是以钨为基体(含钨85%~99%)加入少量镍、铁、铜、钴、钼、铬等元素组成的合金,密度可达16.5~19.0克每立方厘米。

高密度钨合金在医学上可用作辐射屏蔽材料,因此是保证人们免受辐射危害的新型材料。金属材料吸收X射线及γ射线的能力与其密度大小成正比。之前多选用铅作为医用防辐射材料,其密度大约为11.3克每立方厘米。高密度钨合金的密度要比铅高出许多,意味着具有更高的吸收和阻挡射线的能力。

不同元素组成的钨基高密度合金具有不同的密度,可用作电动机的减震器、手机的振动器、某些工具的振动阻尼块、自动手表的摆锤、加速传感器的惯性质量块等。

看过飞镖比赛的朋友是否想过,飞镖是用什么材料制成的?在飞镖专业比赛中,飞镖主体部分就是用钨基高密度合金材料制造的。这种材质的飞镖具有密度大、体积小、耐腐蚀、抗氧化等优点。

在航空航天工业中,钨基高密度合金可用作平衡块、减震器和升降控制器等。如卫星、火箭、导弹、飞机等的导航陀螺仪的外缘转子就是用钨基高密度合金制作的,可以提高陀螺仪的稳定性和控制精度。

为了芯片,钨元素在行动

制造芯片离不开超高纯溅射靶材。溅射靶材体量虽小,但却是制备太阳能板、半导体、平板显示器的核心材料之一。溅射靶材的作用就是给半导体穿一层“衣服”(镀膜),不过这不是为了保护,而是为了导电。集成电路领域的溅射靶材纯度要求在99.999%以上。

溅射靶材的种类很多,可以依据不同的标准进行分类。其中,钨溅射靶材按照化学成分不同可分为纯钨溅射靶材、钨合金溅射靶材和氧化钨溅射靶材。

电子特种气体是制造大规模集成电路的关键材料,一向被称作电子工业的“血液”,具有不可替代的作用。我国研制的高纯六氟化钨就属于电子特种气体,并打破了国外长达十几年的垄断。在钨的氟化物中,六氟化钨是唯一稳定并被工业化生产的品种。在电子工业中,六氟化钨可作为金属钨化学气相沉积(CVD)工艺的原材料,特别是用它制成的硅化钨可用作大规模集成电路的配线材料。此外,六氟化钨还被广泛用作氟化剂、聚合催化剂及光学材料的原料等。

我国是钨资源第一大国,储量占全球总量的58%。赣南是中国钨业的发祥地,被誉为“世界钨都”,是我国乃至全球钨的主产区。现在,钨产品已被广泛应用于机械制造、钢铁工业、航空航天、采油开矿和信息产业等诸多领域,是一种不可替代的重要战略资源。

本文节选自《百科知识》2020.09A

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