【鎢業(yè)故事】百年鎢絲 再啟征程

本文選自中國鎢業(yè)協(xié)會科普征文活動一等獎作品《百年鎢絲 再起征程》，作者為自貢硬質(zhì)合金責(zé)任有限公司成都分公司鎢絲分廠高級工程師繆兵。

將純鎢條鍛打、拉拔后制成的細(xì)絲，就是鎢絲。

鎢絲的出現(xiàn)

鎢絲的首次出現(xiàn)是用于白熾燈的燈絲。

1903年，匈牙利科學(xué)家將碳絲在含有氫的鎢的鹵氧化物蒸汽中通過電流加熱到高溫，使碳完全被鎢置換，這樣制得了鎢絲燈泡。這種方法制備的鎢燈絲脆性嚴(yán)重。

1904年，A．Just和F．Hannaman采用無碳的黏結(jié)劑與鎢的化合物混合，再擠壓成絲，然后在氫中加熱還原成金屬。這種方法制得的鎢絲非常脆，但光效要好得多，取代了碳絲、鋨絲和鉭絲用于制作燈泡。

鎢絲制備工藝

1909年，美國通用電器公司的庫利奇通過粉末冶金法制得鎢坯條，再利用機(jī)械加工生產(chǎn)出在室溫下具有延性的鎢絲，從而奠定了鎢絲加工業(yè)的基礎(chǔ)，也奠定了粉末冶金的基礎(chǔ)。然而這種“延性”鎢燈絲在燈泡點(diǎn)燃后仍然表現(xiàn)出了明顯的脆性。

1917年，柏斯發(fā)明了高溫下“不變形”的鎢絲。起初，他在制備純鎢時采用耐火坩堝焙燒WO2，無意中發(fā)現(xiàn)用這種WO2還原所得鎢粉制成的鎢絲螺旋，經(jīng)再結(jié)晶后異常神秘地不再下垂。隨后，經(jīng)過218次反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，他終于發(fā)現(xiàn)在鎢酸(WO2·H2O)中添加鉀和鈉的硅酸鹽，經(jīng)過還原、壓制、燒結(jié)、加工等制得的鎢絲，再結(jié)晶后形成相當(dāng)粗的晶粒結(jié)構(gòu)，既不軟又抗下垂，這是較早的不下垂鎢絲。柏斯的發(fā)現(xiàn)奠定了不下垂鎢絲的生產(chǎn)基礎(chǔ)，直到現(xiàn)在美國仍稱不下垂鎢絲為“218鎢絲”，以紀(jì)念柏斯的這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。 

現(xiàn)代鎢絲的生產(chǎn)工藝較百年前已經(jīng)有了更多的改進(jìn)，但基本原理并無變化，改進(jìn)的成果主要表現(xiàn)在鎢絲的耐高溫性能和力學(xué)性能得到了進(jìn)一步提升，如在鎢絲中加入0.5%～3%的釷或鈰制成鎢釷絲或鎢鈰絲可降低鎢絲逸出功、加入3%～5%的錸制備的鎢錸燈絲具有更好的防斷裂效果。

鎢絲的用途

1.作為光源王者的一百年

鎢有著高熔點(diǎn)（3410℃）和低蒸氣壓，是理想的電光源材料。自1917年不下垂鎢絲發(fā)明以來，絕大部分鎢絲都用于制作各種照明燈絲、氣體放電燈的電極、氬弧焊電極以及真空蒸鍍用的加熱子。隨著電力工業(yè)水平和人們生活水平提升，電力照明在世界各地日益普及，鎢絲作為電力照明光源也經(jīng)歷了它的高光時刻。

LED的出現(xiàn)，改變了鎢絲作為光源的王者地位。2012年美國能源部關(guān)于照明產(chǎn)品生命周期的研究資料顯示：LED燈的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)绞褂眠^程中總能耗的平均水平僅為白熾燈的1/4。

為推動節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化，2012年起，大部分國家和地區(qū)都發(fā)布了“禁白令”，逐步禁止生產(chǎn)和銷售白熾燈。至此，鎢絲退出普通照明行業(yè)。

2.鎢絲重獲新生

紡織、機(jī)械絲繩、切割線等領(lǐng)域廣泛使用微細(xì)鋼絲。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們對材料性能要求的提升，微細(xì)鋼絲難以加工更細(xì)、強(qiáng)度過低等缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來。

隨著對鎢絲進(jìn)一步的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，相對于微細(xì)鋼絲，鎢絲具有強(qiáng)度更高、可拉直徑更細(xì)，柔韌性更好等特點(diǎn)和優(yōu)勢，因此近年來逐漸被用于替代微細(xì)鋼絲。

紡織領(lǐng)域

鎢絲替代微細(xì)不銹鋼絲用于制作防切割手套，可使切割等級提高2個等級以上。比不銹鋼絲細(xì)2倍的鎢絲，強(qiáng)度可以達(dá)到不銹鋼絲的2倍以上；而且鎢絲可以加工成極細(xì)絲，細(xì)的可達(dá)3μm，可以使成品的勞保手套具有更加優(yōu)異的柔軟性，提升防護(hù)等級的同時佩戴更加舒適和靈活。在耐切割場合對勞動者的手起到高的防護(hù)的同時，也能提供具有靈活度的使用體驗(yàn)。

防切割手套

光伏行業(yè)

光伏行業(yè)的單晶硅生產(chǎn)中，絲繩需要在1000-1200℃的高溫下工作，用不銹鋼絲制作的絲繩使用壽命只有2-4次，而用鎢絲制作的絲繩可以達(dá)到40次以上，可以大幅提高設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。

目前主流企業(yè)金剛線銷售規(guī)格為35-38μm線為主，而要向35μm以下的線徑探索，則會涉及母線材料的轉(zhuǎn)換。相對而言，鎢絲具備韌性高、可加工極細(xì)、切割性能好等優(yōu)勢，細(xì)線化空間更大。光伏切割用鎢絲的替代趨勢愈發(fā)明顯。

硅片切割用金剛線結(jié)構(gòu)

醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)療領(lǐng)域，超細(xì)鎢絲已成為現(xiàn)代手術(shù)機(jī)器人所用微型機(jī)械絲繩的選擇較多的制作材料，這主要是因?yàn)殒u具有抗疲勞性和出色的抗拉強(qiáng)度。制作直徑0.5mm、19×37結(jié)構(gòu)的絲繩需要采用直徑僅0.0127mm的細(xì)絲，這種細(xì)度只有頭發(fā)的五分之一，幾乎肉眼不可見。憑借鎢的出色柔性和耐磨性，這為創(chuàng)新的外科手術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了奇跡。反之，如果此類機(jī)器人醫(yī)療器械使用不銹鋼絲繩，則它們的使用壽命就會大大縮短，而且手術(shù)失敗的可能性也會增加。

也可以用這種鎢絲繩來驅(qū)動人類手臂、肘部和手腕的運(yùn)動。由鎢絲繩來驅(qū)動外科醫(yī)生的骨骼肌肉運(yùn)動，而不是像以往一樣由醫(yī)生自己的身體來驅(qū)動，這樣機(jī)器人就可以減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，讓醫(yī)生在施行多臺手術(shù)后也不會感到疲乏和勞累。

玻璃領(lǐng)域

在寒冷地區(qū)，汽車玻璃的加熱裝置必不可少。用微細(xì)鎢絲做成加熱絲置于玻璃夾層中，由于鎢絲很細(xì)，不會阻礙視野，鎢絲膨脹系數(shù)小，通電發(fā)熱后不會造成玻璃破碎，而且發(fā)熱快，可以迅速達(dá)到除霜化雪的目的。

工業(yè)檢測領(lǐng)域

工業(yè)窺鏡可以說是無損檢測的一個分支，也可以說是專門的一個檢測技術(shù)。工業(yè)內(nèi)窺鏡主要用在航天、建筑、農(nóng)機(jī)、醫(yī)療等領(lǐng)域。工業(yè)窺鏡由于它的特殊尺寸設(shè)計(jì)，可以讓我們不破壞被檢測物體表面的前提下簡便、準(zhǔn)確地觀察物體內(nèi)部表面結(jié)構(gòu)或工作狀態(tài)。鎢絲柔性管是工業(yè)窺鏡的鎢絲外編網(wǎng)，超級抗磨損，一般直徑5.2mm左右,工作長度1200mm,帶有插入刻度，防水，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工，汽車發(fā)動機(jī)等重機(jī)械加工工業(yè)。

使用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測汽車發(fā)動機(jī)

已走過百年歷史的鎢絲，曾經(jīng)溫暖我們的家，照亮我們的路，也曾經(jīng)把我們的城市裝扮得五彩繽紛。今天，它已經(jīng)完成了自己作為光源的歷史使命，逐步淡出照明舞臺；但在紡織、光伏、醫(yī)療、玻璃等新的領(lǐng)域，它正用自己更強(qiáng)、更韌的特性,開啟新一段輝煌征程。

注：此篇內(nèi)容轉(zhuǎn)載自：中國鎢業(yè)學(xué)術(shù)期刊 （如有侵權(quán)，請及時聯(lián)系我們第一時間刪除）