La resistivitat del cable de tungstè és 5,3*10^-8. El tungstè té un alt punt de fusió, alta resistivitat, bona resistència i baixa pressió de vapor. És el millor material entre tots els metalls purs per fer filaments incandescents. No obstant això, el tungstè és dur i trencadís, cosa que dificulta el processament. Quan el corrent travessa el cable de tungstè i s'escalfa a una temperatura determinada, el valor de resistència del cable de tungstè també augmenta fins a un cert valor (generalment, el valor de resistència del cable metàl·lic augmenta a mesura que augmenta la temperatura). El 1909, Coolidge va inventar la tecnologia de processament de filaments de tungstè, que va tenir un paper decisiu en la producció i promoció de bombetes incandescents. Els seus principis bàsics encara s'utilitzen avui dia.
La major part de la producció de filferro de tungstè utilitza paratungstat d'amoni (APT) com a matèria primera. El procés general és rostir paratungstat d'amoni en triòxid de tungstè a l'aire a uns 500 graus, o reduir-lo lleugerament a òxid de tungstè blau en hidrogen a uns 450 graus. Per fer filaments de tungstè per a filaments de làmpades incandescents, s'ha de barrejar una petita quantitat d'òxid de potassi, òxid de silici i òxid d'alumini amb triòxid de tungstè o òxid de tungstè blau. L'import total dels tres no supera l'1%. Aquest és el tungstè inventat per Baz l'any 1922. Procés de dopatge de la seda. L'òxid de tungstè dopat es redueix a pols de tungstè metàl·lic amb gas hidrogen. El procés de reducció es realitza generalment en dos passos: el primer pas es redueix a diòxid de tungstè (òxid de tungstè marró) al voltant de 630 graus, i el segon pas es redueix a pols de tungstè metàl·lic al voltant de 820 graus. L'objectiu de la reducció en dos passos és permetre que el potassi incorporat exerceixi plenament el seu efecte i controlar la mida de les partícules en pols. La pols de tungstè dopada obtinguda d'aquesta manera es pressiona després en barres quadrades allargades en un motlle especial. La barra quadrada s'energitza en hidrogen i s'sinteritza mitjançant un escalfament d'auto-resistència (la temperatura arriba als 3000 graus). Després de la sinterització, la densitat de la barra de tungstè pot arribar a més del 85% del valor teòric. Aquest tipus de tira de tungstè es pot processar en varetes de tungstè amb un diàmetre d'uns 3 mm mitjançant forja rotativa, i després es pot processar en filferros de tungstè de diversos gruixos mitjançant el dibuix de matriu. Per exemple, el diàmetre del filament de tungstè utilitzat en una làmpada incandescent de 220 V i 15 W és d'uns 15 µm, mentre que el diàmetre del filament de tungstè utilitzat en una làmpada de tungstè de brom de 10000 W és d'uns 1,25 mm. Els cables de tungstè més prims, com ara els cables de tungstè de làmpades incandescents de 220 V i 10 W amb un diàmetre d'uns 12 µm, s'han de fabricar mitjançant corrosió electrolítica.
Quan el diàmetre del cable de tungstè arriba al nivell de micres, és difícil mesurar amb precisió el seu diàmetre amb pinces convencionals. Per tant, a nivell internacional, el pes del filferro de tungstè amb un diàmetre inferior a {{0}},2 mm sol expressar-se pel pes del segment de filferro tallat en una longitud de 200 mm. Per exemple, el diàmetre del cable de tungstè de la làmpada incandescent de 15 W esmentat anteriorment es pot expressar en 0,679 mg/200 mm.
Rendiment d'ús
① Rendiment a alta temperatura. La temperatura de treball del filament de tungstè utilitzat en les làmpades incandescents és sovint entre 2300 i 2800 graus. En general, com més gran sigui la potència de la bombeta, més alta serà la temperatura de treball del filament. Es pot veure que la temperatura de treball del filament supera amb escreix la temperatura de recristal·lització del filament de tungstè. En aquest moment, sota l'acció del seu propi pes, el segment de filament entre els dos ganxos caurà. En casos greus, el filament pot caure fins a xocar amb la closca de vidre de la bombeta. Per als cables de tungstè dopats que es barregen amb una petita quantitat d'òxids de potassi, silici i alumini durant el procés de metal·lúrgia en pols del tungstè, tot i que el contingut de silici i alumini al cable acabat final és només unes poques parts per milió, el contingut de el potassi és només desenes de parts per milió, però la caiguda del filament fet d'aquest filament de tungstè dopat es pot millorar molt. El motiu és que hi ha una gran diferència en l'estructura de cristall recristal·litzat del filferro de tungstè dopat i el cable de tungstè no dopat. El cristall recristal·litzat de filferro de tungstè no dopat és bàsicament un cristall equiaxial, mentre que l'estructura cristal·litzada del filferro de tungstè dopat és una llarga tira de grans gruixuts que se superposen entre si. Des de la perspectiva de la teoria de fluïdesa a alta temperatura dels materials metàl·lics, l'estructura de cristall recristal·litzada d'aquesta estructura de superposició gruixuda i llarga pot millorar considerablement la seva capacitat de resistir la caiguda a altes temperatures. Segons una sèrie d'investigacions i anàlisis de microscòpia electrònica de transmissió i espectròmetre d'energia Auger realitzades a la dècada de 1970, es va demostrar que la formació de l'estructura de cristall recristal·litzada de l'estructura de solapament gruixuda i llarga exclusiva del cable de tungstè dopat està estretament relacionada amb el contingut. del cable de tungstè dopat. El potassi està estretament relacionat. Les traces de potassi que queden a les tires de tungstè dopades formen files de bombolles de potassi paral·leles a l'eix del filferro durant el processament, cosa que dificulta el creixement lateral dels grans durant el procés de recristal·lització, formant així una estructura de superposició gruixuda i llarga.
La caiguda dels filaments de les làmpades incandescents no només està relacionada amb el contingut dels elements afegits i la tecnologia de processament del filament de tungstè dopat, sinó també amb la tecnologia de processament durant el procés de producció del filament. El cable de tungstè reté una gran quantitat de tensió interna quan s'estira en un filament acabat, i quan s'enrotlla en un filament, es generen nous esforços interns de deformació desigual a la secció transversal del fil de tungstè. Aquestes tensions internes s'han d'eliminar completament abans que el filament s'instal·li a la bombeta. En cas contrari, el filament es retorçarà, es deformarà i s'enfonsarà quan la bombeta comenci a encendre's. La caiguda del filament reduirà seriosament l'eficiència lluminosa de la bombeta.
② Rendiment a temperatura ambient. El rendiment a temperatura ambient del cable de tungstè es reflecteix en el rendiment de la bobina del cable. A causa del llarg flux de processament del filferro de tungstè, si la gestió del procés no és bona, és fàcil que el cable de tungstè produeixi moltes esquerdes petites o es torni fràgil localment, de manera que és fàcil de trencar durant l'enrotllament. La fractura del fil de bobina causada per esquerdes apareix en forma de bigotis, mentre que la fractura causada per la fragilitat del cable apareix en forma de plans de cristall.
③ La consistència del diàmetre del cable. La mala consistència del diàmetre del fil de tungstè és un motiu important per a la desviació excessiva dels paràmetres fotoelèctrics de les bombetes incandescents, i alguns també afectaran la vida útil de la bombeta.
Història del desenvolupament
El desenvolupament de la indústria del filament de tungstè ha estat estretament lligat a la indústria de les bombetes des del principi. Després de prop de 30 anys d'investigació, l'enginyer elèctric britànic Joseph Swan va fer una bombeta al buit que utilitza filaments de carboni per energitzar i emetre llum el desembre de 1878. No obstant això, aquest tipus de bombetes té greus deficiències, principalment la seva curta vida útil. L'octubre de 1879, Edison va produir amb èxit una bombeta incandescent utilitzant fibra de carboni com a filament. Gairebé 20 anys més tard (1897), el cable de carboni va ser substituït per filferro d'osmi i filferro de tàntal. Tanmateix, a causa dels punts de fusió més baixos d'Os i Ta, la temperatura de funcionament i l'eficiència de la llum eren baixes.
El 1879, Edison va experimentar amb filaments de carboni i el va utilitzar durant centenars d'hores. Tot i que el "carboni" té un punt de fusió molt alt (3550 graus), té una baixa temperatura de "sublimació". Sublima directament d'estat sòlid a gasós a baixes temperatures, de manera que es consumeix fàcilment i té una vida útil curta. I ha d'estar completament aïllat de l'aire (es cremarà a l'aire). Actualment, gairebé tots els cables de tungstè s'utilitzen amb un punt de fusió de (3410 graus). L'avantatge és que la seva velocitat de "sublimació" és menor quan és inferior al punt de fusió. Per tant, es pot escalfar a una temperatura més alta que el "filament de carboni". El filament de tungstè també es cremarà a l'aire, de manera que cal evacuar la bombeta.
Per evitar la sublimació del filament, s'injecten gasos inerts a la bombeta. Aquests gasos són principalment argó i no contenen oxigen. Els àtoms de tungstè parcialment vaporitzats poden tornar al filament per col·lisió. Tot i que el gas inert augmenta la vida útil del filament, ho fa amb un cost. La presència de gas inert a la bombeta de buit original augmenta la conducció de calor i la convecció, eliminant energia i, per tant, reduint la temperatura d'equilibri. El gas de tungstè sublimat forma partícules febles al gas inert i també forma taques negres a la superfície interna del bulb per convecció.
L'any 1903, basant-se en les patents d'A. Just i F. Hannaman, Hongria va produir per primera vegada filaments de tungstè. Escalfa el cable de carboni en el vapor d'oxihalur de tungstè que conté hidrogen lliure a una temperatura elevada a través del corrent elèctric, de manera que el carboni es substitueix completament per tungstè. El filament incandescent produït d'aquesta manera conté més o menys carboni, que no només és força trencadís, sinó que també es fa cada cop més dens quan la bombeta està en ús, de manera que els paràmetres elèctrics del filament canviaran.
El 1904, Jester i Hannamen van reconèixer l'efecte del carboni sobre la fragilitat, van barrejar un aglutinant lliure de carboni amb un compost de tungstè, el van extreure en filaments i després el van escalfar en hidrogen per reduir-lo a metall. El cable de tungstè produït per aquest mètode és molt trencadís, però com que la seva eficiència lumínica és molt millor, ha substituït el cable de carboni, el cable d'osmi i el cable de tàntal per fer bombetes.
Cap dels mètodes anteriors pot preparar filferro de tungstè fi. Per tal de resoldre aquest problema, l'any 1907 es va desenvolupar un aliatge de tungstè amb baix contingut en níquel. Es va preparar per processament mecànic, però la seva forta fragilitat en dificultava l'aplicació. No va ser fins al 1909 que WD Coolidge de General Electric Company als Estats Units va produir billets de tungstè mitjançant la metal·lúrgia de pols, i després va utilitzar el processament mecànic per produir cables de tungstè que eren dúctils a temperatura ambient, posant així les bases per a la indústria de processament de filferro de tungstè. La fundació també va establir les bases de la metal·lúrgia de pols.
Tanmateix, aquest filament de tungstè "dúctil" presenta una fragilitat important després que la bombeta s'encengui. El 1913, Pintsch va inventar el filament de tungstè toriat (contingut de ThO2 de l'1% al 2%), que va reduir molt la fragilitat dels filaments incandescents. Al principi, la caiguda del filament (vegeu el rendiment anti-caiguda del filament de tungstè) no va ser un problema, perquè el filament en aquest moment era un filament recte, però després de 1913, Langmuir va canviar el filament recte per un filament espiral, de manera que que quan la bombeta durant l'ús, l'alta temperatura de funcionament i el pes mort fan que el filament s'enfonsi, dificultant que tant el tungstè pur com el tungstè toriat compleixin els requisits d'ús.
Per tal de resoldre els problemes de la caiguda del filferro de tungstè i la curta vida útil, l'any 1917, A. Pacz va inventar un cable de tungstè que "no es deforma" a altes temperatures. Al principi, va utilitzar un gresol refractari per rostir WO3 quan es preparava tungstè pur. Va descobrir accidentalment que l'espiral de filferro de tungstè feta de pols de tungstè obtinguda mitjançant la reducció de WO3 ja no s'enfonsa misteriosament després de la recristal·lització. Posteriorment, després de 218 verificacions experimentals repetides, finalment va descobrir que el filferro de tungstè fabricat afegint silicats de potassi i sodi a l'àcid tungstic (WO3·H2O), reducció, premsat, sinterització, processament, etc., formava una quantitat considerable de filferro de tungstè després recristal·lització. L'estructura de gra gruixut no és ni suau ni flaccida. Aquest és el primer cable de tungstè sense caiguda. El descobriment de Perth va establir les bases per a la producció de filferro de tungstè sense caiguda. Fins al dia d'avui, els Estats Units encara anomenen el filferro de tungstè sense caiguda "filferro de tungstè 218" per commemorar aquest important descobriment de Perth.
Tanmateix, els primers filaments de tungstè sense caiguda produïts eren més fràgils que els filaments de tungstè toriats, de manera que alguns fabricants de bombetes van insistir a utilitzar filaments de tungstè toriats com a filaments. Tanmateix, amb el desenvolupament i la millora contínues del procés de producció de filaments de tungstè sense caiguda, la gent es va adonar gradualment que afegir compostos de K, Si i Al a l'òxid de tungstè alhora pot fer que el filament de tungstè tingui un bon rendiment anti-enfonsament. altes temperatures i, al mateix temps, després de repetir-se després de la cristal·lització, té una ductilitat satisfactòria a la temperatura ambient. Això és el que la gent sovint anomena "filferro de tungstè AKS", és a dir, "filferro de tungstè sense caiguda" o "filferro de tungstè dopat". T. Millner va anomenar aquest efecte millorat sense caiguda el 1931 "efecte GK".
