【鎢業故事】百年鎢絲 再啟征程

本文選自中國鎢業協會科普征文活動一等獎作品《百年鎢絲 再起征程》，作者為自貢硬質合金責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、拉拔后制成的細絲，就是鎢絲。

鎢絲的出現

鎢絲的首次出現是用于白熾燈的燈絲。

1903年，匈牙利科學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重。

1904年，A．Just和F．Hannaman采用無碳的黏結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，再利用機械加工生產出在室溫下具有延性的鎢絲，從而奠定了鎢絲加工業的基礎，也奠定了粉末冶金的基礎。然而這種“延性”鎢燈絲在燈泡點燃后仍然表現出了明顯的脆性。

1917年，柏斯發明了高溫下“不變形”的鎢絲。起初，他在制備純鎢時采用耐火坩堝焙燒WO2，無意中發現用這種WO2還原所得鎢粉制成的鎢絲螺旋，經再結晶后異常神秘地不再下垂。隨后，經過218次反復試驗驗證，他終于發現在鎢酸(WO2·H2O)中添加鉀和鈉的硅酸鹽，經過還原、壓制、燒結、加工等制得的鎢絲，再結晶后形成相當粗的晶粒結構，既不軟又抗下垂，這是較早的不下垂鎢絲。柏斯的發現奠定了不下垂鎢絲的生產基礎，直到現在美國仍稱不下垂鎢絲為“218鎢絲”，以紀念柏斯的這項重大發現。 

現代鎢絲的生產工藝較百年前已經有了更多的改進，但基本原理并無變化，改進的成果主要表現在鎢絲的耐高溫性能和力學性能得到了進一步提升，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（3410℃）和低蒸氣壓，是理想的電光源材料。自1917年不下垂鎢絲發明以來，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歷了它的高光時刻。

LED的出現，改變了鎢絲作為光源的王者地位。2012年美國能源部關于照明產品生命周期的研究資料顯示：LED燈的生產、運輸到使用過程中總能耗的平均水平僅為白熾燈的1/4。

為推動節能減排、應對氣候變化，2012年起，大部分國家和地區都發布了“禁白令”，逐步禁止生產和銷售白熾燈。至此，鎢絲退出普通照明行業。

2.鎢絲重獲新生

紡織、機械絲繩、切割線等領域廣泛使用微細鋼絲。但隨著工業技術的發展和人們對材料性能要求的提升，微細鋼絲難以加工更細、強度過低等缺點也逐漸顯現出來。

隨著對鎢絲進一步的研究，科學家們發現，相對于微細鋼絲，鎢絲具有強度更高、可拉直徑更細，柔韌性更好等特點和優勢，因此近年來逐漸被用于替代微細鋼絲。

紡織領域

鎢絲替代微細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2倍的鎢絲，強度可以達到不銹鋼絲的2倍以上；而且鎢絲可以加工成極細絲，細的可達3μm，可以使成品的勞保手套具有更加優異的柔軟性，提升防護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的同時，也能提供具有靈活度的使用體驗。

防切割手套

光伏行業

光伏行業的單晶硅生產中，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到40次以上，可以大幅提高設備利用率和產品質量，降低產品成本。

目前主流企業金剛線銷售規格為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換。相對而言，鎢絲具備韌性高、可加工極細、切割性能好等優勢，細線化空間更大。光伏切割用鎢絲的替代趨勢愈發明顯。

硅片切割用金剛線結構

醫療領域

醫療領域，超細鎢絲已成為現代手術機器人所用微型機械絲繩的選擇較多的制作材料，這主要是因為鎢具有抗疲勞性和出色的抗拉強度。制作直徑0.5mm、19×37結構的絲繩需要采用直徑僅0.0127mm的細絲，這種細度只有頭發的五分之一，幾乎肉眼不可見。憑借鎢的出色柔性和耐磨性，這為創新的外科手術應用創造了奇跡。反之，如果此類機器人醫療器械使用不銹鋼絲繩，則它們的使用壽命就會大大縮短，而且手術失敗的可能性也會增加。

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

玻璃領域

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

工業檢測領域

工業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。工業內窺鏡主要用在航天、建筑、農機、醫療等領域。工業窺鏡由于它的特殊尺寸設計，可以讓我們不破壞被檢測物體表面的前提下簡便、準確地觀察物體內部表面結構或工作狀態。鎢絲柔性管是工業窺鏡的鎢絲外編網，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，可廣泛應用于機械加工，汽車發動機等重機械加工工業。

使用工業內窺鏡檢測汽車發動機

已走過百年歷史的鎢絲，曾經溫暖我們的家，照亮我們的路，也曾經把我們的城市裝扮得五彩繽紛。今天，它已經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、醫療、玻璃等新的領域，它正用自己更強、更韌的特性,開啟新一段輝煌征程。

注：此篇內容轉載自：中國鎢業學術期刊 （如有侵權，請及時聯系我們第一時間刪除）