Resistivitas kawat tungsten adalah 5,3*10^-8. Tungsten memiliki titik leleh yang tinggi, resistivitas yang tinggi, kekuatan yang baik, dan tekanan uap yang rendah. Ini adalah bahan terbaik di antara semua logam murni untuk membuat filamen pijar. Namun tungsten bersifat keras dan rapuh sehingga sulit untuk diproses. Ketika arus melewati kawat tungsten dan dipanaskan sampai suhu tertentu, nilai resistansi kawat tungsten juga meningkat hingga nilai tertentu (umumnya nilai resistansi kawat logam meningkat seiring dengan meningkatnya suhu). Pada tahun 1909, Coolidge menemukan teknologi pemrosesan filamen tungsten, yang memainkan peran penting dalam produksi dan promosi bola lampu pijar. Prinsip dasarnya masih digunakan sampai sekarang.
Sebagian besar produksi kawat tungsten menggunakan bahan baku ammonium paratungstate (APT). Proses umumnya adalah memanggang amonium paratungstat menjadi tungsten trioksida di udara pada suhu sekitar 500 derajat, atau sedikit mereduksinya menjadi oksida tungsten biru dalam hidrogen pada suhu sekitar 450 derajat. Untuk membuat filamen tungsten untuk filamen lampu pijar, sejumlah kecil kalium oksida, silikon oksida, dan aluminium oksida harus dicampur dengan tungsten trioksida atau tungsten oksida biru. Jumlah total ketiganya tidak melebihi 1%. Ini adalah tungsten yang ditemukan oleh Baz pada tahun 1922. Proses doping sutra. Tungsten oksida yang diolah direduksi menjadi bubuk tungsten metalik dengan gas hidrogen. Proses reduksi umumnya dilakukan dalam dua langkah: langkah pertama direduksi menjadi tungsten dioksida (tungsten oksida coklat) pada suhu sekitar 630 derajat, dan langkah kedua direduksi menjadi bubuk logam tungsten pada suhu sekitar 820 derajat. Tujuan dari reduksi dua langkah adalah untuk memungkinkan kalium yang tergabung memberikan efeknya sepenuhnya dan untuk mengontrol ukuran partikel bubuk. Bubuk tungsten yang didoping yang diperoleh dengan cara ini kemudian ditekan menjadi batangan persegi memanjang dalam cetakan khusus. Batang persegi diberi energi dalam hidrogen dan disinter menggunakan pemanasan tahan sendiri (suhu mencapai sekitar 3000 derajat). Setelah sintering, kepadatan batang tungsten bisa mencapai lebih dari 85% dari nilai teoritis. Strip tungsten jenis ini dapat diolah menjadi batang tungsten dengan diameter sekitar 3mm dengan cara penempaan putar, dan kemudian diproses lebih lanjut menjadi kabel tungsten dengan berbagai ketebalan dengan cara die drawing. Misalnya, diameter filamen tungsten yang digunakan pada lampu pijar 220V, 15W adalah sekitar 15µm, sedangkan diameter filamen tungsten yang digunakan pada lampu tungsten bromin 10000W adalah sekitar 1,25 mm. Kabel tungsten yang lebih tipis, seperti kabel tungsten lampu pijar 220V, 10W dengan diameter sekitar 12µm, harus dibuat dengan korosi elektrolitik.
Ketika diameter kawat tungsten mencapai tingkat mikron, sulit untuk mengukur diameternya secara akurat menggunakan jangka sorong konvensional. Oleh karena itu, secara internasional, berat kawat tungsten dengan diameter kurang dari {{0}}.2 mm biasanya dinyatakan dengan berat segmen kawat yang dipotong sepanjang 200 mm. Misalnya, diameter kawat tungsten lampu pijar 15W yang disebutkan di atas dapat dinyatakan dengan 0,679mg/200mm.
Kinerja penggunaan
①Kinerja suhu tinggi. Suhu kerja filamen tungsten yang digunakan pada lampu pijar seringkali antara 2300 dan 2800 derajat. Umumnya, semakin besar daya bohlam, semakin tinggi suhu kerja filamennya. Terlihat bahwa temperatur kerja filamen jauh melebihi temperatur rekristalisasi filamen tungsten. Pada saat ini, karena pengaruh beratnya sendiri, ruas filamen di antara kedua pengait akan terkulai. Dalam kasus yang parah, filamen bisa terkulai hingga bertabrakan dengan cangkang kaca bohlam. Untuk kawat tungsten yang diolah yang dicampur dengan sejumlah kecil kalium, silikon, dan aluminium oksida selama proses metalurgi serbuk tungsten, meskipun kandungan silikon dan aluminium pada kawat akhir hanya beberapa bagian per juta, kandungannya potasium hanya puluhan bagian per juta, tetapi penurunan filamen yang terbuat dari filamen tungsten yang didoping ini dapat ditingkatkan secara signifikan. Alasannya adalah terdapat perbedaan besar pada struktur kristal rekristalisasi kawat tungsten yang didoping dan kawat tungsten yang tidak didoping. Kristal rekristalisasi dari kawat tungsten yang tidak didoping pada dasarnya adalah kristal yang sama sumbunya, sedangkan struktur kristal yang direkristalisasi dari kawat tungsten yang didoping adalah potongan panjang butiran kasar yang saling tumpang tindih. Dari perspektif teori mulur suhu tinggi bahan logam, struktur kristal rekristalisasi dari struktur tumpang tindih yang tebal dan panjang ini dapat sangat meningkatkan kemampuannya untuk menahan kendur pada suhu tinggi. Menurut serangkaian penelitian dan analisis mikroskop elektron transmisi dan spektrometer energi Auger yang dilakukan pada tahun 1970-an, ditunjukkan bahwa pembentukan struktur kristal rekristalisasi dari struktur tumpang tindih tebal dan panjang yang unik pada kawat tungsten yang didoping berkaitan erat dengan kandungannya. dari kawat tungsten yang diolah. Kalium berkaitan erat. Sejumlah kecil kalium yang tersisa dalam strip tungsten yang diolah membentuk baris gelembung kalium yang sejajar dengan sumbu kawat selama pemrosesan, yang menghambat pertumbuhan lateral butiran selama proses rekristalisasi, sehingga membentuk struktur tumpang tindih yang tebal dan panjang.
Kendurnya filamen lampu pijar tidak hanya terkait dengan kandungan elemen tambahan dan teknologi pemrosesan pada filamen tungsten yang diolah, tetapi juga karena teknologi pemrosesan selama proses produksi filamen. Kawat tungsten menahan sejumlah besar tegangan internal ketika ditarik ke dalam filamen jadi, dan ketika dililitkan ke dalam filamen, tegangan internal baru dengan deformasi yang tidak merata dihasilkan pada penampang kawat tungsten. Tekanan internal ini harus dihilangkan sepenuhnya sebelum filamen dipasang ke dalam bohlam. Jika tidak, filamen akan terpelintir, berubah bentuk, dan melorot saat bohlam mulai menyala. Filamen yang kendur akan sangat mengurangi efisiensi cahaya bohlam.
② Kinerja suhu ruangan. Kinerja kawat tungsten pada suhu ruangan tercermin dalam kinerja lilitan kawat. Karena aliran pemrosesan kawat tungsten yang panjang, jika manajemen proses tidak baik, kawat tungsten mudah menghasilkan banyak retakan kecil atau menjadi rapuh secara lokal, sehingga mudah putus selama penggulungan. Patahnya kawat lilitan akibat retakan tampak dalam bentuk kumis, sedangkan patahan akibat kerapuhan kawat tampak dalam bentuk bidang kristal.
③Konsistensi diameter kawat. Konsistensi diameter kawat tungsten yang buruk merupakan alasan penting terjadinya penyimpangan berlebihan pada parameter fotolistrik lampu pijar, dan beberapa juga akan mempengaruhi masa pakai bohlam.
Sejarah Perkembangan
Perkembangan industri filamen tungsten sejak awal terkait erat dengan industri bola lampu. Setelah hampir 30 tahun melakukan penelitian, insinyur listrik Inggris Joseph Swan membuat bola lampu vakum yang menggunakan filamen karbon untuk memberi energi dan memancarkan cahaya pada bulan Desember 1878. Namun, bola lampu jenis ini memiliki kekurangan yang serius, terutama umurnya yang pendek. Pada bulan Oktober 1879, Edison berhasil memproduksi bola lampu pijar dengan menggunakan serat karbon sebagai filamennya. Hampir 20 tahun kemudian (1897), kawat karbon digantikan oleh kawat osmium dan kawat tantalum. Namun, karena titik leleh Os dan Ta yang lebih rendah, suhu pengoperasian dan efisiensi cahaya menjadi rendah.
Pada tahun 1879, Edison bereksperimen dengan filamen karbon dan menggunakannya selama ratusan jam. Meskipun "karbon" memiliki titik leleh yang sangat tinggi (3550 derajat), ia memiliki suhu "sublimasi" yang rendah. Ia langsung menyublim dari padat menjadi gas pada suhu rendah, sehingga mudah dikonsumsi dan memiliki masa pakai yang singkat. Dan itu harus benar-benar terisolasi dari udara (akan terbakar di udara). Saat ini, hampir semua kabel tungsten dengan titik leleh (3410 derajat) digunakan. Keuntungannya adalah laju "sublimasi" lebih rendah bila lebih rendah dari titik lelehnya. Oleh karena itu, dapat dipanaskan hingga suhu yang lebih tinggi daripada "filamen karbon". Filamen tungsten juga akan terbakar di udara, sehingga bohlam perlu dievakuasi.
Untuk menghindari sublimasi filamen, gas inert disuntikkan ke dalam bohlam. Gas-gas ini sebagian besar adalah argon dan tidak mengandung oksigen. Atom tungsten yang menguap sebagian dapat kembali ke filamen melalui tumbukan. Meskipun gas inert meningkatkan masa pakai filamen, hal ini memerlukan biaya. Kehadiran gas inert dalam bola vakum asli meningkatkan konduksi panas dan konveksi, menghilangkan energi dan dengan demikian menurunkan suhu kesetimbangan. Gas tungsten yang disublimasikan membentuk partikel lemah dalam gas inert dan juga membentuk bintik hitam di permukaan bagian dalam bohlam melalui konveksi.
Pada tahun 1903, berdasarkan paten A. Just dan F. Hannaman, Hongaria memproduksi filamen tungsten untuk pertama kalinya. Ini memanaskan kawat karbon dalam uap tungsten oksihalida yang mengandung hidrogen bebas ke suhu tinggi melalui arus listrik, sehingga karbon sepenuhnya digantikan oleh tungsten. Filamen pijar yang dihasilkan dengan cara ini mengandung lebih banyak atau lebih sedikit karbon, yang tidak hanya cukup rapuh, tetapi juga menjadi semakin padat saat bohlam digunakan, sehingga parameter kelistrikan filamen akan berubah.
Pada tahun 1904, Jester dan Hannamen mengenali pengaruh karbon terhadap kerapuhan, mencampurkan pengikat bebas karbon dengan senyawa tungsten, mengekstrusinya menjadi filamen, dan kemudian memanaskannya dalam hidrogen untuk mereduksinya menjadi logam. Kawat tungsten yang dihasilkan dengan metode ini sangat rapuh, namun karena efisiensi cahayanya jauh lebih baik, kawat tersebut menggantikan kawat karbon, kawat osmium, dan kawat tantalum untuk pembuatan bola lampu.
Tak satu pun dari metode di atas dapat membuat kawat tungsten halus. Untuk mengatasi masalah ini, paduan tungsten dengan kandungan nikel rendah dikembangkan pada tahun 1907. Paduan ini dibuat dengan proses mekanis, namun kerapuhannya yang parah menghalangi penerapannya. Baru pada tahun 1909 WD Coolidge dari General Electric Company di Amerika Serikat memproduksi billet tungsten melalui metalurgi serbuk, dan kemudian menggunakan pemrosesan mekanis untuk menghasilkan kabel tungsten yang ulet pada suhu kamar, sehingga meletakkan dasar bagi industri pemrosesan kawat tungsten. Fondasinya juga meletakkan dasar bagi metalurgi serbuk.
Namun, filamen tungsten yang "ulet" ini menunjukkan kerapuhan yang signifikan setelah bohlam dinyalakan. Pada tahun 1913, Pintsch menemukan filamen tungsten thoriated (kandungan ThO2 1% hingga 2%), yang sangat mengurangi kerapuhan filamen pijar. Pada awalnya kendurnya filamen (lihat kinerja anti melorotnya filamen tungsten) tidak menjadi masalah, karena filamen saat ini adalah filamen lurus, tetapi setelah tahun 1913, Langmuir mengubah filamen lurus menjadi filamen spiral, sehingga bahwa ketika bola lampu Selama penggunaan, suhu pengoperasian yang tinggi dan bobot mati menyebabkan filamen melorot, sehingga menyulitkan tungsten murni dan tungsten thoriated untuk memenuhi persyaratan penggunaan.
Untuk mengatasi masalah kendurnya kawat tungsten dan umur pendeknya, pada tahun 1917, A. Pacz menemukan kawat tungsten yang "tidak berubah bentuk" pada suhu tinggi. Awalnya, dia menggunakan wadah tahan api untuk memanggang WO3 saat menyiapkan tungsten murni. Dia secara tidak sengaja menemukan bahwa spiral kawat tungsten yang terbuat dari bubuk tungsten yang diperoleh dengan mereduksi WO3 secara misterius tidak lagi melorot setelah rekristalisasi. Selanjutnya, setelah 218 verifikasi eksperimental berulang kali, ia akhirnya menemukan bahwa kawat tungsten yang dibuat dengan menambahkan kalium dan natrium silikat ke asam tungstat (WO3·H2O), reduksi, pengepresan, sintering, pemrosesan, dll., membentuk sejumlah besar kawat tungsten setelahnya. rekristalisasi. Struktur butiran kasarnya tidak lunak dan tidak kendur. Ini adalah kawat tungsten non-sag yang paling awal. Penemuan Perth meletakkan dasar bagi produksi kawat tungsten yang tidak melorot. Hingga saat ini, Amerika Serikat masih menyebut kawat tungsten non-sag sebagai "kawat tungsten 218" untuk memperingati penemuan penting Perth ini.
Namun, filamen tungsten non-sag paling awal yang diproduksi lebih rapuh dibandingkan filamen tungsten thoriated, sehingga beberapa produsen bola lampu bersikeras menggunakan filamen tungsten thoriated sebagai filamen. Namun, dengan pengembangan dan peningkatan berkelanjutan dari proses produksi filamen tungsten non-sag, orang secara bertahap menyadari bahwa menambahkan senyawa K, Si, dan Al ke tungsten oksida pada saat yang sama dapat membuat filamen tungsten memiliki kinerja anti-sag yang baik di suhu tinggi, dan pada saat yang sama, setelah berulang kali Setelah kristalisasi, ia memiliki keuletan suhu kamar yang memuaskan. Inilah yang sering disebut orang sebagai "kawat tungsten AKS", yaitu "kawat tungsten tidak melorot" atau "kawat tungsten doped". T. Millner menyebut peningkatan efek non-sag pada tahun 1931 ini sebagai "efek GK".
