Съпротивлението на волфрамовия проводник е 5,3*10^-8. Волфрамът има висока точка на топене, високо съпротивление, добра якост и ниско налягане на парите. Това е най-добрият материал сред всички чисти метали за направата на нишки с нажежаема жичка. Волфрамът обаче е твърд и чуплив, което го прави труден за обработка. Когато токът преминава през волфрамовия проводник и се нагрява до определена температура, стойността на съпротивлението на волфрамовия проводник също се увеличава до определена стойност (обикновено стойността на съпротивлението на металния проводник се увеличава с повишаване на температурата). През 1909 г. Кулидж изобретява технологията за обработка на волфрамова жичка, която играе решаваща роля в производството и популяризирането на крушки с нажежаема жичка. Неговите основни принципи се използват и до днес.
По-голямата част от производството на волфрамова тел използва амониев параволфрамат (APT) като суровина. Общият процес е да се изпече амониев параволфрамат във волфрамов триоксид на въздух при около 500 градуса или леко да се редуцира до син волфрамов оксид във водород при около 450 градуса. За да се направи волфрамова жичка за нажежаема жичка, малко количество калиев оксид, силициев оксид и алуминиев оксид трябва да се смесят с волфрамов триоксид или син волфрамов оксид. Общият размер на тримата не надхвърля 1%. Това е волфрамът, изобретен от Баз през 1922 г. Процес на легиране на коприна. Легираният волфрамов оксид се редуцира до метален волфрамов прах с водороден газ. Процесът на редукция обикновено се извършва в две стъпки: първата стъпка се редуцира до волфрамов диоксид (кафяв волфрамов оксид) при около 630 градуса, а втората стъпка се редуцира до метален волфрамов прах при около 820 градуса. Целта на двустепенната редукция е да позволи на включения калий да упражни напълно своя ефект и да контролира размера на частиците на праха. Легираният волфрамов прах, получен по този начин, след това се пресова в продълговати квадратни пръти в специална форма. Квадратната пръчка се зарежда с водород и се синтерова с помощта на самосъпротивително нагряване (температурата достига около 3000 градуса). След синтероване, плътността на волфрамовия прът може да достигне повече от 85% от теоретичната стойност. Този вид волфрамова лента може да се преработи във волфрамови пръти с диаметър около 3 мм чрез ротационно коване и след това допълнително да се преработи във волфрамови проводници с различни дебелини чрез изтегляне на матрица. Например, диаметърът на волфрамова жичка, използвана в 220V, 15W лампа с нажежаема жичка, е около 15µm, докато диаметърът на волфрамова жичка, използвана в 10000W бромна волфрамова лампа, е около 1,25 mm. По-тънките волфрамови проводници, като 220 V, 10 W волфрамови проводници за лампи с нажежаема жичка с диаметър около 12 µm, трябва да бъдат направени чрез електролитна корозия.
Когато диаметърът на волфрамовия проводник достигне микронно ниво, е трудно да се измери точно диаметърът му с помощта на конвенционални дебеломери. Следователно в международен план теглото на волфрамовия проводник с диаметър по-малък от {{0}}.2 mm обикновено се изразява чрез теглото на сегмента от тел, нарязан на дължина от 200 mm. Например, диаметърът на гореспоменатата волфрамова жичка за лампа с нажежаема жичка от 15 W може да бъде изразен с 0,679 mg/200 mm.
Ефективност при използване
①Ефективност при висока температура. Работната температура на волфрамова жичка, използвана в лампи с нажежаема жичка, често е между 2300 и 2800 градуса. Обикновено колкото по-голяма е мощността на крушката, толкова по-висока е работната температура на нажежаемата жичка. Може да се види, че работната температура на нишката далеч надвишава температурата на рекристализация на волфрамовата нишка. В този момент, под действието на собственото си тегло, нишковидният сегмент между двете куки ще увисне. В тежки случаи нажежаемата жичка може да увисне, докато се сблъска със стъклената обвивка на крушката. За легирани волфрамови проводници, които се смесват с малко количество калиеви, силициеви и алуминиеви оксиди по време на процеса на прахова металургия на волфрам, въпреки че съдържанието на силиций и алуминий в крайния готов проводник е само няколко части на милион, съдържанието на калият е само десетки части на милион, но увисването на нишката, направена от тази легирана волфрамова нишка, може да бъде значително подобрена. Причината е, че има голяма разлика в рекристализираната кристална структура на легирана волфрамова жица и нелегирана волфрамова тел. Рекристализираният кристал от нелегирана волфрамова жица е основно кристал с равностойна ос, докато рекристализираната кристална структура от легирана волфрамова тел е дълга ивица от едри зърна, припокриващи се едно с друго. От гледна точка на теорията за високотемпературно пълзене на метални материали, рекристализираната кристална структура на тази дебела и дълга структура на припокриване може значително да подобри способността й да устои на провисване при високи температури. Според поредица от изследвания и анализи на трансмисионна електронна микроскопия и енергиен спектрометър на Auger, проведени през 70-те години на миналия век, беше показано, че формирането на рекристализираната кристална структура на дебелата и дълга структура на припокриване, уникална за легираната волфрамова жица, е тясно свързано със съдържанието от легираната волфрамова тел. Калият е тясно свързан. Следите от калий, останали в легираните волфрамови ленти, образуват редици от калиеви мехурчета, успоредни на оста на проводника по време на обработката, което възпрепятства страничното нарастване на зърната по време на процеса на рекристализация, като по този начин образува плътна и дълга структура на припокриване.
Увисването на нишките на лампата с нажежаема жичка е свързано не само със съдържанието на добавени елементи и технологията на обработка в легираната волфрамова нишка, но също и с технологията на обработка по време на производствения процес на нишката. Волфрамовият проводник запазва голямо вътрешно напрежение, когато се изтегли в завършена нишка, а когато се навие в нишка, се генерират нови вътрешни напрежения на неравномерна деформация върху напречното сечение на волфрамовия проводник. Тези вътрешни напрежения трябва да бъдат напълно елиминирани преди нажежаемата жичка да бъде монтирана в крушката. В противен случай нажежаемата жичка ще се усуче, деформира и увисне, когато крушката започне да се запалва. Увисването на нажежаемата жичка ще намали сериозно светлинната ефективност на крушката.
② Ефективност при стайна температура. Характеристиките на волфрамовия проводник при стайна температура се отразяват в характеристиките на навиване на проводника. Поради дългия процес на обработка на волфрамова тел, ако управлението на процеса не е добро, лесно е волфрамовата тел да произведе много малки пукнатини или да стане локално крехка, така че лесно да се счупи по време на навиване. Счупването на намотката, причинено от пукнатини, се появява във формата на мустаци, докато счупването, причинено от крехкостта на проводника, се появява във формата на кристални равнини.
③Постоянство на диаметъра на проводника. Лошата консистенция на диаметъра на волфрамовия проводник е важна причина за прекомерното отклонение на фотоелектричните параметри на крушките с нажежаема жичка, а някои също ще повлияят на експлоатационния живот на крушката.
История на развитието
Развитието на производството на волфрамова жичка е тясно свързано с производството на осветителни крушки от самото начало. След близо 30 години изследвания британският електроинженер Джоузеф Суон направи вакуумна електрическа крушка, която използва въглеродни нишки за захранване и излъчване на светлина през декември 1878 г. Този вид електрическа крушка обаче има сериозни недостатъци, главно краткия си живот. През октомври 1879 г. Едисън успешно произвежда крушка с нажежаема жичка, използвайки въглеродни влакна като нишка. Близо 20 години по-късно (1897 г.) въглеродната тел е заменена от осмиева и танталова тел. Въпреки това, поради по-ниските точки на топене на Os и Ta, работната температура и светлинната ефективност бяха ниски.
През 1879 г. Едисън експериментира с въглеродна нишка и я използва стотици часове. Въпреки че "въглеродът" има много висока точка на топене (3550 градуса), той има ниска температура на "сублимация". Той директно сублимира от твърдо в газообразно състояние при ниски температури, така че се консумира лесно и има кратък експлоатационен живот. И трябва да бъде напълно изолиран от въздуха (ще изгори във въздуха). Понастоящем почти всички волфрамови проводници се използват с точка на топене (3410 градуса). Предимството е, че скоростта му на "сублимация" е по-ниска, когато е по-ниска от точката на топене. Следователно, той може да се нагрее до по-висока температура от "въглеродната нишка". Волфрамова жичка също ще изгори във въздуха, така че крушката трябва да се вакуумира.
За да се избегне сублимация на нажежаемата жичка, в крушката се инжектират инертни газове. Тези газове са предимно аргон и не съдържат кислород. Частично изпарените волфрамови атоми могат да се върнат към нишката чрез сблъсък. Въпреки че инертният газ увеличава експлоатационния живот на нишката, той го прави на цена. Наличието на инертен газ в оригиналната вакуумна колба увеличава топлопроводимостта и конвекцията, като отнема енергия и по този начин понижава равновесната температура. Сублимираният волфрамов газ образува слаби частици в инертния газ и също така образува черни петна по вътрешната повърхност на крушката чрез конвекция.
През 1903 г., въз основа на патентите на А. Юст и Ф. Ханаман, Унгария за първи път произвежда волфрамови нишки. Той нагрява въглеродния проводник в парата на волфрамовия оксихалид, съдържащ свободен водород, до висока температура чрез електрически ток, така че въглеродът е напълно заменен от волфрам. Нажежаемата жичка, произведена по този начин, съдържа повече или по-малко въглерод, който е не само доста крехък, но също така става все по-плътен, когато крушката се използва, така че електрическите параметри на нажежаемата жичка ще се променят.
През 1904 г. Jester и Hannamen разпознават ефекта на въглерода върху крехкостта, смесват свързващо вещество без въглерод с волфрамово съединение, екструдират го във влакна и след това го нагряват във водород, за да го редуцират до метал. Волфрамовата жица, произведена по този метод, е много крехка, но тъй като нейната светлинна ефективност е много по-добра, тя замени въглеродната тел, осмиевата жица и танталовата тел за производството на електрически крушки.
Нито един от горните методи не може да подготви фина волфрамова тел. За да се реши този проблем, през 1907 г. е разработена волфрамова сплав с ниско съдържание на никел. Тя е получена чрез механична обработка, но силната й крехкост възпрепятства нейното приложение. Едва през 1909 г. WD Coolidge от General Electric Company в Съединените щати произвежда волфрамови заготовки чрез прахова металургия и след това използва механична обработка за производство на волфрамови проводници, които са пластични при стайна температура, като по този начин полагат основите на индустрията за обработка на волфрамови проводници. Фондацията постави и основата на праховата металургия.
Въпреки това, тази "пластична" волфрамова нишка показва значителна крехкост след запалване на крушката. През 1913 г. Pintsch изобретява торирана волфрамова нишка (съдържание на ThO2 от 1% до 2%), което значително намалява чупливостта на нишките с нажежаема жичка. Отначало провисването на нажежаемата жичка (вижте характеристиките против провисване на волфрамова жичка) не беше проблем, тъй като нажежаемата жичка по това време беше права нажежаема жичка, но след 1913 г. Langmuir промени правата нажежаема жичка на спираловидна, така че че когато електрическата крушка По време на употреба високата работна температура и собственото тегло причиняват увисване на нажежаемата жичка, което затруднява както чистият волфрам, така и ториираният волфрам да отговорят на изискванията за употреба.
За да реши проблемите с увисването и краткия живот на волфрамовия проводник, през 1917 г. A. Pacz изобретява волфрамов проводник, който "не се деформира" при високи температури. Първоначално той използва огнеупорен тигел за печене на WO3, когато приготвя чист волфрам. Той случайно откри, че спиралата от волфрамова жица, направена от волфрамов прах, получен чрез редуциране на WO3, мистериозно вече не увисва след прекристализация. Впоследствие, след 218 повторени експериментални проверки, той най-накрая откри, че волфрамова тел, направена чрез добавяне на калиеви и натриеви силикати към волфрамова киселина (WO3·H2O), редукция, пресоване, синтероване, обработка и т.н., образува значително количество волфрамова тел след рекристализация. Едрозърнестата структура не е нито мека, нито увиснала. Това е най-ранната волфрамова жица без провисване. Откритието на Пърт постави основата за производството на неувиснала волфрамова тел. Към днешна дата Съединените щати все още наричат неувисналата волфрамова тел „218 волфрамова тел“, за да отбележат това важно откритие на Пърт.
Въпреки това, най-ранните произведени волфрамови нишки без увисване бяха по-крехки от торираните волфрамови нишки, така че някои производители на електрически крушки настояваха да използват торирани волфрамови нишки като нишки. Въпреки това, с непрекъснатото развитие и усъвършенстване на процеса на производство на волфрамова нишка без увисване, хората постепенно осъзнаха, че добавянето на съединения на K, Si и Al към волфрамовия оксид едновременно може да направи волфрамовата нишка да има добри показатели против увисване при високи температури и в същото време след многократно след кристализация има задоволителна пластичност при стайна температура. Това е, което хората често наричат „волфрамова жица AKS“, тоест „волфрамова жица без провисване“ или „легирана волфрамова тел“. T. Millner нарече този подобрен ефект без увисване през 1931 г. "GK ефект".
