История

Свойства

Применение

Опыты

         Вольфрам

 
    Вольфрам - металл с самой высокой температурой плавления, поэтому получить его в компактном виде это довольно непростая задача.


    На этом фото – вольфрамовый порошок. Обычно его получают восстановлением оксида вольфрама водородом при температуре 400-800 градусов. Чем выше температура востановления, тем более крупные частицы вольфрама образуются. Восстановление проводят во вращающихся печах в противотоке водорода.

 
    Если хотят получить более компактный образец вольфрама, порошок спрессовывают. В промышленности из него получают штабики плотностью 13-15 г/см³, но они обладают низкой механической прочностью, поэтому дальше их спекают. Нагрев до 2000 °C в вакууме или в атмосфере водорода проводят прямым пропусканием электрического тока через металл. Размеры штабиков после спекания уменьшаются, а плотность возрастает до 17,5 г/см³. На фото – как раз такой вольфрамовый штабик.

 
    Дальше, такой спеченный металл можно либо обрабатывать прокаткой при высокой температуре, либо переплавлять в дуговой печи в слитки. Для маленького набора я выбрал маленький пруток вольфрама, полученный прокаткой. Поверхность прутка очистил электротравлением.
    Коэффициент температурного расширения вольфрама близок к таковому у кремния, поэтому на вольфрамовые подложки припаивают кремниевые кристаллы мощных транзисторов – чтобы избежать растрескивания этих кристаллов при нагреве.

 
    Еще одно применение вольфрама, это изготовление электродов для мощных дуговых ламп (например таких, как на страничке с ксеноном). Однако, как можно видеть на фото, даже вольфрам не вполне устойчив к воздействию мощной электрической дуги – концы электродов оплавлены.

 
    Ну и мои любимые образцы – монокристаллы вольфрама. Если взять монокристалл в руку, то первое, что вызывает удивление – его вес. Плотность вольфрама больше плотности железа в два с половиной раза! (И в семь раз больше плотности алюминия.) Она почти равна плотности золота (отличается менее, чем на 1%). Такие кристаллы выращивают зонным методом, с нагревом электронным пучком. При этом методе, заготовка (вольфрамовый штабик) укрепляется вертикально в вакуумной камере. Вокруг заготовки располагается кольцевой катод электроной пушки, с которого вылетают ускоренные высоким напряжением электроны. Попадая на образец, они вызывают расплавление его небольшого участка. В полученной расплавленной зоне, жидкий металл удерживается от стекания силами поверхностного натяжения. Катод (а вместе с ним и расплавленная зона) медленно продвигается вдоль кристалла. При этом происходит несколько полезных процессов: все летучие примеси улетают из образца (в вакуумной камере поддерживается давление ниже 10^-5 мм рт. ст., а температура составляет 3500 градусов – при таких условиях большинство примесей покидает образец в виде пара); после нескольких проходов, как и при зонной плавке, оставшиеся нелетучие примеси концентрируются с одной из сторон образца. Также, происходит направленная кристаллизация слитка, которая при использовании затравки позволяет получить монокристалл с заданной ориентацией. Такие монокристаллы применяются для изготовления анодов рентгеновских трубок, в физических исследованиях. Нити накала высококачественных галогенных ламп также изготавливаются из монокристаллических слитков, что позволяет продлить их срок службы в несколько раз.

 
    Еще один очень интересный образец вольфрама (и, пожалуй, самый тяжелый образец в моей коллекции, он весит больше 6 кг) – вольфрамовый тигель. Вольфрам с трудом поддается механической обработке, поэтому выточить или отштамповать такой тигель было бы если не невозможно, то крайне сложно (его стенки не должны быть пористыми, поэтому прессование порошка тут не подходит). Тигель изготовлен по процессу газофазного восстановления гексафторида вольфрама водородом (кстати, WF₆ это, пожалуй, самый тяжелый газ из известных науке). При его восстановлении водородом на поверхности нагретого медного цилиндра, вокруг последнего образуется плотный слой вольфрама. После получения слоя заданной толщины, медный цилиндр удаляют. Такие тигли применяют для дистилляции редкоземельных металлов и изготовления сплавов. Поскольку вольфрам окисляется на воздухе, тигли используют в вакуме или в инертной атмосфере.

 
    Кроме электронно-лучевой плавки, существует еще один способ расплавить вольфрам. Это аргонно-дуговая плавка. Таким же методом изготовлен один из образцов рения. В отличие от электронно-лучевой плавки, при плавлении в дуге примеси летучих металлов удаляются хуже (поскольку плавление проводят при атмосферном давлении, а не в вакууме). Но именно этот метод позволяет приготовить сплавы вольфрама с такими летучими металлами, которые в вакууме запросто улетают из сплава.

Поверхность этой капли подвергнута травлению, и можно видеть, что слиток состоит из нескольких кристаллов (они имеют немного разную окраску). В монокристаллах вольфрама таких окрашенных зон меньше и они соответствуют граням кристалла.

 
    А вот похожая капля, но полученная уже электронно-лучевой плавкой. Она имеет намного более чистую поверхность и более крупные кристаллиты (без травления это плохо видно на фото). Вообще говоря, электронный луч это намного более мощный и гибкий инструмент, чем электрическая дуга. Например, система магнитных или электростатических линз позволяет как сфокусировать десятки киловатт мощности в точку диаметром несколько миллиметров (и испарять любой металл), так и рассредоточить эту мощность на площадь в десятки квадратных сантиметров и обеспечить равномерное и медленное охлаждение образца. Используя кольцевой катод, электронный луч можно направить на цилиндрический образец равномерно со всех сторон (как в случае выращивания монокристаллов). Но, разумеется, у этого метода есть и свои недостатки. Во-первых, электроны могут свободно летать только в высоком вакууме. В некоторых случаях (например, для удаления летучих примесей) это удобно, но когда надо нагреть что-то летучее (например, приготовить сплав с марганцем), лучше использовать дуговой нагрев (иначе марганец очень быстро улетит из сплава). Ну и, разумеется, оборудование для электроно-лучевого нагрева на порядки сложнее и, соответственно, стоит намного дороже. Дуговую печку, в принципе, можно собрать в домашних условиях (в качестве источника питания, берётся, например, маломощный сварочный инвертор). Некоторые коллекционеры имеют самостоятельно построенные печки, а вот про самодельную электронно-лучевую установку я не слышал ни разу ;).

 
    Еще один, на этот раз совсем маленький кристалл вольфрама. Он был частью мишени для напыления пленок вольфрам-титан. Как мне рассказали, в решетку из титана вставлялись вот такие кристаллы, и получающаяся мишень использовалась для магнетронного напыления пленок.

 
    Это вольфрамовое кольцо, так же, как и тигель, получено кристаллизацией вольфрама из газовой фазы. По-видимому, напыление проходило в несколько других условиях, потому что кристаллы на поверхности кольца получились гораздо большего размера и блестят сильнее.

 
    На этом фото - вольфрамовые лодочки, используемые для резистивного напыления пленок в вакууме. Поскольку вольфрам имеет достаточно высокое электрическое сопротивление, высокую температуру плавления и хорошую устойчивость к металлическим расплавам, он, наряду с танталом, является самым подходящим материалом для изготовления таких лодочек. Для напыления металла (например, серебра, золота или какого-то другого), его помещают внутрь лодочки, находящейся в вакуумной камере. Затем через эту лодочку начинают пропускать электрический ток (обычно, несколько вольт и 200-500 ампер). Вольфрам нагревается, и вещество, находящееся на нем, испаряется, а затем конденсируется на какой-нибудь холодной поверхности.

 
    Я специально не поместил здесь фотографии обычной лампы накаливания – несмотря на то, что это одно из самых известных применений вольфрама. Просто мне хотелось найти именно такую лампочку, какая изображена на картинке. По-моему, достаточно наглядное фото ;). Спираль имеет форму химического символа, обозначающего вольфрам, – что-то вроде газоразрядных трубок в форме символов элементов.