English

Азот
Актиний
Алюминий
Америций
Аргон
Астат
Барий
Бериллий
Берклий
Борий
Бор
Бром
Ванадий
Висмут
Водород
Вольфрам
Гадолиний
Галлий
Гафний
Гелий
Германий
Гольмий
Дармштадтий
Диспрозий
Дубний
Европий
Железо
Золото
Индий
Иод
Иридий
Иттербий
Иттрий
Кадмий
Калий
Калифорний
Кальций
Кислород
Кобальт
Кремний
Криптон
Ксенон
Кюрий
Лантан
Литий
Лоуренсий
Лютеций
Магний
Марганец
Медь
Мейтнерий
Менделеевий
Молибден
Мышьяк
Натрий
Неон
Нептуний
Неодим
Никель
Ниобий
Нобелий
Олово
Осмий
Палладий
Платина
Плутоний
Полоний
Празеодим
Прометий
Протактиний
Радий
Радон
Резерфордий
Рений
Рентгений
Родий
Ртуть
Рубидий
Рутений
Самарий
Свинец
Селен
Сера
Серебро
Сиборгий
Скандий
Стронций
Сурьма
Таллий
Тантал
Теллур
Тербий
Технеций
Титан
Торий
Тулий
Углерод
Уран
Унунбий
Фермий
Фосфор
Франций
Фтор
Хассий
Хлор
Хром
Цезий
Церий
Цинк
Цирконий
Эйнштейний
Эрбий

История

Свойства

Применение

Опыты

       

         Вольфрам


Символ - W
Атомный вес - 183.84
Плотность - 19.25
Температура плавления - 3422 °C
Температура кипения - 5555 °C
Открыт - Шееле в 1781 г.
   
 

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

Порошок вольфрама
    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.

  Спеченный вольфрамовый штабик
    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.

  Цилиндр из вольфрама
    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.

  Вольфрамовые электроды
    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.

  Монокристалл вольфрама Вольфрам, монокристаллический слиток
    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 от стекания. 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.

  Вольфрамовый тигель
    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.

  Капля вольфрама полученная аргонно дуговой плавкой
    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.

  Капля вольфрама полученная электронно-лучевой плавкой
    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 ;).

  Маленький кристалл вольфрама
    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.

  Вольфрамовое кольцо осажденное из газовой фазы
    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.

  Вольфрамовая лодочка для резистивного испарения
    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.

  Лампа накаливания с вольфрамовой спиралью Вольфрамовая спираль в форме буквы W
    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.