Вольфрам
ВОЛЬФРАМ
Вольфрам - металл с самой высокой температурой плавления, поэтому получить его в компактном виде это довольно непростая задача.
Символ - W
Атомный вес - 183.84
Плотность - 19.25
Температура плавления - 3422 °C
Температура кипения - 5555 °C
Открыт - Шееле в 1781 г.
(W1thumb) – 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 потивотоке водорода.
Если хотят получить более компактный образец вольфрама, порошок можно спрессовать. В промышленности из него получают штабики плотностью 13-15 г/см3, но они обоадают 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 спеченый металл можно либо обрабатывать прокаткой при высокой температуре либо переплавить в дуговой печи в слитки. Для маленького набора, я выбрал маленький пруток вольфрама полученный прокаткой. Поверхность прутка, очистил электротравлением.
Коэффициент температурнного расширения вольфрама, близок к таковому у кремния, поэтому на вольфрамовые подложки припаивают кремниевые кристаллы мощных транзисторов во избежании их растрескивания при нагревании.
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 7 раз больше алюминия ). Она почти равна плотности золота (отличается меньше чем на 1% ). Такие кристаллы выращивают зонным методом, с нагревом электронным пучком. При этом методе, заготовка ( вольфрамовоый штабик) укрепляется вертикально в вакуумной камере. Вокруг неё находится 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 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 их сторон образца. Так же 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, так же изготавляются из монокристаллических слитков, это 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 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 волфрама, 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 управляемый 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 разумется, оборудование для электроно-лучевого нагрева, на порядки сложнее и соответсвенно стоит намного дороже. Дуговую печку, в принципе можно собрать в домашних условиях и даже использовать (в качестве источника питания, можно взять 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, были вставлены вот такие кристаллы и получающаяся ишень использовалась для магнетронного напыления пленок.
Это вольфрамовое кольцо, так же как и игель, получено кристаллизацией вольфрама из газовой фазы. По видимому напыление проходило в несколько других условиях, поскольку присталлы на поверхности кольца получились гораздо большего размера и бестят сильнее.
(W11thumb) - 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 танталлом, 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 более холодную поверхность.
*** Вольфрам. Химический элемент, символ W (лат. Wolframium, англ. Tungsten, франц. Tungstene, нем. Wolfram, от нем. Wolf Rahm — волчья слюна, пена). Имеет порядковый номер 74, атомный вес 183, 85, плотность 19, 30 г/см3, температуру плавления 3380ОС, температуру кипения 5680ОС...