金屬鎢的光輝秘史

編譯 魏劉偉

100年前，威廉?柯立芝把鎢拉伸成了細(xì)絲，點(diǎn)亮了白熾燈泡和整個(gè)世界。

威廉·柯立芝（William D. Coolidge）不想離開(kāi)他深?lèi)?ài)的波士頓，也不想離開(kāi)麻省理工學(xué)院物理學(xué)研究的科學(xué)洪流。但在1905年，他沉重的學(xué)校債務(wù)和微薄的教師工資使得他無(wú)法拒絕來(lái)自通用電氣（GE）的一份報(bào)酬豐厚的工作。因此，那年秋天，32歲的柯立芝不情愿地登上了波士頓到布法羅的49號(hào)列車(chē)，前往紐約的斯克內(nèi)克塔迪——一個(gè)網(wǎng)格化的河岸小鎮(zhèn)——托馬斯·愛(ài)迪生把它改造成了一個(gè)電力城市。幾年內(nèi)，柯立芝將揭開(kāi)一個(gè)冶金之謎，給這個(gè)城市乃至整個(gè)世界留下印記。然而，幾十年后，大多數(shù)美國(guó)人都不會(huì)意識(shí)到，他們家里明亮的燈泡里裝的是柯立芝的燈絲，而不是愛(ài)迪生的。

當(dāng)柯立芝于1905年9月抵達(dá)斯克內(nèi)克塔迪時(shí)，通用電氣的研究實(shí)驗(yàn)室——19號(hào)樓，就像一個(gè)木屋，與麻省理工學(xué)院現(xiàn)代化的設(shè)施相去甚遠(yuǎn)?？铝⒅?duì)于為一家公司做研究且最終目標(biāo)是為股東賺錢(qián)持保留態(tài)度。他想知道在通用電氣是否可以自由選擇他在麻省理工學(xué)院所喜歡的有趣問(wèn)題，并擔(dān)心會(huì)被困在一家制造廠(chǎng)的角落里做著卑微的工作。然而，他一進(jìn)入大樓，就無(wú)暇學(xué)術(shù)。危機(jī)就在眼前。

通用電氣的主要產(chǎn)品是燈泡，大部分是碳纖維燈泡——將愛(ài)迪生的發(fā)現(xiàn)與英國(guó)發(fā)明家約瑟夫·斯旺（Joseph Swan）的互補(bǔ)技術(shù)結(jié)合在一起。1879年，愛(ài)迪生用燈絲給世界帶來(lái)了光明：首先是棉線(xiàn)，然后是紙板，最后是竹子。但是，這些燈泡充滿(mǎn)了問(wèn)題：它們只能發(fā)出微弱的光，且容易破碎，壽命短暫。通用電氣改進(jìn)了碳纖維，將其平均壽命從100小時(shí)延長(zhǎng)到500小時(shí)以上。但他們需要有一些突破性的創(chuàng)造，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)對(duì)手正緊跟其后。他們需要一種新的燈絲，它需要發(fā)出更亮的光，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，更耐用。

制造金屬絲

在歐洲，發(fā)明家們已經(jīng)開(kāi)始用其他材料制造燈絲，每種材料都有不同程度的成功。鋨，一種硬而脆的元素，是第一種被拉成細(xì)絲的金屬。由于它的高熔點(diǎn)，它比通用電氣改進(jìn)后的碳絲發(fā)光更亮，效率更高。但鋨的稀有性和價(jià)格意味著顧客必須把用過(guò)的燈泡退回來(lái)回收金屬。歐洲研究人員還嘗試了周期表上具有類(lèi)似耐熱性能的相鄰元素，如鉭和鎢。

當(dāng)歐洲人在這些金屬方面取得進(jìn)展時(shí)，通用電氣認(rèn)為迫切需要為美國(guó)的大型市場(chǎng)制造更亮的燈泡，并使用新的燈絲。但要做到這一點(diǎn)，他們必須拿出一些獨(dú)特的東西，并在這一過(guò)程中克服巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？铝⒅ナ芄陀谕埂せ萏啬幔╓illis Whitney）——他曾是麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授，1900年被聘為研究實(shí)驗(yàn)室的第一任主任。為了找到這個(gè)新的燈絲，惠特尼策劃了一個(gè)類(lèi)似于軍事行動(dòng)的戰(zhàn)略。

惠特尼著眼于元素周期表上的鋨和它的鄰居們，以它們?yōu)榫€(xiàn)索來(lái)尋找燈絲材料。他給了手下30位科學(xué)家每人幾種元素進(jìn)行評(píng)估。他們的任務(wù)很直截了當(dāng)，但并不簡(jiǎn)單：找到一種金屬，這種金屬可以形成一根毛發(fā)狀的細(xì)絲，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)能承受高達(dá)數(shù)千攝氏度的高溫，就像烤面包機(jī)里的線(xiàn)圈一樣。理想情況下，這種材料應(yīng)該對(duì)燈泡內(nèi)的少量氧氣保持惰性，以避免常見(jiàn)的使光線(xiàn)變暗的反應(yīng)。此外，惠特尼還指示他的科學(xué)家們研究一類(lèi)叫作難熔金屬的元素，這類(lèi)元素因其耐磨性而極難加工。

在柯立芝之前，其他科學(xué)家也曾用鎢絲做過(guò)實(shí)驗(yàn)，但他是第一個(gè)制造出柔韌性好的鎢絲的人，這種鎢絲在彎曲時(shí)不會(huì)斷裂。通用電氣很快在白熾燈泡中使用了鎢絲，1911年制造出麥咨達(dá)燈泡

1905年，柯立芝到達(dá)通用電氣，與麻省理工學(xué)院的研究設(shè)施相比，這里的設(shè)施很簡(jiǎn)陋。但就是在這里，柯立芝發(fā)明了鎢絲

柯立芝被指派研究周期表中的鉭元素。他還研究了相鄰的兩種金屬——鉬和鎢，它們的硬度分別是鉭的兩倍和三倍?？铝⒅セ藥讉€(gè)月專(zhuān)注于鉭元素的研究。德國(guó)的研究人員已經(jīng)將鉭制成了細(xì)絲，當(dāng)直流電通過(guò)鉭絲時(shí)，鉭燈泡的點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)達(dá)900多小時(shí)——即一個(gè)多月。但是他們的壽命在交流電的情況下會(huì)下降70%，而交流電在美國(guó)電網(wǎng)中占主導(dǎo)地位。部分鉭絲在電流作用下變得易碎，并會(huì)在交變震動(dòng)的脈沖作用下斷裂?？铝⒅ピ阢g元素的研究方面進(jìn)展甚微，在最終專(zhuān)注于鎢之前，他曾短暫地研究過(guò)鉬。

征服鎢元素

鎢的優(yōu)良特性使它成為一個(gè)有價(jià)值的最終目標(biāo)。鎢是元素周期表的所有元素中熔點(diǎn)最高的（3 422℃），當(dāng)電流通過(guò)鎢時(shí)，鎢會(huì)發(fā)出白熱的光而不熔化。其光芒呈現(xiàn)出栩栩如生的色彩，而不是早期燈泡的黃色色調(diào)。但是鎢的高熔點(diǎn)也限制了科學(xué)家對(duì)它的研究。科學(xué)家通常通過(guò)加熱和軟化金屬來(lái)處理金屬，但大多數(shù)工具都無(wú)法維持鑄造鎢所需的溫度。

鎢也是一種難應(yīng)付的、堅(jiān)硬的和易碎的金屬。為了利用鎢的強(qiáng)度，金屬工人和制造商并不是單獨(dú)使用它：而是將它融入鋼和其他合金中，使之更堅(jiān)硬。其他科學(xué)家的早期實(shí)驗(yàn)表明鎢不能被加工，也不能被拉成細(xì)絲?？铝⒅ギ?dāng)時(shí)指出，這個(gè)項(xiàng)目似乎沒(méi)有希望，但其團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持了下來(lái)。

柯立芝利用了鎢的次佳起始點(diǎn)——它的粉末形式。他用液壓機(jī)將鎢粉擠壓成磚塊狀，用水銀電弧爐將粉末燒熔在一起。然后，柯立芝試圖擠壓這個(gè)鎢塊——他稱(chēng)之為鎢棒——使其通過(guò)一個(gè)孔，形成一根燈絲，但鎢不肯屈服。當(dāng)柯立芝試圖用金屬銼打磨鎢的表面時(shí)，他發(fā)現(xiàn)工具損壞了?？铝⒅ソ?jīng)過(guò)幾個(gè)月不成功的嘗試后，又嘗試了另一種方法：把鎢粉倒入由淀粉和其他有機(jī)化合物制成的黏合劑中，混合在一起后噴出一根細(xì)絲。當(dāng)他將其測(cè)試燈泡時(shí)，燒焦的黏合劑使玻璃內(nèi)部變黑了。

在這張1922年的照片中，柯立芝（右）向愛(ài)迪生解釋了這種機(jī)器是如何為白熾燈泡生產(chǎn)鎢絲的

1906年3月，一根海綿狀的鎢棒意外地從燒結(jié)爐掉入液態(tài)汞池中，汞填充了氣孔，從而實(shí)現(xiàn)了突破?？铝⒅セ貞浧鹦r(shí)候曾經(jīng)補(bǔ)過(guò)牙。他的牙醫(yī)把從一枚墨西哥硬幣上刮下來(lái)的銀片混合成液態(tài)水銀，作為汞齊；年輕的柯立芝注意到，這種黏性的糊狀物在變硬成永久形狀之前是可以塑形的?？铝⒅ヒ庾R(shí)到可以把汞與鎢混合，然后噴成金屬絲。他將鎢混合到汞和其他軟金屬（包括鉍和鎘）制成的汞合金中，接著擠壓它，然后熔化掉汞合金中較軟的金屬，從而制成了鎢絲。燈絲在燈泡里能夠穩(wěn)定地發(fā)光。

柯立芝在1907年初給他的父母寫(xiě)信說(shuō)：“我的方法現(xiàn)在肯定很有前途了?！笨铝⒅グ焰u絲投放市場(chǎng)，很快就賣(mài)出了近50萬(wàn)只新燈泡?？铝⒅サ哪赣H在那年秋天寫(xiě)道：“你的燈已經(jīng)在城里了?！钡u絲仍然很脆弱：汞合金使鎢絲具有彈性，然而，軟金屬熔化后，剩余的易碎鎢顆粒很容易折斷。因此，柯立芝的任務(wù)是制造一個(gè)更強(qiáng)大的版本，使其足以承受更嚴(yán)酷的條件，如汽車(chē)和火車(chē)的振動(dòng)。

來(lái)自縫紉針的經(jīng)驗(yàn)

為了解決使鎢具有韌性和耐久性的挑戰(zhàn)，柯立芝和他的四名技術(shù)人員回到對(duì)鎢粉的壓制，開(kāi)始用鎢棒制造燈絲。首先，他們?cè)谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)敲打鎢棒，但冷卻后的鎢棒仍然很脆。柯立芝隨后雇了一個(gè)鐵匠來(lái)加熱和錘擊鎢棒，但鎢棒出現(xiàn)了裂紋。后來(lái)他試過(guò)用熱軋機(jī)，但軋件還是太脆了。在那之后，他嘗試把鎢壓在兩個(gè)熱塊之間，但鎢棒太厚了。最后，他通過(guò)加熱的模具將鎢拉出來(lái)，這個(gè)過(guò)程將金屬顆粒拉伸成細(xì)絲，并將它們扭曲成極小的、像繩子一樣的細(xì)絲?？铝⒅ブ饾u縮小模具的直徑不斷重復(fù)了這一過(guò)程。最終即使在室溫下，形成細(xì)絲也是柔軟的。

他們現(xiàn)在有了一種很有前途的燈絲，但柯立芝在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的方法太慢、太麻煩，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)燈絲?？铝⒅ピ趯ふ揖哂猩a(chǎn)水平的工藝時(shí)，從縫紉針中獲得了靈感：當(dāng)他還是個(gè)孩子的時(shí)候，他的母親會(huì)親手做衣服，讓他坐在她的膝蓋上時(shí)，教他縫紉。

1908年12月，柯立芝拜訪(fǎng)了查爾斯·考爾斯（Charles A. Cowles），他是康涅狄格州安索尼亞的一家電線(xiàn)和針線(xiàn)制造公司的老板?？紶査怪圃炝艘环N特殊的鍛造機(jī)，能夠以每分鐘數(shù)千次的頻率來(lái)錘擊熱銅線(xiàn)，然后通過(guò)一個(gè)錐形的金屬孔拉扯銅線(xiàn)以減小其直徑。一旦金屬絲達(dá)到特定的尺寸，金屬絲就通過(guò)直徑越來(lái)越小的單獨(dú)的金剛石模具被拉伸。

柯立芝相信，考爾斯的方法提供了一個(gè)實(shí)用的方法來(lái)制作他的韌性鎢絲。但鍛模機(jī)，連同其鉆石模具都很昂貴。幸運(yùn)的是，惠特尼知道這項(xiàng)研究并不便宜，并相信柯立芝的想法可以解決他們的問(wèn)題。于是惠特尼說(shuō)服通用電氣管理層進(jìn)行了冒險(xiǎn)，到1909年春天，柯立芝就得到了他的設(shè)備。

經(jīng)久耐用

借助這些工具，柯立芝逐漸將鎢從一種易碎的、不易加工的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N耐用、精細(xì)、韌性好的燈絲，在這一過(guò)程中，他通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)了工藝。他把純氧化鎢粉末放在一個(gè)坩堝里——坩堝是由英國(guó)巴特西的黏土制成的——加熱到400℃左右，然后將其在石英管里加熱到1 000℃以上。接著將氫氣流過(guò)加熱的粉末，與氧氣反應(yīng)生成純鎢金屬。隨后，鎢粉被壓縮并燒結(jié)成棒，鎢棒被加熱后鍛造數(shù)次。最后，將細(xì)鎢絲加熱到紅熱狀態(tài)，并通過(guò)幾個(gè)直徑越來(lái)越小的熱金剛石模具拉制出細(xì)絲。有時(shí)柯立芝還會(huì)加入額外的軋制、拉拔和錘擊步驟來(lái)制造燈絲。

當(dāng)時(shí)，他不明白為什么有些步驟會(huì)提高鎢絲的性能。例如，巴特西黏土含有鉀，而鉀與鎢結(jié)合在一起，就會(huì)提高鎢的延展性。但柯立芝擁有專(zhuān)注力和耐心，他最終獲得了預(yù)期的結(jié)果。

到1910年，經(jīng)過(guò)多年的努力，柯立芝的工藝可以生產(chǎn)出數(shù)公里直徑只有6微米的韌性鎢絲，數(shù)百萬(wàn)只鎢絲燈泡從此進(jìn)入市場(chǎng)。（在他1913年的專(zhuān)利中，燈絲的直徑只有2微米。）通用電氣以麥芝達(dá)這個(gè)品牌銷(xiāo)售其所有鎢絲，該名稱(chēng)源于波斯光明與創(chuàng)造之神阿胡拉·麥芝達(dá)（Ahura Mazda）。到1916年，鎢絲燈泡的銷(xiāo)量就超過(guò)了愛(ài)迪生的碳絲燈泡，在美國(guó)銷(xiāo)售的白熾燈泡中85%都是鎢燈絲。很快每家每戶(hù)都擁有了柯立芝的燈泡。用柯立芝的基本工藝制成的鎢絲點(diǎn)亮了所有的現(xiàn)代白熾燈泡，這些燈泡在過(guò)去幾年中被更高效的緊湊型熒光燈和LED燈泡所取代。

與愛(ài)迪生相比，柯立芝的貢獻(xiàn)已基本被遺忘，部分原因是這位害羞內(nèi)向的工程師更喜歡悄悄解開(kāi)謎題，因而不受關(guān)注。但柯立芝頑強(qiáng)地馴服了鎢，在1922年的一篇報(bào)紙文章中，連愛(ài)迪生都?xì)J佩他征服“如此頑強(qiáng)的金屬”的能力。