钨丝增强块体非晶复合材料的力学性能

对钨丝增强块体非晶复合材料的力学性能尤其是动态力学性能的研究是研究其侵彻损伤效应与机制的基础，而其力学性能又与界面强度、钨丝体积分数、加载速率及热应力等因素有关。对复合材料力学性能及其影响因素的研究成为目前的一个热点。

Dranut D等人用中子衍射技术(ND)和FE模型测量并计算了W丝/Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金基复合材料内部的热残余应力的分布情况。同时，又用FE（有限元）模型预测80%W/BMG复合材料的Von Mises应力分布，最大应力出现在两根钨丝最近邻的基体中，同时证明了该区域也是剪切带最可能出现的区域。国内外对钨丝增强块体非晶复合材料热残余应力的影响研究较少，对这方面的系统研究是今后的一个方向。

掺杂钨丝钾泡强化

以掺杂钨丝的钾泡理论为基础开发新型高强度材料阶段。

自1985年以来，历届难熔金属及硬质材料国际会议上，把钾泡理论研究扩展到和材料的强化与韧化这一材料领域基 本课题结合起来，深入研究微量杂质对钨、钼晶粒间粘附力和晶界电子结构的影响，导致材料脆化的微观机制，并进而探讨消除杂质有害影响的技术措施。

此外，把不同添加物在不同温度区域的弥散强化与掺杂钨的钾泡强化机制联系起来，探索适合于难熔材料的多种强化机制综合作用的强化理论。对强化和韧化机制的正确认识 为设计与研制新型高温材料提供了理论依据。

掺杂钨丝的钾泡强化理论的建立与发展阶段

掺杂钨丝的钾泡强化理论的建立与发展阶段:

1967年，库(R．C．Koo)等人采用透射电子显微镜技术直接观察到在高温退火的钨丝中存在由掺杂物产生的高压蒸气所形成的小 泡，同期斯诺(D．B．Snow)证实了小泡中含有钾原子。

随后各国学者分别采用X射线能谱仪、二次离子质谱仪、俄歇电子能谱仪和场离子显微镜等最先进的电子分析仪器对掺杂钨丝各种状态下的微观结构以及掺杂物的形态和组成等作了系统的充分的实验观测，并在各自实验检测结果的基础上，提出了对掺杂钨丝强化机制的各种理论解释。

其中美国的库、斯诺和中国的左铁镛等人作出了比较系统的实验分析和理论解释。1967～1985年是掺杂钨丝钾泡强化理论以精确的实验 为基础而建立和发展的时期。

钨丝增强块体非晶合金复合材料的研究方法

虽然国内外已经报道了不少有关钨丝增强块体非晶合金复合材料的研究成果，但是无论从研究内容还是从研究方法上都有待进一步完善。具体而言，应加强以下几方面的研究工作： 

1) 在钨丝增强块体非晶复合材料的制备方法上，应完善爆炸压实的方法，探索其最优复合参数，优化材料组合和装药结构设计； 

2) 应从宏、细观结合的角度，将强冲击下材料的动力学性能、微观组织结构、增强体体积分数及界面特征等对材料侵彻性能的影响置于重要地位。在研究方法上，目前的研究大多为实验性的工作，可在相关实验的基础上发展相应的数值模拟程序，作为对实验研究的有益补充来探讨相关规律性的问题； 

3) 应在更加广泛和复杂的条件（如高速、高压、高温等）下开展对钨丝增强块体非晶复合材料的研究，为其在更广阔的领域中付诸实际应用奠定基础。

掺杂钨丝中钾原子的气泡

掺杂钨丝中因含有钾原子的气泡而使钨丝的高温抗蠕变性能提高的机制。

1918年，美国人柏斯(A．Pacz)发现在钨的氧化物还原之前加入微量硅、铝、钾 的氧化物制备的坯条，经适当的加工和热处理制成的钨丝具有优异的高温抗蠕变性能，是白炽灯理想的灯丝材料。掺杂钨丝至今仍是电子、电光源工业的重要基础材料。

掺杂钨丝的发明和生产虽然有半个多世纪的历史，但是由于受检测条件限制，人们对微观掺杂机制和强化机制长期未能认识，在不同时期曾提出多种假设和推论 加以解释。因此，掺杂和强化机制始终是世界范围内受到关注的少数研究课题之一。

钨丝增强块体非晶复合材料的断裂

当钨丝增强块体非晶的复合材料中W纤维的体积分数为30%时，复合材料断裂面与最大主应力方向呈43°，复合材料的断裂方式受基体控制；

复合材料中W纤维的体积分数为50%时，断裂沿着与最大主应力大约呈45°的方向，但断裂的局部出现钨纤维弯曲并沿纤维开裂。

复合材料断裂的侧面，出现多剪切带滑移的特征。

电子枪灯丝应用

电子枪灯丝是采用特殊钨丝制成的和加热子形状类似，但是缩小尺寸版的灯丝。电子枪灯丝根据形状可分为蚊香形，半月形， 门形，双沟形，螺旋形，S形。根据直径不同，常规可分为Dia.0.55mm电子枪灯丝，Dia.0.80mm电子枪灯丝。根据各个国家使用的不同，可分 为莱宝灯丝等。电子枪灯丝的主要应用领域为真空镀膜。同时，对于电子枪灯丝的圈数，直径会有要求，主要是会导致加热时间和电阻不同。因此生产时除特定型号外，可以根据图纸进行生产。

电子枪灯丝应用-真空镀膜介绍
真空镀膜编辑一种产生薄膜材料的技术。在真空室内材料的原子从加热源离析出来打到被镀物体的表面上。

微镧掺杂钨丝优点

使用压力式喷枪将镧酸氨溶液以喷雾的形式向放置在掺杂锅中的掺杂蓝钨喷洒，可有效控制镧元素的添加量，即达到改善钨丝性能的目的，又可有效降低生产成本，提高企业经济效益。

具有工艺简单、易于实现且生产成本低廉的优点，同时所生产的微镧掺杂钨丝具有使用寿命长、光电性能好、抗震性能强以及灯泡在使用后灯丝下垂量小的特点。

微镧掺杂钨丝

向掺杂钨丝中添加微量的镧元素，改变了掺杂钨丝的成分组成，微镧掺杂钨丝的冷电阻、热电阻等物理特征均与传统掺杂钨丝相比有了较大改善，试验表明，微镧掺杂钨丝的冷、热电阻都较传统掺杂钨丝增加了 5〜7%。

使用压力式喷枪将镧酸氨溶液以喷雾的形式向放置在掺杂锅中的掺杂蓝钨喷洒，可有效控制镧元素的添加量，即达到改善钨丝性能的目的，又可有效降低生产成本，提高企业经济效益。

微镧掺杂钨丝的规格

生产的微镧掺杂钨丝因添加了少量的镧元素，从而改变了掺杂钨丝的成分及其内部晶粒大小，同时通过氧化退火消除了微镧掺杂钨丝内的应力，因此生产出来的钨丝具有良好的抗震性能。

试验表明，使用该方法生产的微镧掺杂钨丝制作的各10个 14V0. 1A0. 7CP灯泡，钨丝规格为1. 0mg/200mm和1. ang/200mm，与普通掺杂钨丝在同样条件下进行了抗震试验对比，结果是规格为1.2mg//200mm的灯泡，普通掺杂钨丝平均耐冲击次数为673 次，微镧掺杂钨丝平均耐冲击次数为1233次；规格为1. 0mg/200mm的灯泡，普通掺杂钨丝平均耐冲击次数为680次，而微镧掺杂钨丝平均耐冲击次数为1209次。

微镧掺杂钨丝的制备

一种微镧掺杂钨丝的制备方法，包括以下步骤：

(1)将仲钨酸铵在还原炉中在高纯氢气中预还原成蓝钨；

(2)湿法掺入硅酸钾、硝酸铝溶液，通过搅拌混合后干燥，使钾、硅、铝吸附在蓝钨间隙内，制得掺杂蓝钨；

(3)使用压力式喷枪将镧酸氨溶液以喷雾的形式向放置在掺杂锅中的掺杂蓝钨喷洒同时进行搅拌，待喷洒完毕后烘干，得到镧酸氨掺杂蓝钨；

(4)将镧酸氨掺杂蓝钨放入还原炉，在高纯氢气中进行还原反应，得到还原钨镧合金粗粉末；

(5)将还原钨镧合金粉末用定量盐酸、氢氟酸洗涤，去除过剩掺杂剂及其它杂质得到钨镧合金粉末；

(6)使用等静压机向装在弹性模套内的钨镧合金粉末施加各项均等的力，制成密度均勻的钨坯条；

(7)钨坯条在氢气保护下，进行预烧结，得到预烧结条；

(8)预烧结条在氢气保护下进行垂熔烧结，得到垂熔烧结条；

(9)使用旋锻设备对垂熔烧结条进行锻打，使垂熔烧结条断面逐渐缩小、长度增加，坯条内钨组织结构、晶粒状态和表面状态发生改变，制得钨棒；

(10)对钨棒进行退火处理；(11)将退火后的钨棒再进行旋锻，得到直径为3.7mm的钨杆；

(12)在大转盘上对钨杆进行粗拉伸，钨杆通过大转盘上的模孔后其断面减小、长度增加，得到粗钨丝；

(13)将粗钨丝在空气中通过火焰进行氧化退火，并经涂敷石墨及小压缩比的单模拉伸，消除加工硬化，降低钨丝抗拉强度；

(14)将单模拉伸后的粗钨丝经多个模序拉制成所需的细钨丝。而且，步骤(7)中预烧结的温度为1200〜1400°C，烧结时间为30〜50分钟。

而且，步骤(3)中垂熔烧结的最终温度为沈50〜^50°C，烧结时间为60〜70分钟，所得垂熔烧结条的密度为17. 2〜17. 6g/cm3。

缠绕钨丝CVD钨管的组织及性能

在CVD钨管的制备过程中，为了提高CVD钨管的强度和韧性，可以在沉积基体缠绕一层或几层很细的钨丝，得到缠绕钨丝CVD钨管（钨丝-CVD钨管复合材料）。缠绕钨丝CVD钨管可以使钨管的生长方向改变，并且，晶粒也会细化，从而使CVD钨管的强度和韧性得到提高。

因为钨丝的存在，所以，缠绕钨丝CVD钨管的密度和纯度都稍微有些下降。但其纯度仍在99％以上；密度仍可大于>19g/cm3

所以，缠绕钨丝CVD钨管具有高纯度和密度，抗碎强度显著增加，并且断口形貌显著变化。

抗下垂钨丝的室温使用性能

抗下垂钨丝的室温使用性能表现在绕丝性能上。

抗下垂钨丝由于其加工流程长，如果工艺管理不善，则很容易使钨丝产生很多细小裂纹或局部变脆，以致绕丝时很容易断裂。由于裂纹所造成的绕丝断裂断口呈须毛状，而由于丝材变脆所造成的断口则呈现晶面闪光状。

抗下垂钨丝的丝径一致性

抗下垂钨丝丝径一致性差会导致白炽灯泡的光电参数差，有的还会影响到灯泡的使用寿命。抗下垂钨丝可用于制作各种白炽灯和卤钨灯的灯丝以及气体放电灯的电极，少数用作高温炉的发热材料、电子管的热子和复合材料的加强筋。

对用作气体放电灯阴极的抗下垂钨丝或钨杆，为降低其电子逸出功，须加入0.5～3％的钍，称为钨钍丝。由于钍是一种放射性元素，污染环境，故有用铈来代替钍作成钨铈丝或钨铈杆的。但铈的蒸发率高，所以钨铈丝或钨铈杆只能用于小功率的气体放电灯。

抗下垂钨丝一旦经高温使用发生再结晶以后就变得很脆，在受冲击或震动的情况下极易断裂。在一些要求高可靠性的电光源产品中，为防止灯丝的断裂，常在抗下垂钨丝中加入3～5％的铼，称为钨铼丝，它可以使钨的延脆转变温度下降到室温或室温以下。这是一种很奇特的铼效应，至今还未发现一种元素能代替铼，在钨中产生同样效应。

钨在常温下有较好的耐酸、碱能力，但在潮湿的空气中易被氧化，所以细钨丝不能在潮湿环境中贮存过久。另外钨在1200℃上下就开始与碳起反应生成钨的碳化物，所以对灯丝的烧氢处理要注意这个问题，否则钨与其表面的石墨润滑剂起反应，则灯丝就要变脆断裂。

抗下垂钨丝的高温使用性能

抗下垂钨丝的工作温度一般在2300～2800℃之间，通常灯泡功率越大，灯丝的工作温度也越高，由此可见，灯丝的工作温度远超过钨丝的再结晶温度，此时，灯丝在其自重的作用下，在两挂钩之间的丝段将产生下垂现象，严重时，灯丝可下垂到与灯泡的玻壳相碰。因为抗下垂钨丝与不具有抗下垂功能的普通钨丝的再结晶晶体结构有很大的差别。

抗下垂钨丝的再结晶晶体结构是呈长条状互相搭接的粗大晶粒，而后者的则基本上是等轴晶体。由金属材料的高温蠕变理论可知，抗下垂钨丝的长条状搭接结构的再结晶晶体结构可以大大地提高其高温抗下垂性能。

所以，在粉末冶金阶段，对于掺杂了少量钾氧化物、硅氧化物或是铝氧化物的抗下垂钨丝，虽然其产品的硅、铝（百万分之几）和钾（百万分之几十）的含量少之又少，但是，这种产品的抗下垂性能却能够得到极大的改善。

加工及工艺退火对抗下垂钨丝易脆性的影响

通过研究加工和工艺退火后的晶粒尺寸对拉拔钨丝和300—1300℃退火钨丝的影响，可进一步了解抗下垂钨丝的拉伸性能和断裂方式。加工和退火的晶粒尺寸对抗下垂钨丝的拉伸性能有如下影响:

晶粒尺寸分别为50和105μm的、用常规方法生产的两组试样，它们的延伸率和强度实际上是相同的。

拉伸断裂方式分为三种，纤维开裂、劈裂和劈裂—纤维开裂混合型断裂，且随着退火温度的变化和实际断裂应变值的不同而不同。

通过强力拉伸工艺制得的φ0.24mm的钨丝(由φ1.0mm的钨丝拉制而成)，其延伸率和强度可发现有明显改善。

高性能抗震抗下垂钨丝的制备

随着经济的快速发展，国防、交通运输等工业对高性能抗震抗下垂钨丝（不易下垂、不易震断）的需求量增大。如何在普通抗下垂钨丝的工艺生产基础上制备出具有良好高温抗下垂性能和抗震性能的高性能抗下垂钨丝？对钨丝的高温性能与抗震性能有关键的影响的阶段是在抗下垂钨丝制备的粉末冶金阶段：

温度控制在 260~460℃、氢气流量为0.3~0.5m3/h 的条件下，选用仲钨酸铵（流动性能良好，各种杂质含量小于50ppm，晶粒形貌为单斜晶六方形结构）还原获得蓝色氧化钨（粒度为 9.1μm ）。

在550~870℃下，往蓝色氧化钨中添加K、Si、Al、Co元素，经过两阶段还原获得不同粒度的钨粉，最有利于钨丝获得好的高温抗下垂性能和抗震性能是，B：D粉末为4：6的比例搭配，使钨粉粒度呈正态分布。

抗下垂钨丝的活化重结晶

在低温条件下，将某些金属（如钯，镍，铁等其他金属）附在焊丝表面，将发生重结晶。这是一个重要的过程，因为它可能会严重恶化的抗下垂钨丝的机械性能，被诱导时电线作为在金属基复合材料的增强材料。

透射电子显微镜观察表明，大约为0.18mm掺杂钨丝的再结晶的初始阶段形成，通过位错的重排，新晶粒的相对取向差可以发挥在再结晶过程中的关键作用。钾的阻碍作用的气泡两者上错位重排和界迁移导致重绘制掺杂钨丝的异常再结晶行为。

此外，人们发现，重结晶钨晶粒的非<110>取向可能起源无论是从谷物用非<110>取向在原料或来自新核粒。这些意见可以解释钨丝其目前的理论无法解释的再结晶特征。