扫描电子显微镜之--电子枪钨丝断裂机理浅析

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1、一、灯丝的制作　　金属钨（W）具有熔点高、蒸发率低，在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、电阻系数大、较易加工成型等优点，故此，现代白炽灯都采用金属钨作为发光体。　　灯用钨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将钨砂（WO3）经氢气还原制得金属钨粉，压制成钨条放在氢气炉中直接通电进行烧结（烧结温度在3100℃左右）制成钨的金属棒，然后用旋锤机锻造，通过金刚石细孔，多次拉拔成细丝，并卷曲成螺纹状钨丝。　　拉制出来的钨丝具有纤维结构，但其温度到1100—1300℃，会发生再结晶现象，使纤维结构遭到破坏。当温度达到1500—1600℃时，则晶粒发生长大，使钨变脆，并引起高温下

2、垂。由于实际应用中钨丝的工作温度一般高达2400K—2600K以上，为改进钨丝质量，在烧结过程中常加添加剂，如Na2O，K2O，SiO2，ThO等，以改变钨丝的再结晶组织，提高高温抗蠕变能力与钨丝的高温抗下垂能。　　根据钨丝制作工艺可知，钨丝烧结温度低于熔点，钨原子扩散不很充分，添加剂的使用及钨粉的纯度不可能百分之百的纯净，就势必造成晶间夹杂，存在成分结构不均匀。又经多次拉拔，产生过量塑变，使钨丝内部存在大量的空位和位错。虽经退火处理，但位错仍以网状存在于灯丝之中。又钨系体心立方晶格，电子层分布不对称，使原子结合力具有方向性，其位错阻力（Peteres应力）较大。又晶体本

3、身脆性较大金属的力学性能，对温度急变与应变速度极为敏感，故钨丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。二、灯丝正常发光时，断裂机理的分析　　1、灯丝的“升华”变细机制　　灯丝在高温下“升华”变细的原因主要有两个方面，一个是“水循环”破坏作用造成，另一个由钨本身的物理性质蒸气压所致。　　（1）灯泡经抽气后，不可能达到绝对真空，不免有残留氧气（O）和水蒸气（H2O）吸附在灯丝上，在白炽的情况下发生化学反应。　　a．水蒸气在白炽灯丝上离解为氢和氧　　b．氧和钨反应，能形成易挥发的氧化物，从灯丝上蒸发出来，而沉积在泡壁上。　　　　　　　　　　　　　　　　c．从灯丝上扩散出

4、来的H与泡壁上的氧化钨进行还原反应　　这些过程的进行，其结果使钨从灯丝迁移；到泡壁上，而水始终保持恒定，与钨丝不断作用形成“水循环”的破坏作用，灯丝就这样变细，又由于“升华”的随机性，使钨丝表面变得粗糙甚至带有缺口（毛刺），进一步加强了钨丝的脆性敏感，最后变细的灯丝不能承受机械载荷或震动而断裂，或者在局部处因灯丝变细、电阻相对。变大，温度变高，易达到熔点而烧断。　　（2）钨丝在高温工作时，蒸发速度大大上升，表1给出了钨在各种温度下的蒸发率和直径为0．1mm的直线钨丝在真空中工作时的寿命。表1温度T（K）蒸发率V(g／cm2·s)直径为0.1mm钨丝的寿命H(h)20001

5、5.5×10-151.00×107220022.4×10-237.20×104240013.8×10-111.11×103260041.7×10-103.86×10280083.3×10-91.9300010.5×10-70.15　　由表中数据可看出当灯丝工作温度从2400K提高到3000K时，蒸发率增加了约7600倍，寿命从1000小时下降不到一小时，由此可见，在高温下钨的蒸发对灯丝寿命的影响非常重要。由于白炽灯丝的不均匀性，当灯丝通电工作时，在钨丝直径较细和螺距较密处的温度较高，钨的蒸发就比其他部分剧烈，这样一来该处的钨丝变得更细，则温度变得更高，产生恶性循环，最终导

6、致该处灯丝烧毁。　　2．晶体点缺陷对钨丝断裂现象的影响。　除钨“升华”使钨丝变细机械断裂或热点熔断外，另一影响钨丝寿命的主要因素是点缺陷，其中主要是空位的影响。　　用扫描电子显微镜观察灯丝，在晶粒表面有黑色的圆形点子，这些点子是空穴而不是实心，而且空穴成线性排列与钨丝轴线大致平行，另外在晶粒内部和晶粒边界处都会观察到空穴，但这种空穴数量往往沿晶粒边界，特别是边界核处要多一些。　　另外，空位平衡浓度C与温度T的关系呈指数规律变化　　　　G＝Aexp（－u／kT）（u为空位形成能）　　由上式可知，灯泡正常发光时（T约为2400Kt2600K）的空位浓度将增到常温时空位浓度的数

7、十亿倍。　　（1）由于高温下，空位在晶界，晶棱等处剧增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于钨的“升华”作用，使得存在于钨丝表面附近的空穴暴露出来，形成微裂口，该微裂口一旦产生并扩展，超过它的临界尺寸，钨丝晶间的塑性变形能力便会急剧下降，灯丝变脆，在宏观上表现为脆断。　　（2）在研究灯丝烧毁的过程中，发现变细的线圈内空穴数量要多一些，于是认为存在的空穴及其数量的差别可能是造成钨丝工作温度不一致的原因，空位扩散在晶界上形成空洞，并在高温区极大地增大了孔隙率，该处电子导电产生散射作用变大，引起电阻增大，从而使温度进一步升高，该处空