金属钨的光辉秘史

编译 魏刘伟

100年前，威廉•柯立芝把钨拉伸成了细丝，点亮了白炽灯泡和整个世界。

威廉·柯立芝（William D. Coolidge）不想离开他深爱的波士顿，也不想离开麻省理工学院物理学研究的科学洪流。但在1905年，他沉重的学校债务和微薄的教师工资使得他无法拒绝来自通用电气（GE）的一份报酬丰厚的工作。因此，那年秋天，32岁的柯立芝不情愿地登上了波士顿到布法罗的49号列车，前往纽约的斯克内克塔迪——一个网格化的河岸小镇——托马斯·爱迪生把它改造成了一个电力城市。几年内，柯立芝将揭开一个冶金之谜，给这个城市乃至整个世界留下印记。然而，几十年后，大多数美国人都不会意识到，他们家里明亮的灯泡里装的是柯立芝的灯丝，而不是爱迪生的。

当柯立芝于1905年9月抵达斯克内克塔迪时，通用电气的研究实验室——19号楼，就像一个木屋，与麻省理工学院现代化的设施相去甚远。柯立芝对于为一家公司做研究且最终目标是为股东赚钱持保留态度。他想知道在通用电气是否可以自由选择他在麻省理工学院所喜欢的有趣问题，并担心会被困在一家制造厂的角落里做着卑微的工作。然而，他一进入大楼，就无暇学术。危机就在眼前。

通用电气的主要产品是灯泡，大部分是碳纤维灯泡——将爱迪生的发现与英国发明家约瑟夫·斯旺（Joseph Swan）的互补技术结合在一起。1879年，爱迪生用灯丝给世界带来了光明：首先是棉线，然后是纸板，最后是竹子。但是，这些灯泡充满了问题：它们只能发出微弱的光，且容易破碎，寿命短暂。通用电气改进了碳纤维，将其平均寿命从100小时延长到500小时以上。但他们需要有一些突破性的创造，因为竞争对手正紧跟其后。他们需要一种新的灯丝，它需要发出更亮的光，持续时间更长，更耐用。

制造金属丝

在欧洲，发明家们已经开始用其他材料制造灯丝，每种材料都有不同程度的成功。锇，一种硬而脆的元素，是第一种被拉成细丝的金属。由于它的高熔点，它比通用电气改进后的碳丝发光更亮，效率更高。但锇的稀有性和价格意味着顾客必须把用过的灯泡退回来回收金属。欧洲研究人员还尝试了周期表上具有类似耐热性能的相邻元素，如钽和钨。

当欧洲人在这些金属方面取得进展时，通用电气认为迫切需要为美国的大型市场制造更亮的灯泡，并使用新的灯丝。但要做到这一点，他们必须拿出一些独特的东西，并在这一过程中克服巨大的技术挑战。柯立芝受雇于威利斯·惠特尼（Willis Whitney）——他曾是麻省理工学院的化学教授，1900年被聘为研究实验室的第一任主任。为了找到这个新的灯丝，惠特尼策划了一个类似于军事行动的战略。

惠特尼着眼于元素周期表上的锇和它的邻居们，以它们为线索来寻找灯丝材料。他给了手下30位科学家每人几种元素进行评估。他们的任务很直截了当，但并不简单：找到一种金属，这种金属可以形成一根毛发状的细丝，当电流通过时能承受高达数千摄氏度的高温，就像烤面包机里的线圈一样。理想情况下，这种材料应该对灯泡内的少量氧气保持惰性，以避免常见的使光线变暗的反应。此外，惠特尼还指示他的科学家们研究一类叫作难熔金属的元素，这类元素因其耐磨性而极难加工。

在柯立芝之前，其他科学家也曾用钨丝做过实验，但他是第一个制造出柔韧性好的钨丝的人，这种钨丝在弯曲时不会断裂。通用电气很快在白炽灯泡中使用了钨丝，1911年制造出麦咨达灯泡

1905年，柯立芝到达通用电气，与麻省理工学院的研究设施相比，这里的设施很简陋。但就是在这里，柯立芝发明了钨丝

柯立芝被指派研究周期表中的钽元素。他还研究了相邻的两种金属——钼和钨，它们的硬度分别是钽的两倍和三倍。柯立芝花了几个月专注于钽元素的研究。德国的研究人员已经将钽制成了细丝，当直流电通过钽丝时，钽灯泡的点亮时间长达900多小时——即一个多月。但是他们的寿命在交流电的情况下会下降70%，而交流电在美国电网中占主导地位。部分钽丝在电流作用下变得易碎，并会在交变震动的脉冲作用下断裂。柯立芝在钽元素的研究方面进展甚微，在最终专注于钨之前，他曾短暂地研究过钼。

征服钨元素

钨的优良特性使它成为一个有价值的最终目标。钨是元素周期表的所有元素中熔点最高的（3 422℃），当电流通过钨时，钨会发出白热的光而不熔化。其光芒呈现出栩栩如生的色彩，而不是早期灯泡的黄色色调。但是钨的高熔点也限制了科学家对它的研究。科学家通常通过加热和软化金属来处理金属，但大多数工具都无法维持铸造钨所需的温度。

钨也是一种难应付的、坚硬的和易碎的金属。为了利用钨的强度，金属工人和制造商并不是单独使用它：而是将它融入钢和其他合金中，使之更坚硬。其他科学家的早期实验表明钨不能被加工，也不能被拉成细丝。柯立芝当时指出，这个项目似乎没有希望，但其团队坚持了下来。

柯立芝利用了钨的次佳起始点——它的粉末形式。他用液压机将钨粉挤压成砖块状，用水银电弧炉将粉末烧熔在一起。然后，柯立芝试图挤压这个钨块——他称之为钨棒——使其通过一个孔，形成一根灯丝，但钨不肯屈服。当柯立芝试图用金属锉打磨钨的表面时，他发现工具损坏了。柯立芝经过几个月不成功的尝试后，又尝试了另一种方法：把钨粉倒入由淀粉和其他有机化合物制成的黏合剂中，混合在一起后喷出一根细丝。当他将其测试灯泡时，烧焦的黏合剂使玻璃内部变黑了。

在这张1922年的照片中，柯立芝（右）向爱迪生解释了这种机器是如何为白炽灯泡生产钨丝的

1906年3月，一根海绵状的钨棒意外地从烧结炉掉入液态汞池中，汞填充了气孔，从而实现了突破。柯立芝回忆起小时候曾经补过牙。他的牙医把从一枚墨西哥硬币上刮下来的银片混合成液态水银，作为汞齐；年轻的柯立芝注意到，这种黏性的糊状物在变硬成永久形状之前是可以塑形的。柯立芝意识到可以把汞与钨混合，然后喷成金属丝。他将钨混合到汞和其他软金属（包括铋和镉）制成的汞合金中，接着挤压它，然后熔化掉汞合金中较软的金属，从而制成了钨丝。灯丝在灯泡里能够稳定地发光。

柯立芝在1907年初给他的父母写信说：“我的方法现在肯定很有前途了。”柯立芝把钨丝投放市场，很快就卖出了近50万只新灯泡。柯立芝的母亲在那年秋天写道：“你的灯已经在城里了。”但钨丝仍然很脆弱：汞合金使钨丝具有弹性，然而，软金属熔化后，剩余的易碎钨颗粒很容易折断。因此，柯立芝的任务是制造一个更强大的版本，使其足以承受更严酷的条件，如汽车和火车的振动。

来自缝纫针的经验

为了解决使钨具有韧性和耐久性的挑战，柯立芝和他的四名技术人员回到对钨粉的压制，开始用钨棒制造灯丝。首先，他们在一定的温度范围内敲打钨棒，但冷却后的钨棒仍然很脆。柯立芝随后雇了一个铁匠来加热和锤击钨棒，但钨棒出现了裂纹。后来他试过用热轧机，但轧件还是太脆了。在那之后，他尝试把钨压在两个热块之间，但钨棒太厚了。最后，他通过加热的模具将钨拉出来，这个过程将金属颗粒拉伸成细丝，并将它们扭曲成极小的、像绳子一样的细丝。柯立芝逐渐缩小模具的直径不断重复了这一过程。最终即使在室温下，形成细丝也是柔软的。

他们现在有了一种很有前途的灯丝，但柯立芝在实验室中进行的方法太慢、太麻烦，无法大规模生产灯丝。柯立芝在寻找具有生产水平的工艺时，从缝纫针中获得了灵感：当他还是个孩子的时候，他的母亲会亲手做衣服，让他坐在她的膝盖上时，教他缝纫。

1908年12月，柯立芝拜访了查尔斯·考尔斯（Charles A. Cowles），他是康涅狄格州安索尼亚的一家电线和针线制造公司的老板。考尔斯制造了一种特殊的锻造机，能够以每分钟数千次的频率来锤击热铜线，然后通过一个锥形的金属孔拉扯铜线以减小其直径。一旦金属丝达到特定的尺寸，金属丝就通过直径越来越小的单独的金刚石模具被拉伸。

柯立芝相信，考尔斯的方法提供了一个实用的方法来制作他的韧性钨丝。但锻模机，连同其钻石模具都很昂贵。幸运的是，惠特尼知道这项研究并不便宜，并相信柯立芝的想法可以解决他们的问题。于是惠特尼说服通用电气管理层进行了冒险，到1909年春天，柯立芝就得到了他的设备。

经久耐用

借助这些工具，柯立芝逐渐将钨从一种易碎的、不易加工的金属转变为一种耐用、精细、韧性好的灯丝，在这一过程中，他通过反复试验改进了工艺。他把纯氧化钨粉末放在一个坩埚里——坩埚是由英国巴特西的黏土制成的——加热到400℃左右，然后将其在石英管里加热到1 000℃以上。接着将氢气流过加热的粉末，与氧气反应生成纯钨金属。随后，钨粉被压缩并烧结成棒，钨棒被加热后锻造数次。最后，将细钨丝加热到红热状态，并通过几个直径越来越小的热金刚石模具拉制出细丝。有时柯立芝还会加入额外的轧制、拉拔和锤击步骤来制造灯丝。

当时，他不明白为什么有些步骤会提高钨丝的性能。例如，巴特西黏土含有钾，而钾与钨结合在一起，就会提高钨的延展性。但柯立芝拥有专注力和耐心，他最终获得了预期的结果。

到1910年，经过多年的努力，柯立芝的工艺可以生产出数公里直径只有6微米的韧性钨丝，数百万只钨丝灯泡从此进入市场。（在他1913年的专利中，灯丝的直径只有2微米。）通用电气以麦芝达这个品牌销售其所有钨丝，该名称源于波斯光明与创造之神阿胡拉·麦芝达（Ahura Mazda）。到1916年，钨丝灯泡的销量就超过了爱迪生的碳丝灯泡，在美国销售的白炽灯泡中85%都是钨灯丝。很快每家每户都拥有了柯立芝的灯泡。用柯立芝的基本工艺制成的钨丝点亮了所有的现代白炽灯泡，这些灯泡在过去几年中被更高效的紧凑型荧光灯和LED灯泡所取代。

与爱迪生相比，柯立芝的贡献已基本被遗忘，部分原因是这位害羞内向的工程师更喜欢悄悄解开谜题，因而不受关注。但柯立芝顽强地驯服了钨，在1922年的一篇报纸文章中，连爱迪生都钦佩他征服“如此顽强的金属”的能力。