Tungsten Lamp Filaments

История лампы накаливания в книге "Спекание: от эмпирических наблюдений к научным принципам"

Алекса́ндр Никола́евич Лоды́гин
(6 октября 1847 — 16 марта 1923) —
русский электротехник, один из
изобретателей лампы накаливания,
предприниматель.

История создании и совершенствовании электрической лампочки включает в себя множество изобретений и научных открытий, над которыми работали талантливые изобретатели и выдающиеся ученые, вплоть до лауреатов Нобелевской премии. Эта история настолько насыщена событиями и лицами, что попытка написать её краткую версию приводит к не совсем правдивым и (или) однобоким повествованиям. Это тот случай, когда не полная правда не есть правда. Кроме того, такая однобокость привела к тому, что в разных странах изобретателями лампы накаливания считаются разные люди. Так, например, в США, Великобритании, Франции, Германии и России изобретателями лампы накаливания принято считать своих соотечественников. Можно сказать, что в каждой из этих стран, из истории лампы накаливания была взята небольшая часть, и на её основе сотворен миф. Специально это было сделано или случайно сказать затруднительно, и с каждым случаем здесь надо разбираться отдельно. Заказчиками мифов может, например, выступать государство, особенно тоталитарное. Но и «демократические» страны могут этим грешить, особенно если сами изобретатели усиленно занимаются собственным пиаром (маркетингом), то подхватить и раздуть этот миф патриотической «свободной» прессе будет только в удовольствие.  
И тем не менее, кратких рассказов об изобретении электрической лампочки можно найти достаточно много, например статья Electric light bulb - история создания лампы накаливания, в которой много внимания уделено русскому следу в её истории. В этом «русском следе» неясным остается вопрос о приоритете использования вольфрамовых нитей в лампах накаливания. Утверждается, что в 1890 г. А.Н.Лодыгин получил в США патент на электрические лампы накаливания с металлической нитью, а в 1900 году представил образцы своих лампочек с вольфрамовой нитью на Всемирной выставке в Париже. В 1906 г. патент Лодыгина на лампы с вольфрамовой нитью приобрела у него американская компания "General Electric". Проблема, однако, заключается в том, что патенты действительно были, но получены не в 1890 году, а немного позже. Свидетельств о том, что лампочки Лодыгина с металлической нитью были представлены на Всемирной выставке, найти не удалось, впрочем, как и конкретных сведений о покупке патента. А кроме того, в других источниках, в контексте изобретателей вольфрамовой нити для электрической лампочки, упоминаются совсем другие имена. 
В связи с этим, весьма интересной оказалась глава из книги Sintering: From Empirical Observations to Scientific Principles, которая называется Tungsten Lamp Filaments. Хотя само слово Sintering переводится как спекание, эта книга посвящена истории порошковой металлургии. И именно методами порошковой металлургии в конечном итоге были получены образцы пластичного (ковкого) вольфрама, из которых удалось получить тонкую проволоку, пригодную для ламп накаливания. Можно сказать, что в этой книге представлен непредвзятый и объективный взгляд на историю создания вольфрамовых нитей для электрических ламп. Ниже приведен практически полный перевод этой статьи.

Вольфрамовые нити ламп накаливания

Исследования в области электрического освещения были важным этапом в истории спекания. По мере того как электричество лучше понималось, появлялось всё больше возможностей его применения в освещении. До электрического света освещение получали от газовых колпачков и свечей. Хамфри Дэви (Humphry Davy) изобрел электрическую лампу в 1809 году. В США Гебель (Henry Goebel) изобрел стеклянную колбу с карбонизированной нитью в 1854 году. Первые лампочки накаливания из углеродного волокна работали всего несколько часов и были неэффективными, с выходной мощностью 1,4 люмен на ватт. Вальтер Нернст (нем. Walther Hermann Nernst) [Нобелевская премия 1920 года] создал лампу, использующую смешанные оксиды магния, кальция и редкоземельных элементов, обеспечивающую 5 люмен на ватт.

В 1874 году Генри Вудворд (Henry Woodward) и Мэттью Эванс (Matthew Evans)  из Торонто изобрели конструкцию лампы, но были не в состоянии обеспечить финансирование коммерциализации идеи и продали ее Эдисону. Вскоре после этого, волокна из углеродного волокна достигли срока службы 13 часов. Эдисон запатентовал свою версию лампочки в 1879 году, полагаясь на углеродную нить в вакуумированной стеклянной оболочке. Срок службы нити составлял 45 часов, который в конечном итоге достиг 1000 часов при использовании постоянного тока. Борьба за контракты по электрификации целых городов способствовала поиску все более долговечных и недорогих нитей, а также способствовала появлению множества изобретений в этом направлении.

К началу 1900-х годов продление срока службы произошло благодаря нитям на основе тугоплавких металлов, таких как осмий и тантал, с большим трудом получаемых из спеченных порошков. Процесс состоял в смешивании порошка оксидов металла с каучуком или сахаром, и формировании нитей путем экструзии. Затем в атмосфере водорода, под действием электрического тока, происходило выгорание связующего, восстановление металла из оксидов и его спекание с образованием нити.

Карл Ауэр фон Вельсбах (нем. Carl Freiherr Auer von Welsbach)  подготовил почву для вольфрама работая в фирме Осрам (Osram), названной в честь осмий-вольфрама. Первоначально он спекал осмиевые нити, но впоследствии перешел на тантал и вольфрам. Ранние вольфрамовые нити были также изготовлены с использованием химического парового осаждения спеченных вольфрам-никелевых композиций. Российский изобретатель Лодыгин показал лампу накаливания с вольфрамовой нитью на Всемирной выставке в Париже (Paris World Exhibition) в 1900 году. Все эти ранние вольфрамовые нити были хрупкими, но они продемонстрировали преимущества вольфрама, как материала для ламп накаливания.

Для достижения температуры спекания, применялся процесс, называемый искровым спеканием, который заключался в нагревании вольфрамовых нитей интенсивным проходящим электрическим током. Идея была заимствована у Ачесона (Acheson) и Муассана (Moissan). Для вольфрама электрическое искровое спекание было запатентовано Волкером (Voelker) в 1900 [27]. Вольфрамовая паста была экструдирована и спечена с образованием нитей большого диаметра для ламп высокой мощности [28-30]. Процесс, запатентованный Люксом (Lux), основывался на импульсах электрического тока в 1 секунду при плотности 10 A/мм2 в вакууме (Bloxam выступил в роли его патентного агента в Лондоне и часто ошибочно упоминается как изобретатель). Эта концепция спекания на постоянном токе стала основой процесса.

Прошло 30 лет с момента патента Эдисона на лампочку, пока не была разработана долговечная пластичная вольфрамовая нить для использования с переменным током. Для решения этой проблемы Эдисон нанял Уитни (Whitney), бывшего ученика нобелевского лауреата Вильгельма Оствальда (1853 - 1932). Уитни ушел из Массачусетского технологического института, чтобы стать научным руководителем лаборатории General Electric в Скенектади. В свою очередь, Уитни завербовал Кулиджа (Coolidge) из Массачусетского технологического института и Ленгмюра (Langmuir) из Технологического института Стивенса. Это стало самым успешным сотрудничеством [31].

Рис. 2.15. Уитни, Кулидж и Ленгмюр дискутируют в исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади.
This photograph shows Whitney, Coolidge, and Langmuir in discussions at the General Electric research laboratories in Schenectady.

Кулидж разработал нить, используя прессованный порошок вольфрама, спеченный постоянным электрическим током [32,33]. Спеченный слиток был подвергнут горячей обработке и вытянут в проволоку нужного диаметра. Процесс был аналогичен тому, который использовался ранее при формировании порошков железа, меди и платины. К сожалению, критически важные детали открытия Кулиджа не были поняты и объяснены, вследствие чего его патент, как сообщается, был отклонен, поскольку он был похож на процесс Волластона (Wollaston) для спекания платины. Годы спустя исследователи все еще изучали процесс получения вольфрамовых нитей, чтобы понять природу их пластичности [34,35].

В 1932 году Ленгмюр стал первым промышленным химиком, получившим Нобелевскую премию. Признание было получено благодаря его вкладу в науку, в котором подробно рассказывалось, как газы влияют на испарение («за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений»). Это дополняло открытие Кулиджем спеченного вольфрама, который сохранял пластичность при горячей обработке. Рисунок 2.15 - фотография трех пионеров. Все три получили большое признание благодаря своим усилиям по спеканию вольфрама, что способствовало широкому промышленному применению этого процесса.

При способе Кулиджа компакты вольфрамового порошка нагревали при температуре около 1000°С в атмосфере водорода и азота. Окончательное уплотнение при спекании достигалось разрядом постоянного электрического тока. Пиковые температуры были, вероятно, около 2200° С. Спеченные таким образом слитки подвергались далее горячей штамповке и вытягивались в проволоку с помощью алмазных фильер. При включении в конструкцию вакуумной лампы Эдисона вольфрамовая нить дала 10 люмен на ватт и успешно работала на переменном токе в течение сотен часов. Конечно, Тесла был ответственен за развитие переменного тока, к большому огорчению Эдисона. Ленгмюр установил, что добавление азота или аргона в откачанную лампу замедляет испарение вольфрама, обеспечивая более длительный срок службы нити накала и более высокую интенсивность света при более высоких рабочих температурах. Кроме того, он определил, что при намотке нити накала в спираль, как показано на рисунке 2.16, увеличивается срок службы лампы и уменьшается загрязнение (напыление, discoloration) колбы.

Рис. 2.16. Фотография нити накала вольфрамовой лампы, полученная на сканирующем электронном микроскопе.

Только в в 1917 году Пакц (Pacz) нашел объяснение открытию Кулиджа, определив, что преднамеренное добавление калия дало желаемую взаимосвязанную (interlocking) структуру зерен, а в 1922 году Смителлс (Smithells) нашел ряд щелочных оксидов ещё более эффективных, поскольку они выдерживали восстановление водородом во время спекания. Таким образом, важный температурный эффект вязко-хрупкого перехода, свойственный успеху Кулиджа, был связан с двумя критическими факторами:

• низкий уровень содержания примесей (кислорода), возникающий при высокотемпературном спекании в восстановительной атмосфере водорода;
• небольшой размер зерна, возникающий при закреплении границ зерен с использованием калий-натриевого силиката и глиноземных дисперсоидов.

Стойкость к высокотемпературной ползучести имеет решающее значение для срока службы нити накала. Сочетание микроструктурных закрепляющих агентов и горячей деформации приводит к образованию удлиненных зерен, которые задерживают разрушение при ползучести. Присадки  случайно попали в нити Кулиджа, которые, как сообщается, были добавлены в тигли, использованные в первом цикле обжига при 1000°С. Однако, потребовались годы, чтобы понять их критическую роль [36].

Рис. 2.17. Мощность лампы накаливания в люменах на ватт с шагом примерно в 20 лет, что свидетельствует о технологическом прогрессе со времен ранних открытий. Срок службы также показал бы значительный рост по сравнению с первыми углеродными нитями.

Сегодня из килограмма вольфрамового порошка можно изготовить 165 тысяч лампочек накаливания мощностью 40 Вт. Тем не менее, лампа накаливания отстает от новых технологий освещения. На рисунке 2.17 показан прирост производительности освещения примерно с шагом в 20 лет. Для сравнения, люминесцентные лампы производят, по крайней мере, вдвое больше оптической мощности на ватт, а их превосходят, по крайней мере, в два раза лампы на ртути и натриевые лампы. Последние включают в себя спеченную полупрозрачную (translucent) магнезию легированную алюминием, и обеспечивают более 100 люмен на ватт. Светодиоды дают еще большую эффективность, которая теперь превышают 200 люмен на ватт.

[24] B.C. Klugh, The sintering of fine iron bearing materials by the Dwight and Lloyd process. Trans. TMS-AIME 42 (1912) 364-375.
[25] F.A. Vogel, Sintering and briquetting of flue dust, Trans. TMS-AIME 43 (1912) 381-386.
[26] J. Gayley, The sintering of fine iron bearing material, Trans. TMS-AIME 42 (1912) 180-190.
[27] W.L. Voelker, Improvements in the Manufacture of Filaments for Incandescing Electric Lamps, and in Means Applicable for Use in Such Manufacturer, GB Patent 6149, issued 10 February 1900.
[28] S.W.H. Yih, C.T. Wang, Tungsten Sources, Metallurgy, Properties, and Applications, Plenum Press, New York, NY, 1979.
[29] E. Pink, L. Bartha, The Metallurgy of Doped Non-Sag Tungsten, Elsevier Applied Science, London, UK, 1989.
[30] J. Lux, Improved Manufacture of Electric Incandescent Lamp Filaments from Tungsten or Molybdenum or an Alloy Thereof, GB Patent 27,002, issued 13 December 1906.
[31] P.K. Johnson, Tungsten filaments — the first modern PM product, Inter. J. Powder Metall. 44 (4) (2008) 43-48.
[32] W.D. Coolidge, Production of Refractory Conductors, U.S. Patent 1,077,674, issued 5 November 1913.
[33] W.D. Coolidge, Ductile tungsten, Trans. Amer. Inst. Elect. Eng. 29 (1910) 961-965.
[34] C.L. Briant, Potassium bubbles in tungsten wire, Metall. Trans. 24A (1993) 1073-1084.
[35] J.L. Walter, C. Briant, Tungsten wire for incandescent lamps, J. Mater. Res. 5 (1990) 2005-2022.
[36] R. Bergman, L. Bigio, J. Ranish, Filament Lamps, Report 98 CRD 027, General Electric Research and Development Center, Schenectady, NY, 1998.
[37] C.G. Goetzel, Treatise on Powder Metallurgy, vol. Ill, Interscience Publishers, New York, NY, 1952.
[38] K. Schroter, W. Jenssen, Tool and Die, U.S. Patent 1,551,333, issued 25 Aug 1925.
[39] H.E. Exner, Physical and chemical nature of cemented carbides, Inter. Met. Rev. 24 (1979) 149-173.

Выводы:

1. Начальный этап исследований в области электрического освещения описан слабо. Как обычно, открытие электрической дуги приписывается Хамфри Дэви, а не русскому ученому Василию Петрову, который сделал это на несколько лет раньше, в 1802 году. Кроме того, лампочки Гебеля от 1854 года, как показали последние исследования, являются очередным мифом, созданном на основе газетной сенсации. Список изобретателей и ученых из довольфрамовой эпохи лампы накаливания, упомянутых в книге, слишком уж мал. 
2. В книге подтверждается приоритет Лодыгина на идею применения вольфрамовых нитей, и указан способ их получения с использованием химического парового осаждения. Упоминается и их демонстрация на Всемирной выставке в Париже, но к сожалению без указания источников информации.
3. Самое ценное в этой книге, это описание истории получения пластичного вольфрама в лаборатории General Electric в Скенектади, и роль выдающихся ученых Кулиджа, Уитни и Ленгмюра в этом процессе и в дальнейшем совершенствовании лампы накаливания.
4. Весьма интересным оказался тот факт, что открытие Кулиджем способа получения ковкого вольфрама произошло случайно, и потребовалось ещё несколько лет исследований, чтобы понять этот процесс.