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絲，點亮了白熾燈泡和整個世界。

威廉·柯立芝（William D. Coolidge）不想離開他深愛的波士頓，也不想離開麻省理工學院物理學研究的科學洪流。但在1905年，他沉重的學校債務和微薄的教師工資使得他無法拒絕來自通用電氣（GE）的一份報酬豐厚的工作。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號列車，前往紐約的斯克內克塔迪——一個網格化的河岸小鎮——托馬斯·愛迪生把它改造成了一個電力城市。幾年內，柯立芝將揭開一個冶金之謎，給這個城市乃至整個世界留下印記。然而，幾十年后，大多數美國人都不會意識到，他們家里明亮的燈泡里裝的是柯立芝的燈絲，而不是愛迪生的。

當柯立芝于1905年9月抵達斯克內克塔迪時，通用電氣的研究實驗室——19號樓，就像一個木屋，與麻省理工學院現代化的設施相去甚遠。柯立芝對于為一家公司做研究且最終目標是為股東賺錢持保留態度。他想知道在通用電氣是否可以自由選擇他在麻省理工學院所喜歡的有趣問題，并擔心會被困在一家制造廠的角落里做著卑微的工作。然而，他一進入大樓，就無暇學術。危機就在眼前。

通用電氣的主要產品是燈泡，大部分是碳纖維燈泡——將愛迪生的發現與英國發明家約瑟夫·斯旺（Joseph Swan）的互補技術結合在一起。1879年，愛迪生用燈絲給世界帶來了光明：首先是棉線，然后是紙板，最后是竹子。但是，這些燈泡充滿了問題：它們只能發出微弱的光，且容易破碎，壽命短暫。通用電氣改進了碳纖維，將其平均壽命從100小時延長到500小時以上。但他們需要有一些突破性的創造，因為競爭對手正緊跟其后。他們需要一種新的燈絲，它需要發出更亮的光，持續時間更長，更耐用。

制造金屬絲

在歐洲，發明家們已經開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，是第一種被拉成細絲的金屬。由于它的高熔點，它比通用電氣改進后的碳絲發光更亮，效率更高。但鋨的稀有性和價格意味著顧客必須把用過的燈泡退回來回收金屬。歐洲研究人員還嘗試了周期表上具有類似耐熱性能的相鄰元素，如鉭和鎢。

當歐洲人在這些金屬方面取得進展時，通用電氣認為迫切需要為美國的大型市場制造更亮的燈泡，并使用新的燈絲。但要做到這一點，他們必須拿出一些獨特的東西，并在這一過程中克服巨大的技術挑戰。柯立芝受雇于威利斯·惠特尼（Willis Whitney）——他曾是麻省理工學院的化學教授，1900年被聘為研究實驗室的第一任主任。為了找到這個新的燈絲，惠特尼策劃了一個類似于軍事行動的戰略。

惠特尼著眼于元素周期表上的鋨和它的鄰居們，以它們為線索來尋找燈絲材料。他給了手下30位科學家每人幾種元素進行評估。他們的任務很直截了當，但并不簡單：找到一種金屬，這種金屬可以形成一根毛發狀的細絲，當電流通過時能承受高達數千攝氏度的高溫，就像烤面包機里的線圈一樣。理想情況下，這種材料應該對燈泡內的少量氧氣保持惰性，以避免常見的使光線變暗的反應。此外，惠特尼還指示他的科學家們研究一類叫作難熔金屬的元素，這類元素因其耐磨性而極難加工。

在柯立芝之前，其他科學家也曾用鎢絲做過實驗，但他是第一個制造出柔韌性好的鎢絲的人，這種鎢絲在彎曲時不會斷裂。通用電氣很快在白熾燈泡中使用了鎢絲，1911年制造出麥咨達燈泡

1905年，柯立芝到達通用電氣，與麻省理工學院的研究設施相比，這里的設施很簡陋。但就是在這里，柯立芝發明了鎢絲

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。柯立芝花了幾個月專注于鉭元素的研究。德國的研究人員已經將鉭制成了細絲，當直流電通過鉭絲時，鉭燈泡的點亮時間長達900多小時——即一個多月。但是他們的壽命在交流電的情況下會下降70%，而交流電在美國電網中占主導地位。部分鉭絲在電流作用下變得易碎，并會在交變震動的脈沖作用下斷裂。柯立芝在鉭元素的研究方面進展甚微，在最終專注于鎢之前，他曾短暫地研究過鉬。

征服鎢元素

鎢的優良特性使它成為一個有價值的最終目標。鎢是元素周期表的所有元素中熔點最高的（3 422℃），當電流通過鎢時，鎢會發出白熱的光而不熔化。其光芒呈現出栩栩如生的色彩，而不是早期燈泡的黃色色調。但是鎢的高熔點也限制了科學家對它的研究。科學家通常通過加熱和軟化金屬來處理金屬，但大多數工具都無法維持鑄造鎢所需的溫度。

鎢也是一種難應付的、堅硬的和易碎的金屬。為了利用鎢的強度，金屬工人和制造商并不是單獨使用它：而是將它融入鋼和其他合金中，使之更堅硬。其他科學家的早期實驗表明鎢不能被加工，也不能被拉成細絲。柯立芝當時指出，這個項目似乎沒有希望，但其團隊堅持了下來。

柯立芝利用了鎢的次佳起始點——它的粉末形式。他用液壓機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鎢塊——他稱之為鎢棒——使其通過一個孔，形成一根燈絲，但鎢不肯屈服。當柯立芝試圖用金屬銼打磨鎢的表面時，他發現工具損壞了。柯立芝經過幾個月不成功的嘗試后，又嘗試了另一種方法：把鎢粉倒入由淀粉和其他有機化合物制成的黏合劑中，混合在一起后噴出一根細絲。當他將其測試燈泡時，燒焦的黏合劑使玻璃內部變黑了。

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

1906年3月，一根海綿狀的鎢棒意外地從燒結爐掉入液態汞池中，汞填充了氣孔，從而實現了突破。柯立芝回憶起小時候曾經補過牙。他的牙醫把從一枚墨西哥硬幣上刮下來的銀片混合成液態水銀，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。柯立芝意識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定地發光。

柯立芝在1907年初給他的父母寫信說：“我的方法現在肯定很有前途了。”柯立芝把鎢絲投放市場，很快就賣出了近50萬只新燈泡。柯立芝的母親在那年秋天寫道：“你的燈已經在城里了。”但鎢絲仍然很脆弱：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，柯立芝的任務是制造一個更強大的版本，使其足以承受更嚴酷的條件，如汽車和火車的振動。

來自縫紉針的經驗

為了解決使鎢具有韌性和耐久性的挑戰，柯立芝和他的四名技術人員回到對鎢粉的壓制，開始用鎢棒制造燈絲。首先，他們在一定的溫度范圍內敲打鎢棒，但冷卻后的鎢棒仍然很脆。柯立芝隨后雇了一個鐵匠來加熱和錘擊鎢棒，但鎢棒出現了裂紋。后來他試過用熱軋機，但軋件還是太脆了。在那之后，他嘗試把鎢壓在兩個熱塊之間，但鎢棒太厚了。最后，他通過加熱的模具將鎢拉出來，這個過程將金屬顆粒拉伸成細絲，并將它們扭曲成極小的、像繩子一樣的細絲。柯立芝逐漸縮小模具的直徑不斷重復了這一過程。最終即使在室溫下，形成細絲也是柔軟的。

他們現在有了一種很有前途的燈絲，但柯立芝在實驗室中進行的方法太慢、太麻煩，無法大規模生產燈絲。柯立芝在尋找具有生產水平的工藝時，從縫紉針中獲得了靈感：當他還是個孩子的時候，他的母親會親手做衣服，讓他坐在她的膝蓋上時，教他縫紉。

1908年12月，柯立芝拜訪了查爾斯·考爾斯（Charles A. Cowles），他是康涅狄格州安索尼亞的一家電線和針線制造公司的老板。考爾斯制造了一種特殊的鍛造機，能夠以每分鐘數千次的頻率來錘擊熱銅線，然后通過一個錐形的金屬孔拉扯銅線以減小其直徑。一旦金屬絲達到特定的尺寸，金屬絲就通過直徑越來越小的單獨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實用的方法來制作他的韌性鎢絲。但鍛模機，連同其鉆石模具都很昂貴。幸運的是，惠特尼知道這項研究并不便宜，并相信柯立芝的想法可以解決他們的問題。于是惠特尼說服通用電氣管理層進行了冒險，到1909年春天，柯立芝就得到了他的設備。

經久耐用

借助這些工具，柯立芝逐漸將鎢從一種易碎的、不易加工的金屬轉變為一種耐用、精細、韌性好的燈絲，在這一過程中，他通過反復試驗改進了工藝。他把純氧化鎢粉末放在一個坩堝里——坩堝是由英國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。接著將氫氣流過加熱的粉末，與氧氣反應生成純鎢金屬。隨后，鎢粉被壓縮并燒結成棒，鎢棒被加熱后鍛造數次。最后，將細鎢絲加熱到紅熱狀態，并通過幾個直徑越來越小的熱金剛石模具拉制出細絲。有時柯立芝還會加入額外的軋制、拉拔和錘擊步驟來制造燈絲。

當時，他不明白為什么有些步驟會提高鎢絲的性能。例如，巴特西黏土含有鉀，而鉀與鎢結合在一起，就會提高鎢的延展性。但柯立芝擁有專注力和耐心，他最終獲得了預期的結果。

到1910年，經過多年的努力，柯立芝的工藝可以生產出數公里直徑只有6微米的韌性鎢絲，數百萬只鎢絲燈泡從此進入市場。（在他1913年的專利中，燈絲的直徑只有2微米。）通用電氣以麥芝達這個品牌銷售其所有鎢絲，該名稱源于波斯光明與創造之神阿胡拉·麥芝達（Ahura Mazda）。到1916年，鎢絲燈泡的銷量就超過了愛迪生的碳絲燈泡，在美國銷售的白熾燈泡中85%都是鎢燈絲。很快每家每戶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亮了所有的現代白熾燈泡，這些燈泡在過去幾年中被更高效的緊湊型熒光燈和LED燈泡所取代。

與愛迪生相比，柯立芝的貢獻已基本被遺忘，部分原因是這位害羞內向的工程師更喜歡悄悄解開謎題，因而不受關注。但柯立芝頑強地馴服了鎢，在1922年的一篇報紙文章中，連愛迪生都欽佩他征服“如此頑強的金屬”的能力。