1、.關于白熾燈絲斷裂問題的淺析白熾燈在照明工程、照射技術加熱枯燥等和科學研究中都有廣泛的應用，是最重要的熱輻射光源。但由于它的某些缺乏之處，嚴重地阻礙了其進一步開展和應用，白熾燈壽命短就是其中之一。熒光燈的壽命為10000小時，而白熾燈只有1000小時，僅為熒光燈壽命的110，從而成為關注白熾燈開展狀況的學者所重視的焦點問題之一。97年?物理教學?上登載了王廣清的?頻繁開關白熾燈會影響燈泡壽命嗎?及王新智等人的?關于白熾燈絲熔斷問題的再討論?兩篇文章均對燈泡壽命問題有所闡述，本人學習思索之余，就白熾燈斷絲問題，從金屬物理、金屬力學。金屬化學的角度提出一些見解，供同行參考。一、燈絲的制作金屬鎢W具

2、有熔點高、蒸發率低，在可見光區有較高的選擇輻射、高溫下機械強度高、電阻系數大、較易加工成型等優點，故此，現代白熾燈都采用金屬鎢作為發光體。燈用鎢絲是用粉末冶金方法加工制作的。先將鎢砂WO3經氫氣復原制得金屬鎢粉，壓制成鎢條放在氫氣爐中直接通電進展燒結燒結溫度在3100左右制成鎢的金屬棒，然后用旋錘機鍛造，通過金剛石細孔，屢次拉拔成細絲，并卷曲成螺紋狀鎢絲。拉制出來的鎢絲具有纖維構造，但其溫度到11001300，會發生再結晶現象，使纖維構造遭到破壞。當溫度到達15001600時，那么晶粒發生長大，使鎢變脆，并引起高溫下垂。由于實際應用中鎢絲的工作溫度一般高達2400K2600K以上，為改進鎢絲質

3、量，在燒結過程中常加添加劑，如Na2O，K2O，SiO2，ThO等，以改變鎢絲的再結晶組織，進步高溫抗蠕變才能與鎢絲的高溫抗下垂能。根據鎢絲制作工藝可知，鎢絲燒結溫度低于熔點，鎢原子擴散不很充分，添加劑的使用及鎢粉的純度不可能百分之百的純潔，就勢必造成晶間夾雜，存在成分構造不均勻。又經屢次拉拔，產生過量塑變，使鎢絲內部存在大量的空位和位錯。雖經退火處理，但位錯仍以網狀存在于燈絲之中。又鎢系體心立方晶格，電子層分布不對稱，使原子結合力具有方向性，其位錯阻力Peteres應力較大。又晶體本身脆性較大金屬的力學性能，對溫度急變與應變速度極為敏感，故鎢絲在點燃前就是一個存在著隨機缺陷敏感組織的裂紋體。

4、二、燈絲正常發光時，斷裂機理的分析1、燈絲的“升華變細機制燈絲在高溫下“升華變細的原因主要有兩個方面，一個是“水循環破壞作用造成，另一個由鎢本身的物理性質蒸氣壓所致。1燈泡經抽氣后，不可能到達絕對真空，不免有殘留氧氣O和水蒸氣H2O吸附在燈絲上，在白熾的情況下發生化學反響。a水蒸氣在白熾燈絲上離解為氫和氧b氧和鎢反響，能形成易揮發的氧化物，從燈絲上蒸發出來，而沉積在泡壁上。c從燈絲上擴散出來的H與泡壁上的氧化鎢進展復原反響這些過程的進展，其結果使鎢從燈絲遷移；到泡壁上，而水始終保持恒定，與鎢絲不斷作用形成“水循環的破壞作用，燈絲就這樣變細，又由于“升華的隨機性，使鎢絲外表變得粗糙甚至帶有缺口毛

5、刺，進一步加強了鎢絲的脆性敏感，最后變細的燈絲不能承受機械載荷或震動而斷裂，或者在部分處因燈絲變細、電阻相對。變大，溫度變高，易到達熔點而燒斷。2鎢絲在高溫工作時，蒸發速度大大上升，表1給出了鎢在各種溫度下的蒸發率和直徑為01mm的直線鎢絲在真空中工作時的壽命。表1溫度TK蒸發率Vgcm2s直徑為0.1mm鎢絲的壽命Hh201915.510-151.00107220022.410-237.20104240013.810-111.11103260041.710-103.8610280083.310-91.9300010.510-70.15由表中數據可看出當燈絲工作溫度從2400K進步到3000K

6、時，蒸發率增加了約7600倍，壽命從1000小時下降不到一小時，由此可見，在高溫下鎢的蒸發對燈絲壽命的影響非常重要。由于白熾燈絲的不均勻性，當燈絲通電工作時，在鎢絲直徑較細和螺距較密處的溫度較高，鎢的蒸發就比其他部分劇烈，這樣一來該處的鎢絲變得更細，那么溫度變得更高，產生惡性循環，最終導致該處燈絲燒毀。2晶體點缺陷對鎢絲斷裂現象的影響。除鎢“升華使鎢絲變細機械斷裂或熱點熔斷外，另一影響鎢絲壽命的主要因素是點缺陷，其中主要是空位的影響。用電子掃描顯微技術觀察燈絲，在晶粒外表有黑色的圓形點子，這些點子是空穴而不是實心，而且空穴成線性排列與鎢絲軸線大致平行，另外在晶粒內部和晶粒邊界處都會觀察到空穴，

7、但這種空穴數量往往沿晶粒邊界，特別是邊界核處要多一些。另外，空位平衡濃度C與溫度T的關系呈指數規律變化GAexpukTu為空位形成能由上式可知，燈泡正常發光時T約為2400Kt2600K的空位濃度將增到常溫時空位濃度的數十億倍。1由于高溫下，空位在晶界，晶棱等處劇增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于鎢的“升華作用，使得存在于鎢絲外表附近的空穴暴露出來，形成微裂口，該微裂口一旦產生并擴展，超過它的臨界尺寸，鎢絲晶間的塑性變形才能便會急劇下降，燈絲變脆，在宏觀上表現為脆斷。2在研究燈絲燒毀的過程中，發現變細的線圈內空穴數量要多一些，于是認為存在的空穴及其數量的差異可能是造成鎢絲工作溫度不一致的

8、原因，空位擴散在晶界上形成空洞，并在高溫區極大地增大了孔隙率，該處電子導電產生散射作用變大，引起電阻增大，從而使溫度進一步升高，該處空位濃度進一步增大，電子散射作用進一步加強，如此惡性循環，使燈絲熔斷。一般說來，空位趨向于晶間夾雜處會聚，燈絲缺陷敏感部位，因此實際上存在著燈絲脆斷和熔斷共存的機制，且這種機制使燈絲斷裂的可能性較大。三、頻繁開關自熾燈對何絲壽命的影響白熾燈的啟動性能好，從對燈施加電壓到發出額定光通量為止，只需數百毫秒的時間，圖1表示普通照明燈40W，60W的點滅特性。在如此短的點熄滅時間內，其瞬間過渡電流約為額定電流的710倍，通常在數百毫秒到數秒內的燃點熄滅周期內，就大致可使壽

9、命縮短28。1、頻繁開關白熾燈，使燈絲出現急冷急熱，溫度發生反復變化，又由于鎢絲內部晶體呈纖維狀，表現出各向異性，導致熱應力。當熱應力超過材料高溫下的彈性極限時，將發生部分塑性變形，經過一定的循環次數后，即可能引起熱疲勞裂紋，有些裂紋結合起來形成主裂紋。這些區域就成了應力敏感處。另一方面，燈絲的急冷急熱，產生熱沖擊現象。這種熱沖擊產生的熱應力，遠遠大于燈絲正常發光時的恒定的熱應力，而且這種應力以沖擊式的高速加在燈絲上，容易在已存在的應力敏感區出現應力集中，使裂紋縱深擴展而導致燈絲點熄連續裂。總而言之，頻繁開關白熾燈，電流的沖擊作用表現為對燈絲的熱沖擊與熱疲勞，使鎢絲內部組織也發生相應變化，使鎢

10、絲塑脆轉變行為頻繁發生，在熱沖擊應力作用下，某一脆性區斷裂的可能性大大進步。2、頻繁開關白熾燈，鎢絲晶體缺陷對其壽命的影響。四、過飽和空位的影響鎢絲內高溫形成的空位在急劇冷卻的過程中，來不及消失，使空位在低溫下“凍結，被“凍結的空位，濃度大大超于正常時的空位濃度。當再次點燃燈絲，在空位濃度大處，對電流的散射作用也大，該處的電阻變大。電阻率差位面。與濃度差位dC成一定比例，如下式L表示鎢絲工作時的溫度，瓦表示室溫。公式說明，燈絲某處電阻的增大，與該處空位濃度有親密的關系，該處空位濃度大，電阻率就大，該處溫度就高。頻繁開關，該處“凍結的空位就越多。如此惡性循環，在燈絲夾雜敏感部位處，空位濃度劇增，電阻變大，溫度升高，就會造成該處燈絲熔斷。2點缺陷運動的影響頻繁開關白熾燈造成的熱振動和能量起伏給點缺陷帶來了遷移的可能性，使空位向位錯遷移的傾向加劇，引起位錯攀移加劇，并與晶內空洞結合成位錯環。位錯環在向外擴散過程中，晶內空洞塌陷，空位轉移到晶界或燈絲外表，使該處燈絲有效導電截面減少，電阻更大，溫度升高，從