节能灯并没有灯丝，为什么通电后也能发光？

生活中各种各样的电灯充斥在我们身边，有日光灯、LED灯、白炽灯等等，目前白炽灯已经很少见了，我们在小学学过爱迪生试验了一千多种材料才制造出电灯，那电灯到底是怎样发光的呢？

爱迪生

普通白炽灯的灯丝由钨丝做成，钨丝具备的特性就是在加热到100℃时就可发光，它的熔点高，电阻率大，强度好。白炽灯用钨丝的工作温度常在1300～1500℃之间（一般灯泡功率越大，灯丝的工作温度也越高）。制作灯泡时，将钨丝放入玻璃壳后，抽走内部空气，然后装入氮气、氩气等不燃烧气体，密封，这就形成了电灯泡。白炽灯通电时，电流经过钨丝，由于钨丝电阻率高达5.3*10^-8，强大的电阻使得钨丝发热，进而发出光，因此发光的白炽灯会很热。

白炽灯

生活中常见的日光灯管与日光灯泡发光原理相似，灯管中含有微量的水银蒸汽，水银蒸汽里面含有许多游离状态的汞原子，日光灯两极各有一个普通的灯丝，灯丝加热以后会发射出电子，电子在电场作用下加速形成电子流击打在汞原子上，汞原子由低能级升到高能级，而后自发由高能级降到低能级时会释放出紫外线，灯管内壁的荧光物质吸收紫外线然后发光。

日光灯泡

LED灯又被称为发光二极管，外层由树脂等材料密封，它的发光应用到了“电致发光”原理，LED中最重要的部分是一个半导体晶片，它由三部分构成：一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是量子阱，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这样LED就发出了光。

（1）

硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）

（2）

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）

(3）

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

（4）

进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

钨的主要用途 钨及其合金广泛应用于电子、电光源工业。用于制造各种照明用灯泡，电 子管灯丝使用的是具有抗下垂性能的掺杂钨丝。 掺杂钨丝中添加铼。由含铼量低的钨铼合金丝与含铼量高的钨铼合金丝制 造的热电偶， 其测温范围极宽(0～2500℃)， 温度与热电动势之间的线性关系好， 测温反应速度快(3 秒)，价格相对便宜，是在氢气氛中进行测量的较理想的热电 偶。 钨丝不仅触发了一场照明工业的革命，同时还由于它的高熔点，在不丧失 其机械完整性的前提下， 成为电子的一种热离子发射体， 比如作扫描电(子显微) 镜和透射电(子显微)镜的电子源。还用于作 X 射线管的灯丝。在 X 射线管中， 钨丝产生的电子被加速，使之碰撞钨和钨铼合金阳极，再从阳极上发射出 X 射 线。为产生 X 射线要求钨丝产生的电子束的能量非常之高，因此被电子束碰撞 的表面上的斑点非常之热，故在大多数 X 射线管中使用的是转动阳极。 此外大尺寸的钨丝还用作真空炉的加热元件。 钨的密度为 19.25 克/厘米 3 ，约为铁(7.87 克/厘米 3 )的 2.5 倍，是周期 系最重的金属元素之一。基于钨的这一特性制造的高密度的钨合金(即高比重钨 合金)已成为钨的一个重要应用领域。 采用液相烧结工艺， 在钨粉中同时加入镍、 铁、铜及少量其他元素，即可制成高密度钨合金。根据组分的不同，高密度钨 合金可分为钨—镍—铁和钨—镍—铜两个合金系。通过液相烧结，其密度可达 17～18.6 克／厘米 所谓液相烧结是指混合粉末压坯在烧结温度下有一定量 液相存在的烧结过程。其优点在于液相润湿固相颗粒并溶解少量固体物质，大 大加快了致密化和晶粒长大的过程，并达到极高的相对密度。比如对通常在液 相烧结时使用的镍铁粉而言， 当烧结进行时， 镍铁粉熔化。 尽管在固相钨(占 95％ 的体分数)中液态镍铁的溶解度极小，但固态钨却易于溶解在液态镍铁中。一旦 液体镍铁润湿钨粒并溶解一部分钨粉，钨颗粒则改变形状，其内部孔隙当液流 进入时立即消失。过程继续下去，则钨颗粒不断粗化和生长，到最后产生接近 100％致密且具有最佳显微组织的最终产品。 用液相烧结制成高密度钨合金除密度高外还有比纯钨更好的冲击性能，其 主要用途是制造高穿透力的军用穿甲d。 碳化钨在 1000℃以上的高温仍能保持良好的硬度，是切削、研磨的理想工 具。 1923 年德国的施罗特尔(Schroter)正是利用 WC 的这一特性才发明 WC-Co 硬 质合金的。由于 WC-Co 硬质合金作为切削刀具及拉伸、冲压模具带来了巨大的 商机，很快在 1926～1927 年便实现了工业化生产。简单地说，先将钨粉(或 W03)与碳黑的混合物在氢气或 真空中于一定温度下碳化，即制成碳化钨(WC)，再将 WC 与金属粘结剂钴按一定 比例配料，经过制粉、成型、烧结等工艺，制成刀具、模具、轧辊、冲击凿岩 钻头等硬质合金制品。 目前使用的碳化钨基硬质合金大体上可分为碳化钨—钴、碳化钨—碳化钛 —钴、碳化钨—碳化钛—碳化钽(铌)—钴及钢结硬质合金等四类，在当前全球 每年约 5 万吨钨的消费量中，碳化钨基硬质合金约占 63％。据最近的消息，全 球硬质合金的总产量约 33000 吨/年，消耗钨总供应量的 50％～55％。 钨是高速工具钢、合金结构钢、d簧钢、耐热钢和不锈钢的主要合金元素， 用于生产特种钢的钨的用量很大。 钨可以通过固溶强化、沉淀强化和弥散强化等方法实现合金化，借以提高 钨材的高温强度、塑性。通过合金化，钨已形成多种对当代人类文明有重大影 响的有色金属合金。 钨中加入铼(3％～26％)能显著提高延展性(塑性)及再结晶温度。某些钨铼 合金经适当高温退火处理后， 延伸率可达到 5％， 远较纯钨或掺杂钨的 1％～3％ 为高。 钨中加入 0.4％～4.2％氧化钍(ThO2)形成的钨钍合金，具有很高的热电子发 射能力，可用作电子管热阴极、氩弧焊电极等，但 ThO2 的放射性长期未得到解 决。 我国研制的铈钨(W-CeO2)合金及用 La2O3 和 Y203 作弥散剂制成的镧钨、钇钨合 金(氧化物含量一般在 2.2％以下)代替 W-Th02 合金， 均已大量用作氩弧焊、 等离 子焊接与切割及非自耗电弧炉等多种高温电极。 钨铜、钨银合金是一种组成元素间并无反应因而不形成新相的粉冶复合材 料。钨银、钨铜合金实际上不是合金，故被视为假合金。钨银合金即是常提及 的渗银钨。此类合金含 20％～70％铜或银，兼有铜、银的优异导电导热性能与 钨的高熔点、耐烧蚀等性能，主要用作火箭喷嘴、电触点及半导体支承件。国 外一种北极星 A-3 导d的喷嘴就是用渗有 10％～15％银的钨管制造的，重量达 数百千克的阿波罗宇宙飞船用的火箭喷嘴也是钨制造的。 钨钼合金具有比纯钨更高的电阻率、更优异的韧性，已用作电子管热丝、 玻璃密封引出线。钨作为合金元素，在有色金属合金中要提及的还有超合金。 上个世纪 40 年代为适应航空用涡轮发动机对高温材料的需要，在隆隆的炮火中 诞生了超合金。超合金由镍基、钴基、铁基三类特种结构合金组成。它们在高 温(500～1050 ℃)下作业时仍能保持极高的强度、抗蠕变性能、抗氧化性能及 耐蚀性。此外，它们在长达数年的使用期限内，可保证不会断裂，也就是具有 耐高周期疲劳和低周期疲劳的特性。这类性能对人命关天的航空航天产业万分 重要。 目前使用的知名超合金共有 35～40 个牌号，其中相当一部分的主成分之一 为钨

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