Вольфрам и молибден играют важную роль, несмотря на свою редкость в природе. Эти два металла обладают уникальными свойствами, которые придают им ключевое значение в современной технике и промышленности.
Особенности положения в периодической системе элементов
Вольфрам и молибден находятся в периодической системе элементов на уровне, который придает им их уникальные свойства.
Вольфрам имеет самую высокую точку плавления (3670 К) по сравнению со всеми металлами, а если не считать углерода, то и со всеми элементами. Температура плавления углерода примерно на 100 градусов выше, чем вольфрама.
Долгое время не было ясно, плавится ли углерод вообще или же он непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное. Сравнительно недавно факт плавления углерода был установлен экспериментально.
Более высокую по сравнению с вольфрамом и углеродом точку плавления имеют лишь некоторые химические соединения — например, карбиды тяжелых металлов.
Молибден по сравнению с другими металлами также имеет достаточно высокую точку плавления (2890 К). Более высокую точку плавления имеют лишь осмий (2970 К), тантал (3270 К), рений (3410 К), и вольфрам (3670 К).
Вольфрам
Вольфрам и молибден стали неотъемлемой частью современной техники и промышленности. Их уникальные свойства способствуют повышению эффективности и надежности различных устройств и процессов.
Вольфрам по сравнению с молибденом имеет некоторые (преимущества, но молибден более пластичен и поэтому легче обрабатывается.
В обработанном состоянии молибден обладает прочностью и твердостью меньшей, чем вольфрам. Однако после рекристаллизации прочность и, главное, удлинение молибдена, существенно больше, чем вольфрама, что является решающим для некоторых областей его применения.
Обширное применение вольфрама и молибдена в современной технике нельзя недооценивать. Они используются в создании высокотемпературных нагревательных элементов для промышленных печей, атомных реакторов и лабораторных установок.
Молибденовые детали широко применяются в аэрокосмической и авиационной индустрии, благодаря их прочности и стойкости к высоким температурам.
Молибден
История
От древности до современности, вольфрам и молибден оставили непередаваемый след в истории техники, вдохновляя и питая технологический прогресс.
История использования вольфрама и молибдена начинается с древних цивилизаций. Вольфрам был известен древним Египтянам, которые использовали его для окраски стекла в яркие цвета. С течением времени, этот металл обнаружил свою выдающуюся стойкость к высоким температурам и нашел применение в ковке оружия и инструментов.
Промышленная революция в XIX веке стала поворотным моментом в использовании вольфрама и молибдена. Вольфрамовая проволока стала неотъемлемой частью ламп накаливания, принесших свет в дома и улицы.
Молибден использовался для улучшения стали и создания прочных сплавов, необходимых для развития железнодорожных систем и механических устройств.
В XX веке вольфрам и молибден играли важную роль в развитии электроники. Вольфрамовые электроды стали незаменимыми компонентами для электронных ламп и транзисторов.
Развитие электровакуумной промышленности шло по пути применения все более тугоплавких металлов — от осмия к танталу и на конец к вольфраму.
Молибден нашел применение в полупроводниковой промышленности, способствуя созданию более эффективных и производительных электронных устройств.
Уникальные технические характеристики и их использование
Эти два металла, вольфрам и молибден, обладают впечатляющим набором технических характеристик, делая их незаменимыми ингредиентами в различных промышленных и технических приложениях.
Вольфрам и молибден — это чемпионы среди металлов по высоким температурам плавления.
Вольфрам обладает наивысшей известной точкой плавления (3670 К), что делает его идеальным материалом для использования в высокотемпературных приложениях, таких как термоэлектрические генераторы и элементы нагрева в вакуумных системах.
Молибден также обладает высокой точкой плавления (2890 К), что позволяет ему выдерживать экстремальные температурные условия в аэрокосмической и ядерной промышленности.
Плотность вольфрама аналогична плотности золота. Вольфрам с плотностью 19,25 грамма на см? является одним из самых тяжелых металлов.
Оба металла отличаются выдающейся термической и электрической проводимостью. Это делает их идеальными материалами для создания эффективных теплообменников, радиаторов, а также электродов и проводов в электронных устройствах.
Вольфрамовые и молибденовые элементы также широко используются в электронной промышленности, так как они способны выдерживать высокие токи и температуры без деградации.
Вольфрам наряду с высокой точкой плавления обладает и весьма малой скоростью испарения при рабочих температурах в лампах накаливания.
Насколько известно, вольфрам в этом отношении уступает лишь карбиду тантала, скорость испарения которого в смеси 85% аргона +15% азота (при 560 мм рт ст.) при температуре от 3050 до 3250 К приблизительно на 30% меньше, чем скорость испарения вольфрама.
Малое давление паров вольфрама при высоких температурах является вторым важным свойством, делающим этот металл особенно пригодным для изготовления тел накала источников света.
При определении пригодности данного материала дли изготовления тел накала источников света наряду с излучательной способностью существенное значение имеет его прочность при рабочих температурах. И в этом отношении .вольфрам, если он обладает соответствующей структурой, отвечает необходимым требованиям.
При высоких температурах прочность углерода и карбида тантала очень мала по сравнению с вольфрамом, а изготовленные из них нити или проволоки очень хрупки.
Малая прочность углерода и карбида тантала является причиной того, что оба эти материала, хотя они и обладают высокой точкой плавления, а карбид тантала также и малой скоростью испарения, не могут конкурировать с «вольфрамом в качестве материала для изготовления ламп накаливания.
Большая прочность вольфрама и молибдена при высоких температурах, тугоплавкость и хорошая электропроводность этих металлов позволяет использовать их при изготовлении нагревательных элементов печей.
Вольфрам и молибден обладают высокой устойчивостью к коррозии. Эти свойства делают их отличным выбором для создания инструментов, например, режущих и сверлильных инструментов. Также они находят применение в химической промышленности, где требуется материал с устойчивостью к агрессивным химическим средам.
Большое значение в техническом отношении имеет то обстоятельство, что вольфрам и молибден образуют с углеродом и кремнием соединения, отличающиеся рядом особых свойств относительно большой химической устойчивостью, высокой точкой плавления и, главное, большой твердостью.
В этом смысле с ними могут соперничать лишь соединения углерода, азота, бора и кремния с тугоплавкими металлами 4-й группы (Ti, Zrf Hf) и 5-й группы (V, Nb, Та) периодической системы элементов. Карбиды вольфрама—а частично и молибдена — являются главной составной частью литых твердых сплавов.
Также они являются ключевыми компонентами в производстве композитных материалов, таких как волокна для усиления композитных пластиков.
Карбиды вольфрама и молибдена наряду с окисью алюминия применяются для изготовления керамических металлорежущих инструментов, причем использование карбидов позволяет повысить твердость керамики.
Вольфрам и молибден имеют большое техническое значение как легирующие присадки для быстрорежущих сталей. В этих сталях вольфрам и молибден содержатся, как в твердых сплавах, в виде карбидов или в соединении с другими легирующими присадками, как, например, с железом — в виде двойных карбидов.
Это обстоятельство тесно связывает современную технику обработки резанием с вольфрамом и частично с молибденом как с сырьем, применяемым при производстве твердых сплавов или быстрорежущих сталей.
Высокая температура плавления вольфрама позволяет использовать кованые вольфрамовые электроды при некоторых видах сварки, например когда в присутствии атомарного водорода температура может достигать 4000 оС, использование высоко-жаропрочного металла имеет большое значение.
Использование вольфрама и молибдена в виде наноструктурных покрытий позволяет улучшить адгезию между материалами при сварке и пайке, увеличивая прочность и надежность соединения.
Молибден и вольфрам также обладают интересными магнитными свойствами. Они могут использоваться в производстве магнитных материалов и деталей электромагнитов.
Кроме того, некоторые сплавы молибдена и вольфрама обладают свойствами сверхпроводимости при экстремально низких температурах, что находит применение в современных исследованиях в области квантовых технологий и суперпроводников.
Вольфрам и молибден в электротехнике
Вольфрам и молибден — незаменимые материалы для производства электронных компонентов.
Вольфрамовые и молибденовые проволоки используются для создания электродов в полупроводниковых устройствах, таких как диоды, транзисторы и интегральные схемы. Их высокая термическая и электрическая проводимость способствует эффективной передаче тока и тепла, что важно для стабильной работы электроники.
Вольфрам и молибден находят применение в термопарах и терморезисторах — устройствах, используемых для измерения температуры. Благодаря своим высоким температурным характеристикам, они обеспечивают точные и надежные измерения в экстремальных условиях, например, в высокотемпературных печах, плазменных реакторах и промышленных процессах.
Вакуумные системы и устройства широко используют вольфрам и молибден для создания надежных электродов. Они обладают низкой эмиссией электронов, что делает их идеальными для работы в вакууме. Вакуумные клапаны, лампы, катоды и другие компоненты с вольфрамовыми и молибденовыми элементами обеспечивают стабильную и безопасную работу в условиях низкого давления и высокой температуры.
В области электротехники широкое применение находят вольфрамовые контакты. В этом случае особенно ценны такие качества вольфрама, как высокая точка плавления, большая твердость, стойкость к истиранию, достаточная электропроводность и, главное, устойчивость против окисления.
Вольфрамовые контакты либо вырезают из кованых прутков, штампуют из пластин, либо получают спеканием прессованных вольфрамовых заготовок.
В тех случаях, когда наряду с высокой твердостью и хорошей стойкостью против истирания требуется также и хорошая электропроводность, используют так называемые псевдосплавы вольфрама с медью или серебром. Эти сплавы также получают способом порошковой металлургии. В качестве материалов для электрических контактов большое техническое применение нашли также псевдосплавы молибден-серебро.
Вольфрам и молибден играют важную роль в солнечных батареях — источниках возобновляемой энергии. Вольфрамовые и молибденовые пленки используются для создания электродов в солнечных элементах. Они обеспечивают высокую электрическую проводимость и устойчивость к воздействию окружающей среды, что способствует повышению эффективности и долговечности солнечных батарей.
Будущие перспективы и инновации
С каждым новым открытием и исследованием, связанным с вольфрамом и молибденом, рисуется картина будущего, где эти металлы будут играть еще более важную роль. Их применение в новых технологиях и разработках, таких как высокотемпературные электроды и инновационные сварочные методы, только укрепляет их статус незаменимых материалов в мир технических инноваций. Вольфрам и молибден продолжают вдохновлять ученых и инженеров своими потенциальными приложениями.
Инновационные исследования в области вольфрама и молибдена продолжают вносить вклад в развитие новых материалов и технологий. Компании и научные лаборатории по всему миру работают над созданием улучшенных сплавов, новых методов обработки и применения этих металлов в различных областях.
Заключение
Из этого обзора видно, насколько велико техническое значение вольфрама и молибдена для различных отраслей промышленности. Области применения обоих металлов определяются их физическими и химическими свойствами, которые в свою очередь обусловливаются положением этих элементов в периодической системе.
Вольфрам и молибден продолжают оставаться техническими гигантами среди редких металлов. Их уникальные свойства и разнообразные применения делают их незаменимыми компонентами в современной технике.