Wolfram

Wolfram, das 74. Element des Periodensystems, ist nach dem schwedischen Wort für „schwerer Stein“ benannt. Das chemische Symbol für Wolfram (W) ist allerdings aus dem deutschen Namen abgeleitet. Die Herkunft des Namens geht auf mittelalterliche deutsche Schmelzhütten, die zuerst zeigten, dass Wolfram enthaltende Zinnerze weit weniger Ertrag zeigten (History of Tungsten 2011).

Das erste reine Wolfram wurde zuerst 1781-82 von zwei spanischen metallurgischen Chemikern – den D’Elhuyar-Brüdern – hergestellt, , und 1783 veröffentlicht. Das Haupterz für Wolfram (Scheelit) ist nach Carl Wilhelm Scheele für seinen Beitrag zur Entdeckung von Wolfram benannt. Er veröffentliche die Ergebnisse seiner Experimente mit Wolframerzen, die zur Bildung einer unbekannten Säure führten, eigentlich zuerst; die hauptsächliche Leistung der D’Elhuyar-Brüder bestand darin, diese Säure unter einer durch Kohle hergestellten oxidativen Umgebung zu reduzieren (History of Tungsten 2011).

Um zur Wissenschaft des zwanzigsten Jahrhunderts zurückzukehren: Wolfram kann am besten mit seiner elektronischen Struktur, bekannt als 4f¹⁴5d⁴6s², was diesem Element die Möglichkeit gibt, verschiedene Verbindungen mit der Oxidationszahl +4 – zum Beispiel WC (Wolframkarbid) – oder +6, beispielsweise WO3 (Wolframoxid) und H2WO4 (Wolframsäure). Mit seinem höchsten Schmelzpunkt (3422 ± 15 °C), zusammen mit dem tiefsten Wärmeausdehnungskoeffizienten (4.32 bis 4.68×10-6 K-1 bei 25 °C) unter den metallischen Stoffen, und auch einem sehr tiefen Dampf druck (8.15×10-8 at 2000 °C), gehört Wolfram zu den Topkandidaten von Werkstoffen für Anwendungen bei hohen Temperaturen (Tungsten Properties 2011).

Wolfram und seine Erzeugnisse sind eine Ansammlung verschiedener überlegener physikalischer und mechanischer Eigenschaften; eine oder mehrere der folgenden Strategien sind entscheidend für jedes Verfahren der Stoffauswahl:

• Thermische Ermüdung, verursacht durch ungleichmässige Wärmeausdehnung wird als einer der Hauptversagensmechanismen für Multikomponentensysteme betrachtet; mit seinem sehr tiefen Wärmeausdehnungskoeffizienten biete Wolfram eine ausgezeichnete dimensionale Stabilität.
• Komponenten, die in Anwendungen mit hohen Temperaturen gebraucht werden sollen, sind immer anfällig für Materieverluste aufgrund der exponentiell erhöhten Verdampfungsrate; wegen sehr tiefen Dampfdrucks ist Wolfram ein vielversprechender Kandidat für viele Hochtemperaturanwendungen.
• Zusammen mit dem tiefen Dampfdruck macht Wolfram seine einzigartige tiefe elektrische Widerstandsfähigkeit (5.28 μΩ.Cm at 25 °ÂšC) zu einem ausgezeichneten Trägermaterial bei erhöhten Temperaturen (Tungsten Properties 2011).
• Verbunden mit den intrinsischen physikalischen Eigenschaften von Wolfram – in erster Linie sein hohes elektrisches Leitvermögen – ist eine ausgezeichente Wärmeleitfähigkeit (175 W.m-1K-1 bei 25 °C). Mit dieser hohen Leitfähigkeit zusammen mit seiner dimensionalen Stabilität (der tiefen Wärmeausdehnung geschuldet) ist Wolfram ein vielversprechendes Material für Wärmesenkung in integrierten Systemen (Tungsten Properties 2011).
• Abgesehen von überlegenen mechanischen Eigenschaften ist eine hohe Dichte erforderlich für potentielle Werkstoffe in Anwendungen, in denen das maximale Momentum (oder die kinetische Energie) übertragen werden soll, etwa in Panzerabwehrsystemen. Wolfram hat die höchste Dichte (19.25 gr.cm-3 bei 25 °C) unter den Werkstoffen (Iridium und Osmium haben zwar höhere Dichten – ungefähr 22.50 gr.cm-3 bei 25 °C –, sind aber nicht so weit verbreitet wie Wolfram wegen ihrer hohen Preise). Damit ist Wolfram das Schlüsselement für sogenannte schwere Legierungen (Tungsten Properties 2011) (Ho 2007).

Allgemein führte in jeglichen Auswahlstrategien, in denen (beziehungsweise vor allem seine Verbindugnen und Legierungen)

Generally speaking, in any material selection strategy in which tungsten (but mostly its compounds or alloys) is selected, a combination of one or more physical properties of tungsten together with its superior high temperature mechanical properties pulled this element to the top of the list. Due to its relatively high price, tungsten is not the best choice for low temperature applications. Taking into account that tungsten compounds can offer a broad range of mechanical properties, they will be discussed separately for particular applications.

Besides all conventional applications of tungsten (especially its compounds), new emerging high-tech applications mainly based on the intrinsic physical properties of tungsten, and in particular its electronic structure, have been developed strongly; in this context, critical catalysts for several important processes in refineries and full-cells can especially be highlighted. These applications will be discussed in details in the next chapters.