如果两块金属在太空中接触,就会熔接在一起,为什么?

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所属分类:浩瀚星途
摘要

这种现象是存在的,在学术和技术上称为“冷焊”,虽然还不清楚人类有没有在太空中做过这样的实验,但是这样的事情却在太空中发生过。美国人发射的一架探测器曾经发生过这样的事情,这架探测器本来是要去探测几大行星的,在探测完金星水星之后,其天线旋转轴就被冷焊焊住了,没办法只好启用了备

这种现象是存在的,在学术和技术上称为“冷焊”,虽然还不清楚人类有没有在太空中做过这样的实验,但是这样的事情却在太空中发生过。美国人发射的一架探测器曾经发生过这样的事情,这架探测器本来是要去探测几大行星的,在探测完金星水星之后,其天线旋转轴就被冷焊焊住了,没办法只好启用了备用天线,但是效率只有主天线的百分之一。

那么为什么会发生这种现象呢?其实道理也很简单,就是两块相同的金属在太空真空环境下接触的时候,其两个接触面表层的原子之间没有任何阻挡,那么在接触的时候两个表层上的原子就会相互抓住对方,使之成为一体,冷焊现象就是这样发生的。美国人的探测器之所以出现那种状况,就是因为其旋转轴的金属连接处处理的太简单,探测器的进入太空之后,经过一段时间的使用,上面的氧化层被磨掉了,在暂停使用的时候,冷焊现象就发生了。

那么这地球上为什么很少看到这种现象呢?其实主要有两个原因,首先就是金属的裸露面会迅速氧化,形成一个氧化层,这样两块金属在一块的时候,会因为氧化层的阻隔而无法发生冷焊现象,还有一个原因就是地球上空气的存在会使两块金属之间有所阻挡,所以两块金属的金属原子难以直接相连,那么冷焊现象当然就不容易发生了。

但是地球上也并不是绝对不会发生这种现象,如果两块金属的表层不氧化,并且之间没有空气等东西隔开的话,把它们放到一起挤压一下,使其接触面的原子充分的接触,也是会发生冷焊现象的。

这个现象在太空探索中非常重要,其实科学上有一个专有名词来形容这种现象,“冷焊”。传统的焊接需要高温将两块等待焊接的金属融化,熔融状态下的金属相互扩散、融合到一起,降温之后固化连接到一起。

冷焊则是指在常温甚至低温状态下,两块金属碰到一起后融为一体的现象。对于这种现象,费曼曾经开玩笑地形容说:因为两块金属中的原子搞不清楚自己到底属于哪一块金属,于是干脆融合到了一起。

这自然是玩笑话,原子不会有意识,但金属原子的扩散确实真实发生的。通常情况下我们观察不到这种现象,是因为地球表面充满了大气,将两块金属放到一起,他们之间还是会有隔层,例如氧化层或者空气层。这些隔层组织了金属原子的自由扩散,使得通常情况下两块金属无法自动合为一体。但在太空之中,没有氧化层和气体层的阻隔,两块金属的原子可以自由扩散,无缝衔接到一起后,于是就会发生“冷焊”现象。

这种现象对太空探索影响很大。例如上世纪美国发射的伽利略号木星探测器,就是由于发生了冷焊现象,造成天线无法按计划打开,信号传导大受影响。因此为了防止这种现象发生,折叠装置、传动装置之间都会使用油类或其他物质相互隔开,避免两块分离的金属靠在一起时融合到一起,影响正常功能。

在太空中,如果两个同类的金属相互接触,很容易就会粘在一起,产生这种现象的原因就是因为金属之间发生了冷焊。我们平时所见到的各种焊接基本都是利用高温将金属熔融,凝固后的金属融为一体也就焊接起来了,比如电焊、气焊、摩擦焊等。而冷焊因为在常温下即可进行,这就体现了“冷”字的意义。

冷焊现象是怎么产生的

在太空中与在地球上的环境不一样,在太空中物体不受重力作用,同时周围还没有空气,而影响冷焊发生的因素就是空气。太空中基本上属于真空环境,当两个物体相互接触时,由于它们之间没有气体的阻隔,金属原子之间可以说是真的接触到。

而在地球上,如果我们将两块金属压在一起,实际上在金属之间还会存在着一层很薄的气体层将它们隔开,因为物体本身对气体分子就存在着吸附作用,我们很难将它们完全摆脱,所以在地球上正常情况下不会发生冷焊现象,除非我们给予两块金属板很大的压力将中间的气体给完全挤走,这个时候它们就很有可能会粘在一起。

那么两个完全相互接触的金属板又是如何焊接在一起的呢?这主要还是因为金属原子的扩散作用。说到扩散我们很快会想到气体和液体,因为这两类物质属于流体,在生活中我们很容易就能看到这类状态物质的扩散作用。事实上固体同样也会发生扩散作用,只是相比于气液态没有那么明显,所以不容易被我们观察到。

在真空中,两个完全接触的金属之间原子会相互扩散,融合,从而不断的产生新的金属键,使两块金属被“焊”在一起。有科学家就专门研究过冷焊现象,利用纳米金线在真空状态下接触,发现仅需两分钟左右,两根纳米丝就开始粘连。

由于扩散速率与压力有关,压力越大,原子的扩散速率越快,那么产生冷焊的效果就越明显。同时物体的尺寸学校越小,冷焊现象产生的也越快。

另外,太空中金属不易产生氧化层,没有氧化层的阻隔,原子之间也会更容易扩散发生冷焊现象。

美国航天局发射伽利略号探测器曾遭遇冷焊问题

在1989年,美国曾发射一颗伽利略号探测器用于探测木星,由于到达木星路途遥远,于是为此设计了一款体积较大的信号接收器,并且为了保护接收器不受太阳辐射的损害,计划在一年半后再将天线展开。但后来问题来了,地面科学家通过向伽利略号发射指令展开信号接收器,却发现无法展开,经过层层排查最后发现几根天线支架之间由于冷焊作用而粘结,所以无法将天线展开,最后好在探测器上还有一个很小的副天线,虽然副天线的带宽只有主天线的几百分之一,但最终还是依靠它成功完成了大量的科研任务。

小小的冷焊现象差点使美国投入伽利略号的十几亿美元打水漂。

在探测器飞行的过程中由于仪器的振动也会促进冷焊的产生,由于振动过程导致不同金属之间发生摩擦、撞击,提供了扩散作用所需的能量势垒,促进了原子的扩散作用,所以现在的设备进入太空都需要充分考虑到冷焊问题,防止带来不必要的麻烦。

是这样的,在太空中两块金属相遇,在满足一定条件下,可能就会熔接在一起。

这种现象被称为冷焊,冷焊就是在超高真空环境下固体和固体表面相互接触时发生不同程度地粘合现象

为什么会出现这种现象呢?

对于冷焊现象,第一位提出纳米概念的物理学家,理查德·菲利普斯·费曼曾在一个介绍摩擦力的讲座中,这样比喻道:在真空中,当两块金属接触在一起时,因为处在金属接触面两侧的原子间没有任何物质阻隔他们,它们分不清自己原来是哪一侧的原子,两侧的原子相互扩散,渐渐地两块金属原子相互融合在一起,最终两块金属便熔接在了一起。但是如果存在空气或者氧化层等其他非同类原子,这些金属原子就会意识到它们属于不同部分,便不会熔接在一起。

总结,在超真空环境下,两块物质表面达到原子级的清洁度,通过接触或者一定压力作用下,产生了粘连现象或是融合为一体便是冷焊。因为空气在地球上可以说无处不在,所以很难看到冷焊现象。

举例

大家都知道破镜不能重圆的道理,不过有一种情况不知大家有没有遇到过,一块镜子或玻璃,在即将破碎的边缘,但是仍然粘连在一起,并在表面上能明显看到一条由破裂处延伸出来的裂痕,当你找好角度,向裂痕垂直的方向去压缩镜面或玻璃,上面的裂痕会奇迹般变小。这其实就可以用冷焊原理解释,因为裂痕的尽头处两个接触面间还没有杂质,通过一定作用力,让裂痕重新“粘连”在一起。

还有古代的打铁技术,比如某大侠的刀断了,来到铁匠铺。铁匠将刀断的地方烧红烧热,同时再准备另一块一样烧红烧热的铁块,通过反复捶打,最后帮大侠把刀接上了。通过烧热金属,让原子运动得更猛烈,又通过捶打增加压力,最终强行让两块金属粘在了一起。这就尴尬了!

冷焊对航天影响

在太空中没有空气,对于金属来说会比较容易发生冷焊的现象。美国伽利略号执行木星探测任务时,最开始进行长期的飞行时,默认将通信天线收起,但是经过一年的飞行后,当科学家想打开天线进行数据传输时,却发现怎么也打不开了。就是因为发生了冷焊现象,导致了天线粘在了一起,无法打开。

总结

当今,冷焊技术是一门新型发展起来的技术,在一些传统焊接技术无法满足的场景下有着重要作用。

冷焊最显著的优点,就是它具有和原材料本身相同的焊接强度,不会对连接的零件产生热影响,传统的焊接一般都是高温焊接,有火花、灰尘等影响。冷焊过程快速且没有变形,操作简单。

不过,冷焊本身也有很多局限限性,对冷焊材料要求一般是有延展性金属,不能过度硬化,表面清洁,焊接面形状规则等等。所以冷焊还不能广泛应用。

太空几乎处于真空的状态,温度极低,两块金属放在一起,似乎有磁性,很快就会粘住,甚至很难分开。它们之间没有气体阻隔,金属原子紧密相连,比电焊还要牢固。

现实生活中,人们要把两块金属熔接在一起,必须要经过高温电焊才能实现。地球上面有各种气体,两块金属中间有一层气体隔开,一般不会发生冷焊的现象,除非是把气体抽空,它们才有可能熔接,不过这种方法有较大的难度。

太空中的两块金属,温度没发生什么变化,是什么力量将它们熔接在一起呢?

美国航天局发射的一颗行星探测器,金属熔接导致天线无法正常工作

1989年,美国航天局发射“伽利略号”探测器,去木星执行任务,由于当时技术有限,再加上距离太远,很难收到信号,专家做了特别的改进。

在探测器上,安装了一个比较大的信号接收器,虽然占位置,但它的功率较大,可以解决信号弱的问题。木星本来就与地球的距离遥远,用普通的接收器,就像打电话断线一样,信号很难传输过来。

发射到木星是一个艰难的过程,接收器上的天线暴露在太空中,受到辐射的影响,很容易损坏。专家想出办法,又加了自动装置,发射前先将接收器的天线收起来,等到达目的地之后再自动弹开,这样就可以避免接收器在恶劣的环境中损坏。

虽然防护措施更加完善,但又带来新的问题,探测器在太空中运行了一年多的时间才到达目的地,之后工作人员便启动自动装置,将天线展开准备工作,可是装置根本就没有反应,天线还是收起的状态。

后来拍照片研究,发现自动装置的支架与天线发生冷焊,熔接在一起无法弹出。主天线不能正常工作,只能依靠副天线,“伽利略号”执行任务时,用副天线传输信号,效果并不理想,这次探测木星的任务,就因为主天线冷焊无法工作而失败。

当初在设计时,专家只是想到如何保护天线,却忽略了太空的冷焊原理,之前的准备白忙活一场,探测任务没有完成,也造成了较大的损失。

太空中的金属为什么会发生冷焊

在大家的认知里,两块金属要熔接在一起,最基本的条件就是加热,将表面的金属熔化再融合。但是在太空的环境中,温度极低,不需要加热,两块金属放在一起就可以实现熔接,这种现象就被称为冷焊。

大多数物质,都是由原子组成,原子比较活跃,周围环境发生变化时,就会频繁运动,产生热量,科学家就把原子的运动称为布朗运动。

在太空中,两种物体长时间接触,表面的粒子就会运动,相互之间混合,不久就会融为一体。比如说两把钥匙放在一起,按压一会就会粘住,就像用了胶水,很难拔开。

不同的金属也会发生冷焊,只要施加少许压力,相互之间产生摩擦,原子运动就会发生熔接,就像超声波焊接,利用高频振动,让两种物体的表面产生摩擦,之后就可以实现焊接。

不管是金属还是塑料,放在一起只要产生摩擦,有足够的能量,物体里的原子就能活动,从而发生冷焊的现象。

在所有的材料之中,发生冷焊的几率也不同,相同的条件下,黄金就要比钢铁更容易发生冷焊。

太空相对于真空环境,两块金属之间没有气体阻隔,低温环境下金属不容易氧化,给金属发生冷焊创造了条件。

之所以地球上不会发生冷焊,那是因为有大气的存在,金属完全暴露在空气中,表面很容易发生氧化,氧化层相当于一道天然的保护屏障,原子没有那么容易扩散。

“伽利略号”探测器的天线出现问题,主要是因为折叠之后,与支架接触,探测器在运行过程中,受到气流影响会发生共振,支架与天线之间相互摩擦,从而发生冷焊。

若是能提前预知危害,在装置的支架上喷涂一层镀膜,之后再抹上润滑剂,避免金属接触,降低摩擦力,用不易发生冷焊的材料来制作天线,也许探测器进入木星,天线就不会发生故障。

发生冷焊的原理

我们学习物理时,就知道分子会做不规则的运动,尤其是大气中的分子,不停运动的同时,会让周围的环境在不同方向都可以保持相同的压强。

平时的生活中,除了气体的分子具有这种特性,液体也一样。就算是固态的金属,里面的分子和原子也具备这样的能力,这也是发生熔接的必然条件。

冬天的时候,家里的金属门窗长时间不动,有可能会黏在一起,但这不是冷焊,实际上是金属之间形成一层氧化膜,金属原子无法扩散,起到了保护作用,用点力就可以将其分开。

在地球上,要想让两块金属发生冷焊,熔接在一起也可以。将表面的氧化膜去除,之后打磨光滑,让它们紧密连接在一起,接触面的范围比较大,之后再将中间的空气抽出,没有氧气的情况下,不会产生氧化膜保护层,过一段时间就可以熔接,也就是说我们说的冷焊。

可能有人会说,金块那么容易发生冷焊,如果金库里的金块叠放在一起,是否会黏住?对于这个问题,似乎早已有了答案,这么多年过去,从来没有听说过哪家银行金库里的金块被黏住,需要用工具将它们撬开。

以金块的分子排列结构来看,在地球上面时,即使分子活动能力比较强,但还不能跨越氧化保护层,彼此之间无法扩散,也就不会发生冷焊。

按照发生冷焊的原理来看,在太空中要想解决这类问题的发生,探测器上的金属部件采用特殊材料,表面喷涂一层保护层,即使长时间接触,也可以避免冷焊的发生。

写在最后

如今科学家已经开始研究太空冷焊,将这个现象应用到制造行业,已经有了真空钎焊的技术,是一个真空的环境,可以在里面进行冷焊,工艺水平极高,具有很广泛的应用前景。

冷焊虽然不利于太空探索,但也有好的一面,应用在各项行业中,不需要高温加热,材料不会收缩或变形,可以更好地保护产品。

这叫做冷焊。两块金属在真空中接触时,不需要任何加热和液相,它们就会粘着在一起。但要做到这一点,要保证两块金属表面都是光滑的。由于太空是真空,所以冷焊可以熔接两块金属片。

在宇宙真空环境中,两块裸露的同类金属在接触后会相互粘合,好像被焊接在一起一样。这个现象被称之为『冷焊』(Cold Welding)。

史上最具幽默感的物理学家费曼(Richard Feynman)曾经形象地解释道,这种现象的产生是因为『在真空中,处在接触面两边金属原子之间没有任何物质将它们隔开,所以这些金属原子「无法知道」它们其实是属于两块独立的金属的。』

而在大气环境中,由于空气的存在和金属表面氧化物的存在,两块金属即使相互接触后也不会粘合在一起。

首先,没有绝对的真空,包括现在空间站所处的高轨道周围都不是真空,所以根本就没人做过或者目睹过真空状态下这种所谓的熔接。空间站的一项重要的工作就是太空试验包括冶金,育种,生物杂交等。某些特殊合金就是在空间站里找到合适工艺加工的。你说的这种现象的机理目前还只是猜测,重点不是真空,而是低压低温。在接进宇宙背景温度时,金属很多特性都变化了,还记得液氮冰冻金属会使其变脆吗?宇宙里就是这样的低温,如果又是低压,真的不能想象什么样的金属会这样。空间站对接门的气密口会不会焊在一起分不开呢?

类似的问题我以前详细回答过,这里就简单说几句。

首先,太空中两块金属如果只是接触,不会发生“熔接在一起”的现象。

太空中没有氧气,不会使金属表面产生氧化膜,有人就以为必然发生冷焊,其实不然,氧化膜不是金属粘接的唯一阻碍因素。

金属是晶体(你不要觉得奇怪),原子之间按照晶格相互链接在一起形成整体,这个晶格对其它原子的加入是排斥的。

为了让晶格接受新的原子,需要额外给它能量。比如加压、加热、通电或者摩擦。

所以,冷焊的发生需要外部条件,不是挨在一起就能完成的。单纯自由电子的漂移并不能促成原子牵手。

之前美国发射的伽利略号探测器就发生过一起冷焊事故,它的主天线表面镀了金,金在发射的过程中由于振动相互摩擦造成冷焊,天线在发射入轨后无法展开,地面操作人员想了很多办法都以失败告终,最后不得不用一个小天线来代替主天线,传输效率大打折扣。请注意,黄金是最容易发生冷焊的金属,它也需要摩擦才能粘在一起。

黄金的表面没有氧化层,你有听说过金库里的金条都粘在一起分不开的吗?没有吧!

在太空中,两块没有氧化的光滑平成的铁放到一起,很快就会成为一个铁块,这种现象称之为“冷焊”,就是不用加温也能焊接到一起,其道理也很简单,就是当两个铁块儿靠近了之后,两者的铁原子之间相互吸引,由于两者的原子之间的距离足够近,因此接触面的铁原子可以相互把握住对方,最终使得两块铁成为一个整体。

不过这种现象只会发生在金属物上,因为金属中有大量的自由电子,而且,金属都没有固定的微观结构,所有的金属内部都像是一堆原子核畅游在电子的海洋中,虽然大多数金属都体现为固态,其实它们实际上都只是不流动的液态而已,金属原子也都在运动之中,只要对其施加高温,那么金属就很容易变成液态,很多金属在高压之下也会改变形状,但是其本质却不会改变,比如液压机下的铁块,常常像泥巴一样被改变形状,而无论怎么改变,它仍然是铁,这说明金属的延展性也大都很好。

当两块铁在太空中接触的时候,两者接触面上的铁原子会首先在自由电子的层面上接触,而自由电子的交流就使得两者为一体了,铁原子的自由电子并不会区分所接触的铁原子核属于两块铁,因为金属内部的结构本就是杂乱无章的,并不体现为某种晶体模式,所以金属原子并不会一直待在固定的位置。而且同种金属元素的物理和化学性质相同,电子和原子核也相同,运动模式也一样,这使得它们在接触的时候很容易融为一体。如果是非金属的晶体结构的物质,就不会发生这种冷焊现象了。

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