這種現象是存在的,在學術和技術上稱為“冷焊”,雖然還不清楚人類有沒有在太空中做過這樣的實驗,但是這樣的事情卻在太空中發生過。美國人發射的壹架探測器曾經發生過這樣的事情,這架探測器本來是要去探測幾大行星的,在探測完金星水星之後,其天線旋轉軸就被冷焊焊住了,沒辦法只好啟用了備用天線,但是效率只有主天線的百分之壹。
那麽為什麽會發生這種現象呢?其實道理也很簡單,就是兩塊相同的金屬在太空真空環境下接觸的時候,其兩個接觸面表層的原子之間沒有任何阻擋,那麽在接觸的時候兩個表層上的原子就會相互抓住對方,使之成為壹體,冷焊現象就是這樣發生的。美國人的探測器之所以出現那種狀況,就是因為其旋轉軸的金屬連接處處理的太簡單,探測器的進入太空之後,經過壹段時間的使用,上面的氧化層被磨掉了,在暫停使用的時候,冷焊現象就發生了。
那麽這地球上為什麽很少看到這種現象呢?其實主要有兩個原因,首先就是金屬的裸露面會迅速氧化,形成壹個氧化層,這樣兩塊金屬在壹塊的時候,會因為氧化層的阻隔而無法發生冷焊現象,還有壹個原因就是地球上空氣的存在會使兩塊金屬之間有所阻擋,所以兩塊金屬的金屬原子難以直接相連,那麽冷焊現象當然就不容易發生了。
但是地球上也並不是絕對不會發生這種現象,如果兩塊金屬的表層不氧化,並且之間沒有空氣等東西隔開的話,把它們放到壹起擠壓壹下,使其接觸面的原子充分的接觸,也是會發生冷焊現象的。
這個現象在太空 探索 中非常重要,其實科學上有壹個專有名詞來形容這種現象,“冷焊”。傳統的焊接需要高溫將兩塊等待焊接的金屬融化,熔融狀態下的金屬相互擴散、融合到壹起,降溫之後固化連接到壹起。
冷焊則是指在常溫甚至低溫狀態下,兩塊金屬碰到壹起後融為壹體的現象。對於這種現象,費曼曾經開玩笑地形容說:因為兩塊金屬中的原子搞不清楚自己到底屬於哪壹塊金屬,於是幹脆融合到了壹起。
這自然是玩笑話,原子不會有意識,但金屬原子的擴散確實真實發生的。通常情況下我們觀察不到這種現象,是因為地球表面充滿了大氣,將兩塊金屬放到壹起,他們之間還是會有隔層,例如氧化層或者空氣層。這些隔層組織了金屬原子的自由擴散,使得通常情況下兩塊金屬無法自動合為壹體。但在太空之中,沒有氧化層和氣體層的阻隔,兩塊金屬的原子可以自由擴散,無縫銜接到壹起後,於是就會發生“冷焊”現象。
這種現象對太空 探索 影響很大。例如上世紀美國發射的伽利略號木星探測器,就是由於發生了冷焊現象,造成天線無法按計劃打開,信號傳導大受影響。因此為了防止這種現象發生,折疊裝置、傳動裝置之間都會使用油類或其他物質相互隔開,避免兩塊分離的金屬靠在壹起時融合到壹起,影響正常功能。
是這樣的,在太空中兩塊金屬相遇,在滿足壹定條件下,可能就會熔接在壹起。
這種現象被稱為冷焊,冷焊就是 在超高真空環境下 , 固體和固體表面相互接觸時發生不同程度地粘合現象 。
為什麽會出現這種現象呢?
對於冷焊現象,第壹位提出納米概念的物理學家,理查德·菲利普斯·費曼曾在壹個介紹摩擦力的講座中,這樣比喻道:在真空中,當兩塊金屬接觸在壹起時,因為處在金屬接觸面兩側的原子間沒有任何物質阻隔他們,它們分不清自己原來是哪壹側的原子,兩側的原子相互擴散,漸漸地兩塊金屬原子相互融合在壹起,最終兩塊金屬便熔接在了壹起。但是如果存在空氣或者氧化層等其他非同類原子,這些金屬原子就會意識到它們屬於不同部分,便不會熔接在壹起。
總結, 在超真空環境下,兩塊物質表面達到原子級的清潔度,通過接觸或者壹定壓力作用下,產生了粘連現象或是融合為壹體便是冷焊。 因為空氣在地球上可以說無處不在,所以很難看到冷焊現象。
舉例
大家都知道破鏡不能重圓的道理,不過有壹種情況不知大家有沒有遇到過,壹塊鏡子或玻璃,在即將破碎的邊緣,但是仍然粘連在壹起,並在表面上能明顯看到壹條由破裂處延伸出來的裂痕,當妳找好角度,向裂痕垂直的方向去壓縮鏡面或玻璃,上面的裂痕會奇跡般變小。這其實就可以用冷焊原理解釋,因為裂痕的盡頭處兩個接觸面間還沒有雜質,通過壹定作用力,讓裂痕重新“粘連”在壹起。
還有古代的打鐵技術,比如某大俠的刀斷了,來到鐵匠鋪。鐵匠將刀斷的地方燒紅燒熱,同時再準備另壹塊壹樣燒紅燒熱的鐵塊,通過反復捶打,最後幫大俠把刀接上了。通過燒熱金屬,讓原子運動得更猛烈,又通過捶打增加壓力,最終強行讓兩塊金屬粘在了壹起。這就尷尬了!
冷焊對航天影響
在太空中沒有空氣,對於金屬來說會比較容易發生冷焊的現象。美國伽利略號執行木星探測任務時,最開始進行長期的飛行時,默認將通信天線收起,但是經過壹年的飛行後,當科學家想打開天線進行數據傳輸時,卻發現怎麽也打不開了。就是因為發生了冷焊現象,導致了天線粘在了壹起,無法打開。
總結
當今,冷焊技術是壹門新型發展起來的技術,在壹些傳統焊接技術無法滿足的場景下有著重要作用。
冷焊最顯著的優點,就是它具有和原材料本身相同的焊接強度,不會對連接的零件產生熱影響,傳統的焊接壹般都是高溫焊接,有火花、灰塵等影響。冷焊過程快速且沒有變形,操作簡單。
不過,冷焊本身也有很多局限限性,對冷焊材料要求壹般是有延展性金屬,不能過度硬化,表面清潔,焊接面形狀規則等等。所以冷焊還不能廣泛應用。
這叫做冷焊。兩塊金屬在真空中接觸時,不需要任何加熱和液相,它們就會粘著在壹起。但要做到這壹點,要保證兩塊金屬表面都是光滑的。由於太空是真空,所以冷焊可以熔接兩塊金屬片。
在宇宙真空環境中,兩塊裸露的同類金屬在接觸後會相互粘合,好像被焊接在壹起壹樣。這個現象被稱之為『冷焊』(Cold Welding)。
史上最具幽默感的物理學家費曼(Richard Feynman)曾經形象地解釋道,這種現象的產生是因為『在真空中,處在接觸面兩邊金屬原子之間沒有任何物質將它們隔開,所以這些金屬原子「無法知道」它們其實是屬於兩塊獨立的金屬的。』
而在大氣環境中,由於空氣的存在和金屬表面氧化物的存在,兩塊金屬即使相互接觸後也不會粘合在壹起。
首先,沒有絕對的真空,包括現在空間站所處的高軌道周圍都不是真空,所以根本就沒人做過或者目睹過真空狀態下這種所謂的熔接。空間站的壹項重要的工作就是太空試驗包括冶金,育種,生物雜交等。某些特殊合金就是在空間站裏找到合適工藝加工的。妳說的這種現象的機理目前還只是猜測,重點不是真空,而是低壓低溫。在接進宇宙背景溫度時,金屬很多特性都變化了,還記得液氮冰凍金屬會使其變脆嗎?宇宙裏就是這樣的低溫,如果又是低壓,真的不能想象什麽樣的金屬會這樣。空間站對接門的氣密口會不會焊在壹起分不開呢?
在太空中,如果兩個同類的金屬相互接觸,很容易就會粘在壹起,產生這種現象的原因就是因為金屬之間發生了冷焊。我們平時所見到的各種焊接基本都是利用高溫將金屬熔融,凝固後的金屬融為壹體也就焊接起來了,比如電焊、氣焊、摩擦焊等。而冷焊因為在常溫下即可進行,這就體現了“冷”字的意義。
冷焊現象是怎麽產生的在太空中與在地球上的環境不壹樣,在太空中物體不受重力作用,同時周圍還沒有空氣,而影響冷焊發生的因素就是空氣。太空中基本上屬於真空環境,當兩個物體相互接觸時,由於它們之間沒有氣體的阻隔,金屬原子之間可以說是真的接觸到。
而在地球上,如果我們將兩塊金屬壓在壹起,實際上在金屬之間還會存在著壹層很薄的氣體層將它們隔開,因為物體本身對氣體分子就存在著吸附作用,我們很難將它們完全擺脫,所以在地球上正常情況下不會發生冷焊現象,除非我們給予兩塊金屬板很大的壓力將中間的氣體給完全擠走,這個時候它們就很有可能會粘在壹起。
那麽兩個完全相互接觸的金屬板又是如何焊接在壹起的呢?這主要還是因為金屬原子的擴散作用。說到擴散我們很快會想到氣體和液體,因為這兩類物質屬於流體,在生活中我們很容易就能看到這類狀態物質的擴散作用。事實上固體同樣也會發生擴散作用,只是相比於氣液態沒有那麽明顯,所以不容易被我們觀察到。
在真空中,兩個完全接觸的金屬之間原子會相互擴散,融合,從而不斷的產生新的金屬鍵,使兩塊金屬被“焊”在壹起。有科學家就專門研究過冷焊現象,利用納米金線在真空狀態下接觸,發現僅需兩分鐘左右,兩根納米絲就開始粘連。
由於擴散速率與壓力有關,壓力越大,原子的擴散速率越快,那麽產生冷焊的效果就越明顯。同時物體的尺寸學校越小,冷焊現象產生的也越快。
另外,太空中金屬不易產生氧化層,沒有氧化層的阻隔,原子之間也會更容易擴散發生冷焊現象。
美國航天局發射伽利略號探測器曾遭遇冷焊問題在1989年,美國曾發射壹顆伽利略號探測器用於探測木星,由於到達木星路途遙遠,於是為此設計了壹款體積較大的信號接收器,並且為了保護接收器不受太陽輻射的損害,計劃在壹年半後再將天線展開。但後來問題來了,地面科學家通過向伽利略號發射指令展開信號接收器,卻發現無法展開,經過層層排查最後發現幾根天線支架之間由於冷焊作用而粘結,所以無法將天線展開,最後好在探測器上還有壹個很小的副天線,雖然副天線的帶寬只有主天線的幾百分之壹,但最終還是依靠它成功完成了大量的科研任務。
小小的冷焊現象差點使美國投入伽利略號的十幾億美元打水漂。
在探測器飛行的過程中由於儀器的振動也會促進冷焊的產生,由於振動過程導致不同金屬之間發生摩擦、撞擊,提供了擴散作用所需的能量勢壘,促進了原子的擴散作用,所以現在的設備進入太空都需要充分考慮到冷焊問題,防止帶來不必要的麻煩。
類似的問題我以前詳細回答過,這裏就簡單說幾句。
首先,太空中兩塊金屬如果只是接觸,不會發生“熔接在壹起”的現象。
太空中沒有氧氣,不會使金屬表面產生氧化膜,有人就以為必然發生冷焊,其實不然,氧化膜不是金屬粘接的唯壹阻礙因素。
金屬是晶體(妳不要覺得奇怪),原子之間按照晶格相互鏈接在壹起形成整體,這個晶格對其它原子的加入是排斥的。
為了讓晶格接受新的原子,需要額外給它能量。比如加壓、加熱、通電或者摩擦。
所以,冷焊的發生需要外部條件,不是挨在壹起就能完成的。單純自由電子的漂移並不能促成原子牽手。
之前美國發射的伽利略號探測器就發生過壹起冷焊事故,它的主天線表面鍍了金,金在發射的過程中由於振動相互摩擦造成冷焊,天線在發射入軌後無法展開,地面操作人員想了很多辦法都以失敗告終,最後不得不用壹個小天線來代替主天線,傳輸效率大打折扣。請註意,黃金是最容易發生冷焊的金屬,它也需要摩擦才能粘在壹起。
黃金的表面沒有氧化層,妳有聽說過金庫裏的金條都粘在壹起分不開的嗎?沒有吧!
在太空中,兩塊沒有氧化的光滑平成的鐵放到壹起,很快就會成為壹個鐵塊,這種現象稱之為“冷焊”,就是不用加溫也能焊接到壹起,其道理也很簡單,就是當兩個鐵塊兒靠近了之後,兩者的鐵原子之間相互吸引,由於兩者的原子之間的距離足夠近,因此接觸面的鐵原子可以相互把握住對方,最終使得兩塊鐵成為壹個整體。
不過這種現象只會發生在金屬物上,因為金屬中有大量的自由電子,而且,金屬都沒有固定的微觀結構,所有的金屬內部都像是壹堆原子核暢遊在電子的海洋中,雖然大多數金屬都體現為固態,其實它們實際上都只是不流動的液態而已,金屬原子也都在運動之中,只要對其施加高溫,那麽金屬就很容易變成液態,很多金屬在高壓之下也會改變形狀,但是其本質卻不會改變,比如液壓機下的鐵塊,常常像泥巴壹樣被改變形狀,而無論怎麽改變,它仍然是鐵,這說明金屬的延展性也大都很好。
當兩塊鐵在太空中接觸的時候,兩者接觸面上的鐵原子會首先在自由電子的層面上接觸,而自由電子的交流就使得兩者為壹體了,鐵原子的自由電子並不會區分所接觸的鐵原子核屬於兩塊鐵,因為金屬內部的結構本就是雜亂無章的,並不體現為某種晶體模式,所以金屬原子並不會壹直待在固定的位置。而且同種金屬元素的物理和化學性質相同,電子和原子核也相同,運動模式也壹樣,這使得它們在接觸的時候很容易融為壹體。如果是非金屬的晶體結構的物質,就不會發生這種冷焊現象了。
吉布斯自由能 G= H-T S,理論上只要 G不大於0反應就可能實現。真空環境下,兩塊金屬變成壹體應該屬於無序變為有序 S是小於零但是真空接近絕對零度所以T接近0,那麽就只取決於 H,這跟真空與金屬構成的系統有關,目前來看還是能實現的。所以冷焊其實是可行的。
換個說法,壓力和溫度作用下,原子做擴散運動,粒子之間作用力對粒子的束縛變小,那麽反過來太空環境下壓力和溫度低那麽作用力對粒子的束縛就會增強。同種金屬光滑表面接觸,此時粒子之間距離可以達到很近足夠粒子間作用力發揮作用,自然就會束縛在壹起,宏觀上就表現為所謂的冷焊