神奇的金属冷焊

时间：2023-02-15 11:55:08　来源：柠檬阅读网本文已影响人

编译邵峰

日常生活中，我们将两块同样材料的金属块紧贴在一起，并不会发生什么怪事。但在太空环境中，两块金属块可能会融合成一个金属块，再也不会分离。

1989 年10 月9 日，美国宇航局发射了“伽利略号”木星探测器。因为地球和木星距离十分遥远，所以为了保证“伽利略号”能顺利接收到来自地球的指挥信号，美国宇航局为其专门配备了每秒能传输80 千字节的“高增益天线”。为了减小运输体积，高增益天线被设计成伞形，只有当需要接收信号时，高增益天线才会张开。

“伽利略号”探测器的高增益天线因冷焊效应无法完全张开

经过一年半的太空旅行，“伽利略号”于1991 年4 月10 日来到木星附近。但此时科学家发现“伽利略号”的高增益天线无论如何也无法张开。他们对此提出了数千种可能的原因，又被一一否决。最终，他们怀疑原因是高增益天线的伞状结构因为冷焊现象而无法分开。不得已，美国宇航局只有启用“伽利略号”的低增益天线，其传输速率仅为高增益天线的万分之一。由于传输速度大打折扣，“伽利略号”原定的每数分钟向地球回传一张木星照片变成了每隔几周才能回传一张照片，连原定安排对木卫一的探测都不得不取消。这令人十分遗憾。

提起焊接，我们首先想到的是高温：无论是气焊、电焊、激光焊，还是摩擦焊，其原理都是借助巨大的热量熔化金属，并重新凝固成一个完整部件，其本质是焊件和焊料之间的金属原子互相扩散。不过，要让金属原子扩散，并不一定需要高温，冷焊现象就是最好的例子。

冷焊现象一般只发生在太空环境中，因为当两个金属块处于太空时，它们之间没有空气等物质将其分隔。被人们誉为最幽默科学家之一的美国科学家费曼曾这样解释过冷焊现象：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它们，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，渐渐地两块金属中的原子混淆在一起，最终两块金属便融在了一起。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，便不会融在一起。

美国物理学家费曼

原子经过两块金属的接触面，相互扩散

就算你有大力金刚指，也无法使两张金箔产生冷焊现象

在现实生活中，金属冷焊现象很少发生。有人曾以比较容易发生冷焊现象的金箔为对象，做过一个指捏金箔的实验，结果两片金箔并没有连接在一起。你或许会觉得金箔没有发生冷焊，也许是因为实验者的指力不够强。那么，是不是只要压力足够大，金属就能发生冷焊呢？

伦敦金库的金砖在重压下也没有发生冷焊

金属氧化膜会阻止金属冷焊现象

在英格兰银行位于伦敦的地下金库中，近5000 吨金块被整齐码放，其中每块金块的质量为12.4 千克。这些黄金的总体质量实在太大，为了保证金库不至于往地下沉降，该银行的地下金库被拆成8 个子金库，以分散黄金的重量。堆放在最下层的每个金块要承受上方348 千克的其他金块的重压。然而，即便是最底层的金块也没有出现冷焊现象。这是为什么？

绝大多数金属都是借助金属键结合在一起的晶体，你可以想象成金属原子之间彼此“手拉手”。如果此时有另外一块金属要加入进来，就要打破之前的金属键，重新建立新的金属键。要打破既有的金属键，就需要额外能量。科学家推测，在“伽利略号”上发生的天线冷焊现象，其能量来自火箭发射过程中发动机和陀螺仪工作时产生的振动和由摩擦产生的热。

当航天设备在地面环境中运行时，振动产生的摩擦会磨损金属表面的氧化层，但由于地面空气中有氧气，暴露出来的金属很快又被再次氧化。在氧化层、油渍等因素的作用下，金属即便接触再紧密，也很难发生冷焊。不过，在太空中，因为摩擦而暴露出来的金属无法进一步形成保护性的氧化膜，摩擦又使得两块金属交界面温度升高，金属键被短暂破坏，从而创造了冷焊所需要的条件。

为了避免日后继续出现类似情况，美国宇航局在地面模拟了航天设备的冷焊过程。模拟结果显示，“伽利略号”的天线只产生了十分微弱的冷焊，其黏合力仅为0.3 牛顿，但还是超过了天线的弹簧结构产生的分离力。

冷焊的存在会给航天设备的正常运行带来许多麻烦，例如加速轴承磨损，或者导致太阳能电池翼难以完全张开。为了避免冷焊现象，最直接的方案是采用不太容易发生冷焊的金属，或者在运动部件表面涂抹润滑剂。润滑剂一方面能隔绝金属，另一方面也能减小金属之间的摩擦，避免金属键被破坏后产生冷焊。

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