如果两块金属在太空中接触,就会熔接在一起,为什么?

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。

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。

吉布斯自由能△G=△H-T△S,理论上只要△G不大于0反应就可能实现。真空环境下,两块金属变成一体应该属于无序变为有序△S是小于零但是真空接近绝对零度所以T接近0,那么就只取决于△H,这跟真空与金属构成的系统有关,目前来看还是能实现的。所以冷焊其实是可行的。

换个说法,压力和温度作用下,原子做扩散运动,粒子之间作用力对粒子的束缚变小,那么反过来太空环境下压力和温度低那么作用力对粒子的束缚就会增强。同种金属光滑表面接触,此时粒子之间距离可以达到很近足够粒子间作用力发挥作用,自然就会束缚在一起,宏观上就表现为所谓的冷焊

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。目前太空中焊接的方法有:变形焊、钎焊、冷焊、电子束焊、等离子焊弧、熔化极气体保护焊、空心阴极真空电弧焊等。但这些焊接方法还不够成熟,现在的国际空间站还在进行“太空焊接”的研究和探索。

在太空中,如果未受保护的两块金属片相互接触,它们会永久地粘在一起。这在地球上不会发生,因为我们大气中的氧气在每个暴露的表面上形成一层极薄的氧化金属膜。氧化层充当屏障,有效地防止金属块粘附在其他金属块上。然而,在真空空间中,没有氧化层。如果两块金属物体的原子相互接触,你即将拥有的是一块?连续完整的金属体。

这?两块金属直接在太空中接触,它们可能会永久地粘在一起,它们之间绝对没有任何东西,这被称为“冷焊”。在我们的大气中,氧分子覆盖金属表面,防止直接接触。但在太空的真空中,摩擦可以刮掉这层氧气涂层。这允许发生冷焊接,并可能导致空间探测器仪器出现故障。

1989年NASA发射了一颗用于观测木星及其卫星的伽利略号探测器,其带有价值370万美元、5公尺宽的高功率传输天线,平时处于收起状态。在超高真空的太空中飞行了一年多后,91年4月地面控制中心打算控制伽利略号打开天线传输数据,却发现天线无法打开。为什么呢?

排查后发现,原来天线中的3根骨架因为润滑物质以及氧化物在真空环境中磨损殆尽,使骨架与其他金属部件发生了冷焊现象,粘结在了一起,导致天线无法打开!

理查德·费曼(Richard Feynman)是这样解释的:对于冷焊现象,在关于摩擦(冷焊属于摩擦磨损的一种)的讲座中,曾做过一个生动的比喻:在真空中,处在接触面两边的金属原子之间没有任何物质将他们隔开,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。当接触区有其他原子,比如氧气或者其他复杂成分的杂质层,原子就会意识到它们是来自不同的部分。

这是空间站上的一个问题,在太空中使用的金属工具必须涂覆塑料或其他不会粘附的材料。

如果你把宇宙看作一个整体,那么金属物体在太空掉落时粘在一起是常态。只有在像地球这样特殊的地方,在我们高度腐蚀性富氧的大气层中,我们才能随身携带裸露的金属碎片来相互撞击,而不必担心它们粘在一起导致使用不方便。

虽然这种效果是真实的,但它对于中国航天和NASA等来说可能不是问题。如果你把一个金属工具带到太空中,它会保留它在地球上的保护性氧化层,除非你花了很多精力来移除它,否则你的使用不会有任何问题。但是该过程中的冷焊工艺用于工业应用是极好的。

焊接如何在空间中工作 ?

在地球上,如果你想让两种金属融合,你必须将它们加热到熔点以上,但在太空中 ,情况就不同了。 1965年6月3日,宇航员埃德·怀特(Ed White)在双子座4号上进行了有史以来第一次美国太空行走,该太空行走通过一根长金管拴住。他通过从手持枪中射出加压氧气将自己推进到胶囊外。他非常喜欢它,以至于飞行控制部门不得不命令他回到宇宙飞船上。

回到宇宙飞船上,他评论说:“这是他一生中最悲伤的时刻。他几乎不知道宇航舱内部接下来会发生什么,宇航员面临着一个问题,舱口在大约一个小时内会不会关闭,双子座4号没有任何消息。

ED White尝试与飞行控制部门通信,但是实际上他已经超出了与地面的通信范围,但是经过很多痛苦和努力,他们强行关闭了舱门,一切都很好。最初的任务要求再次减压,在那里他们会打开舱门,扔掉笨重的装备,这些东西只适合太空行走。

飞行员麦克迪维特用无线电说,在任何情况下,他们都不会再次打开舱门。飞行认为这是因为宇航员想保留EVA服和气枪作为纪念品。宇航员最终安全返回地球,将额外的装备塞进他们狭窄的飞船的脚部。那么是什么原因导致舱口粘连呢?

当时的NASA工程师发现,这次故障是由于一种叫做冷焊的东西。在太空中 ,如果两种金属接触,它们实际上可以融合在一起,而不需要加热或熔化任何一块。其原因是由于金属的基本结构 ,它有点像焦糖和花生糖棒 ,因为它们含有带正电的离子的晶格,就像花生嵌入在像焦糖这样自由移动的负电子海洋中一样。

现在,在地球上, 金属的表面层与大气中的氧气反应 ,形成保护性氧化层,这实际上阻止了两块金属连接在一起。。但是在太空中 ,这个氧化层可以被磨损,就像两块金属不像铰链那样相互滑动 ,然后裸露的金属片,实际上可以受到一点力或冲击融合在一起,使一块金属的电子可以流入另一块金属。 正如理查德·费恩曼(Richard Feinmann)所说,在这个行业中,原子无法知道它们处于不同的部分。这显然对国际空间站等航天器的建造和维护具有巨大的影响。那么,我们为什么没有听说太空中一直在发生更多这样的灾难呢?为什么国际空间站不是已经是一团糟?

事实是,冷焊并不像科学家最初认为的那样是一个大问题。在真空室和太空中的地面实验表明, 在没有大气的情况下将完全清洁的金属表面压在一起时,会焊接在一起。但事实是, 航天器中使用的金属从来都不是那么干净,它们上面有那些氧化物层,更不用说其他污染物,污垢和油脂了,并且需要很长时间 才能消除所有这些东西,以便裸露的金属在太空中接触。

所以,双子座4号舱口的问题其实并不是冷焊造成的,它只是一扇粘糊糊的门。但这并不是说冷焊永远不会发生。例如,1991年,伽利略号宇宙飞船正在前往木星的途中。现在,当科学家试图展开它的高增益天线时,它本来可以像雨伞一样打开,但它被卡住了。天线的18根肋骨中有三根拒绝打开,这部分是 由于它们是冷焊的,销钉卡在原位,科学家无能为力,无法打开它,所以 最终它们必须争先恐后地寻找一种方法来使用低增益天线从木星发回数据,这是它从未预料到的事情。

在航天器中,必须摩擦在一起的部件可以涂上一层薄薄的二硫化钨,其结构类似于石墨,并在润滑真空接触时防止粘附。

冷焊的发生是由于金属的晶体结构。当两个足够平坦的表面在适当的情况下直接接触时,相邻的化学键会像两个失散已久的恋人营的共同拥抱一样结合在一起,形成一个更大的晶格。

航天机构为防止它所做的是,不是那么多。在实践中,这是相当困难的,当任何金属暴露在地球上的空气中时立即形成的氧化层将使其无法实现。在太空中发生冷焊的唯一时间是在两个表面连续滑动而不进行任何润滑的条件下。在这种情况下,如果它们足够移动以相互抛光足够光滑并侵蚀氧化层,但随后静止不动的时间足够长,则可能发生冷焊接。解决方案很简单就是润滑表面。

当时,双子座早期一次飞行的笨拙舱口被归咎于冷焊,但随后几年的更好理解导致了共识,情况可能并非如此,这是一个简单的热机械堵塞。

欧洲航天局2009年的一份报告,建议了降低冷焊风险的三种主要方法:

1.尽可能使用塑料或陶瓷,以避免金属在金属触点上滑动;

2.如果你必须使用金属,试着使用两种不同的金属,也许是两种不同的金属合金,因为这可以降低这些金属焊接在一起的风险;

3.使用耐磨的耐用涂层,以避免裸露的金属与金属接触。冷焊并不总是一件坏事。科学家们实际上发现它在制造纳米技术方面非常有用。

冷焊将两块金属连接成一块。如果你能在不撕裂材料的情况下将其拉开,那么它就不是冷焊的。如果你在网上搜索“冷焊”,你会拉出各种各样的图像,这些东西都不是那种东西。

它不会那么容易发生。但是你说的叫做冷焊。像金属一样的固体粘合在一起。它与化学键略有不同。这些金属实际上让围绕原子运行的电子聚集在金属中,所以它不再是围绕单个亚当斯的电子,现在把它想象成一片被水淹没的森林,水在树桩中循环。这就是赋予金属导电性,光泽度和保持能力的原因。

当你破解一些固体材料时,我不是在谈论像巧克力棒一条面包,像一块石头,你用锤子砸碎它,你可能会得到一个短暂的火药气味,你闻到的是破碎的纽带,你实际上是在断裂岩石能够分离一些较弱的纽带,在短暂的一瞬间,这些悬垂的纽带正在寻找附着的东西当它们上升到你的鼻子时,你会闻到它尖锐的气味,但很快空气中的氧气就会粘附在岩石的开放面上,气味就会消失。

如果你在几分钟内切开一个苹果,空气就会转动切面,苹果棕色的氧气非常具有侵略性,并且结合得非常快。如果你尝试抛光一块铝或铜管,你可能有10分钟的时间让它再次变钝!

现在想象一下,拿一根粘合在自己的钢筋上,用钢锯把它切成两半,但我们想要一个像望远镜镜子一样精确的切割,但只是死平的超精确切割,如此干净,当你把切割的末端压在一起时,它看起来仍然像一块。但它并没有团结在一起,为什么结构没有改变呢?因为当你切开金属棒时,特别是在这个过程中产生热量,空气中的氧气都围绕在切割面上,对你来说它可能看起来并不生锈,但金属原子上所有悬垂的键现在都被氧气的存在所封盖。

但是,如果你能在真空或惰性气氛中做到这一点,当你切割钢时,它必须是一个非常干净的切割,并且键不能找到粘合的东西,你可以将两块金属推回一起,键将重整,金属条将像从未被切割过一样连接在一起。

如果您运行普通焊工并且不打开保护气体,氧气将进入您的焊缝,并通过氧气结合和防止焊缝形成黑色结渣。通常,焊丝将具有助焊剂,或者使用保护气体。通过使用类似的技术,已经有几次成功的尝试在大气中生产冷焊,有一些公司正在研究一种切割机,可以切割屏蔽它的钢壁,并在开口处做一个Coldwell接头燕麦。

现在在太空中,冷焊接可能发生在你不希望的地方,例如你在船上打开舱门一段时间,当它在地球上时,氧气会沾到金属接头上,但在真空中空间的强烈照明下,你可以对金属进行脱气,导致氧气被驱走,所以在太空中总是有一点问题,你必须确保你不要不小心创造了一个干净的无氧金属接头,然后关闭舱口,发现自己永远焊接在船上。

2种金属将自己焊接在一起的唯一条件是亲密接触。这通常不会在地球上发生,因为氧化表面和空气在两种金属之间,阻止了亲密接触。

所有焊接工艺都旨在使两种基材紧密接触。热量越高越好,因为它增加了连接速率。如果充分加热2种金属的界面,界面将熔化,凝固后立即发生粘合。惯性焊接和其他摩擦焊接工艺等工艺使材料相互移动,以分解表面氧化物和表面上的任何其他物质,从而使纯金属与纯金属亲密接触。

或者,如果您采用2种相似的材料并创建非常光滑的表面,然后将这些表面紧密接触,则原子将倾向于扩散到边界上,从而产生所谓的扩散焊缝或扩散键。这就是你所指的。这在太空计划开始时是一个大问题。为了能够关闭门并使由此产生的密封密封,他们设计了金属对金属密封。当航天器进入太空,所有的空气都从门外被带走时,门对航天器的壁力会导致扩散键的形成。

写在最后

现如今,太空冷焊现象已经得到人类的开发,人类现在已经拥有了真空钎焊技术,也就是人为制造一个真空环境,在内部进行加热焊接。这种焊接方法能够生产出工艺水平极高的产品,尤其在一些容易氧化的金属焊接领域,拥有广阔的应用前景,比如航空工业、原子能工业等!

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。

两块表面洁净的金属,在高真空度的条件下紧密贴在一起,时间久了以后就会粘合到一起,这叫做“冷焊现象”。

物理学告诉我们,原子的微观热运动,在宏观层面就是温度;热力学和量子力学都告诉我们,绝对零度不可达到,微观层面的热运动始终存在。

固体金属的原子之间由化学键连接,两块金属在高真空状态下接触,由于它们之间没有其他物质的阻碍,两侧金属的原子在热运动提供的动能下,会发生随机的漂移,然后在表面层缓慢地相互渗透和扩散,最终导致两块金属粘在一起,这就是冷焊现象。

非金属物质,不同的金属之间,也可能发生冷焊现象,主要看材料本身的延展性,以及两侧材料的相容性,接触压力等等。

在空气中的两块金属很难发生冷焊现象,这是因为空气中的金属很容易在表面生成氧化物,阻碍了金属原子的相互渗透,另外接触时由于表面不可能绝对光滑,空气中的气体分子也会阻碍金属原子的相互渗透,但是在真空中,冷焊现象将会很明显。

冷焊现象对人类有好处也有坏处,比如在1989年,美国NASA发射了伽利略号木星探测器,在离开地球时发现飞船的主天线无法完全打开,主天线一共18根,有3根无法打开,好在备用天线能用。

这导致飞船与地球之间的传输效率大打折扣,本来主天线完全打开能以每秒134K的速度向地球传送信息的,现在每秒只能传输大约1K的数据,正是因为该故障,伽利略号木星探测器不得不放弃几个预先安排好的任务,比如对木卫一的探测等等。

经过研究发现,伽利略号主天线无法完全打开的原因正是“冷焊现象”,伽利略号本定于1986年发射的,后来因为挑战号失事发射时间被推迟,经地面的多次改造和长时间的储存,折叠主天线由于冷焊现象粘在一起,导致升空后无法正常打开,经此教训之后,以后的航天器都会对可能发生冷焊的地方进行特殊处理。

现在,人们根据冷焊发生的原理,发明了各种各样的冷焊机,比如手钳冷焊机无需使用电能也能焊接,原理是施加压力把金属(铝、铜、铂、锡等等)表面积扩大,使原来阻碍焊接的保护膜破裂,然后在负载的作用下,让洁净的金属基质紧密接触并融合,实现原子层面的连接。

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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。

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。

这类现象是存有的,在学术和技术上称之为“冷焊”,尽管还不清楚人们是否有在外太空中做了那样的试验,可是那样的事儿却在外太空中发生过。外国人发送的一架探测仪以前发生过那样的事儿,这架探测仪原本是要去检测几大行星的,在检测完金星水星以后,其无线天线转动轴就被冷焊焊住了,没法只能开启了预留无线天线,可是高效率仅有主无线天线的百分之一。

外太空中艰苦环境,大白天太阳照射能够使物件表面升高到一百多℃,夜里则能够减少到接近零下二百℃,白天黑夜温度差极大金属的热涨冷缩很有可能更改金属预制构件的样子等。而冷焊的优势也促使冷焊在航空航天中很有可能也是有一定的运用,冷焊并不一定尤其地加温,是在常温状态开展,与此同时因为是金属原子自由扩散引起,因此连接头的地应力能较为匀称地遍布在所有胶表面,金属的缓解疲劳工作能力更强,针对承担经常工作压力、波动的金属预制构件,对金属的缓解疲劳工作能力磨练较为大,这时就必须一体化的铸造件或是是冷焊出现的抗压强度高可靠性强的铸造件。

实际上是因为外部经济方面化学物质的蔓延相关,铅这类重金属的熔点并并不是尤其高,而重金属的空气氧化比较艰难,表面没有空气氧化膜,铅金属块的横切面就十分整平光洁,铅原子的自由扩散会朝着另一方渗入,因此在横切面上又发生新的结晶体,最后相互连接在一起。这并不是什么尤其神密的情况,和普遍的焊接不通过,普遍的焊接是立即运用高温使金属熔化,与此同时焊条中也有金属材料,因此在焊接处出现新的金属团,将2个预制构件相互连接。

而冷焊的优势也促使冷焊在航空航天中很有可能也是有一定的运用,冷焊并不一定尤其地加温,是在常温状态开展,与此同时因为是金属原子自由扩散引起,因此连接头的地应力能较为匀称地遍布在所有胶表面,金属的缓解疲劳工作能力更强,针对承担经常工作压力、波动的金属预制构件,对金属的缓解疲劳工作能力磨练较为大,这时就必须一体化的铸造件或是是冷焊出现的抗压强度高可靠性强的铸造件。可是地球上也并并不是绝对不会发生这类现象,假如二块金属的表面不空气氧化,而且中间没有气体等物品分隔的话,把他们放进一起挤压成型一下,使其表面的原子充足的触碰,也是会发生冷焊现象的。

为什么两块金属在太空中接触,就会熔接在一起?看完算是知道了

宇宙中有很多神秘的现象,在等待着人类去探索。那么,如果两块金属在太空中接触,就会熔接在一起,这是为什么呢?

其实,这种现象是有科学解释的,在科学界,有一个专门的名词,叫“冷焊”,说的就是这种两块金属在太空中相互接触之后,熔接在一起的现象。

首先,我们需要明白传统焊接的原理。在地球上,如果想要将两种金属融合在一起,只能用高温融化的方法。当金属在受热之后,会变成一种熔融状态,然后相近的两种金属开始互相融合,直到成为一部分。古时候铁匠造剑就是这个原理。

通过传统焊接技术,我们知道,金属和金属之间是没有排斥性的,只要达到了一定的条件,就能够相互融合。其次,我们需要了解太空和地球的差异性。

我们知道,地球是一颗特殊的球体,因为它有大气层,但是在太空中,是完全处于一种真空的环境中的。有空气和真空,这是地球和太空最大的不同。因为这种真空的环境,给金属的熔接创造了可能,并且不需要高温、加热的条件。

而在太空中,由于物体之间没有空气的阻挡,当两块相同的金属碰到一起时,接触面的原子就会开始扩散,两块金属的原子慢慢得融合在一起,不分彼此,于是就发生了“冷焊”现象。

在地球上,如果没有制造条件,冷焊现象是不可能实现的,当两块金属碰到一起,地球的大气层和氧化层会阻挠原子的相互扩散运动,所以金属之间不会相互融合。如果要模拟太空中的冷焊现象,就只能自己制造出一个真空的环境,将金属放进去了。

其实,冷焊现象跟物理中的原子的运动有关,这既牵涉到了化学知识,又和物理运动紧密联系。我们知道,原子虽然不是构成物质的最小粒子,但是它是化学反应中的最小粒子。两种金属的相互融合,就是原子在进行反应。就原子的性质而言,原子永远都在不停地做无规则的运动,并且原子之间是有间隔的,所以两种金属碰到一起的时候,才会发生熔接。金属和金属之间的原子性质是一样的,两边的原子没有“分清”自己属于哪一边,就开始相互融合了。

所以现在的航天技术,在防止冷焊现象上,下足了很大的功夫。专家会添加油类,或者其它的一些物质,来防止这种现象的发生。这才有了如今蓬勃发展的航空业。

在我们的焊接方式,有一种特殊的焊接方式-冷焊,冷焊即为利用机械力、分子力或者电力使得扩散到器具表面的一种工艺。

在物理学家课本上曾经说过,两个相同的金属,表面光洁的情况下,在太空环境下,放在一起会融合在一起。科学家证明这一现象的存在国际空间站做了这样的实验,是真实存在的!

为什么两块物体会融合在一起?

这主要取决于环境,在太空中这样特殊的环境下,两个相同物体之间没有其他物质或者分子作为隔离,并且在这个环境下,氧气十分的稀缺,不存在氧化的情况。当两块相同物体靠近的时候,物体的原子与原子之间相互的引力形成,最终两块融合成为一块。

在这样特殊的环境下实验,显然这些特殊的要求在地球上十分难达到的,因为在地球上制造和设计出来一个真空环境是非常难的。并且地球上的氧气含量十分高,导致两个金属就算真空取出,也会非常快的在表面形成氧化效果、

在地球上的两块金属熔合,必须借助外力才能达到效果,比如高温熔化两块金属重新浇筑成为我完整的一块。或者通过点焊焊接的方式,电阻热的作用下工件接触处熔化,冷却后形成焊点,这样的方式让两个金属连接在一起。

在我们地球上能不能出现冷焊现象呢?答案是可能的,环境必须满足真空环境下,金属表面没有氧化即可。实验将两块金属挤在一起,只要接触距离达到纳米级,就可以实现冷焊效果。看似简单的两个要求,在地球上也是非常难达到的。

冷焊现象的危险

在人类探索太空是一件非常兴奋的一件事情,可是在太空这么优秀的冷焊环境,也给航天探索带来了不少的麻烦。

其中,最有名的冷焊现象,1989年发生的伽利略号探测器,主天线在一起关闭后就再也没有打开了,主要原因就是在太空中形成冷焊现象。

这一现象也给科学家设计航天器提出非常苛刻要求,航天器的零件与零件之间的连接,使用什么工具?航天器的元器件的更换怎么才能安全方便?航天器的折叠之间的隔离怎么处理?等等,都让科学家们必须全部考虑到位。

不然一个航天器的发射升空,最终结果是不能实现航天器的扩展和替换,这样的航天器在轨道飞行的寿命可能严重受到影响。

在这里不得不说一下我国的“天宫空间站”,该空间站不仅仅只是一个T字型,在未来的工作需要,还可以进行多仓扩展,为未来航天事业的发展提供左右发挥空间。

如何避免航天器的冷焊现象?

在航天器中,如何有效地避免冷焊现象?要解决这个问题,必须是了解他们为什么会冷焊?冷焊的环境是什么样的?

首先解决的为什么会出现冷焊,其中最主要的原因是,太空中是真空环境,两个都是同样的金属,两者之间的距离太近所致,解决这一难题科学家采用一种非常特别的方式,使用油或者其他物质使两者之间相互隔开。

在太空中航天器的相互之间的安装,也是非常重要的,避免在这样的特殊环境下相互之间的影响,采用多种材料搭配使用,这样不同物质的原子相互之间的作用小,不能形容熔合,这样才能保障航天器能正常工作。

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。

1989年,美国发射了一颗叫“伽利略号”的木星探测器,由于抵达木星路途遥远,于是设计了一款携带有直径约5米的接受天线,并且为了保护接受天线在飞行过程中少受太阳辐射的损害,计划在一年半后再将天线展开。一年半后问题出现了,地面科学家通过向伽利略号发射指令展开信号接收器时,却发现无法展开,经过层层排查最后发现几根天线支架发生了粘结,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。

在太空中两块金属接触就可以熔接在一起吗?其实并非如此,发生这样的现象其条件是很苛刻的。

生活中,我们的想要把两块金属接在一起,单纯的放在一起自然是不行的。必须要通过一定的手段才可以,例如:焊接。而我们常见到的焊接多说都是热熔。

通过高温、高压的措施将构成金属的原子本来的排序打乱,由于原子在高温状态下变得不稳定就会乱窜,从而相互交融,而随着温度的降低,原子变得不活跃,也就稳定下来。

从化学角度来讲,高温使得金属原子间本来稳定的化学键发生了破坏。

而现代焊接的能量来源有很多种,包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。

太空中,两块金属自然接触为何就能接在一块?

其实,这就出现了“冷焊”这一概念。

冷焊是应用机械力、分子力或电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺。

当然,在太空中发生这样的现象也是有条件的,并非只要是太空就会发生冷焊。

准确来讲,需要真空条件、压力和一定的时间。

真空中没有空气,金属表面不会发生氧化反应,而氧化后金属就会变的“钝”。

而当真空中的两块金属接触,虽然其原子相对稳定,但也是有活跃度的,原子会发生扩散,之后原子就会相互交融,形成新的化学键,就会接在一起。

不过由于,太空中的温度很低,原子的这种扩散速度也很慢,通常都是纳米级的。

曾有国外的研究者原位观察到了金、银纳米线的奇特的冷焊行为:当两根直径小于 10 nm的单晶金纳米线接触时,即使外界不施加热和压力,它们也能自发地融合起来,形成无缺陷的完美单晶纳米线。

所以,想要出现两块金属在太空中自然连接在一起,必须需要足够的时间。而不同的金属其原子的活跃程度也不同,所以出现“冷焊”这一现象的时间也有差异。

冷焊的意义和危害

由于冷焊区别与传统意义的焊接,冷焊剂的硬度、粘附力和强度特别高,几乎没有收缩率,能可靠的防止许多化学作用、物理应力和机械应力等,人们又称其为“液体金属”。采用合理的工艺,选择适当的化学粘合材料(胶粘剂、密封剂、固持剂、修补剂等)将同种材料或异种材料连接在一起,实现连接、密封、固持、功能涂层,是冷焊当前的主要应用之一。冷焊可以用来对一切金属以及几乎所有的其他各种原材料进行相互连接、固定焊接和密封,硬化后和金属一样能锉、刨、磨、铣、抛光、车、喷丸等,能用各种刀具进行加工。

冷焊的危害主要体现在航空方面,真空条件下自然就可能发生冷焊,会导致加速轴承磨损、电气活动触点卡住、太阳能电池翼伸展困难等。

而想要预防这一现象,可以选择不易发生冷焊的配偶材料,如常见的三氧化二铝,和一些其他材料如三氧化二铬、二硫化钼等制成的薄膜,因为其能降低金属之间的摩擦,将其贴附在航天器上能有效降低冷焊现象。在接触面上涂敷固体润滑剂或设法补充液体润滑剂也能降低冷焊现象。

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