如果两块金属在太空中接触,就会熔接在一起,为什么?

有寶

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。


看风景的蜗牛君

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。


科普大世界

看了上述的回答总觉得有不足之处、从基本理论上来看都没错、但是都忽视了冷焊的重要条件、那就是 "原子间距离" 即两者之间隙必须足够小(小到个位数纳米级水平)才能发生冷焊现象、此其一。其二、以接触面积为1平方厘米的焊件来说、要加工到整个面积全都达到原子间距离谈何容易(接触面积越大越难)。对于众多焊友在回答中提到的所谓太空冷焊现象、充其量只是极少数几个点达到了原子间距离而已、就质量而言这种焊接没有实质意义。


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这是现在也能用到的“冷焊”,因为太空中是真空状态,没有(人类认知到的)其他物质,突然冒出“两块”铁,铁元素和铁元素之间无法区分谁属于那一部分的,所以都会粘接在一起。我们在地球上把容器抽真空,也可以实现“冷焊”。其实依照现在的研究,太空中充满以太,并非真正的真空。整个宇宙就像一个饱满的空间,和水一样,引力作用或爆炸的能量也会使空间产生“涟漪”,就是目前新发现的“引力波”。


红烧屁股炸指甲

在太空中没有空气,洁净度高,所以金属表面很难形成氧化膜和污染膜。虽然我们看到的金属都是静止不动的固体,但是微观世界里金属的原子是在不停运动的,当把两块金属接触时,由于没有空气和氧化膜、污染膜的阻隔,两块金属间的原子就会运动交叉,互相渗透到彼此接触的金属块内。宏观表现就成为两块金属熔接在一起。这种现象称为“冷焊”现象。


剪刀雨

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


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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。


像是吹往北边的风

物理学、化学、材料工程、测量、加工、各方面都存在误差、无法达到绝对,理论也受误差的限制。如果能够突破误差,达到绝对,那么人类就可以主宰宇宙了。例如100%的纯金可能自带重力破障效果。100%的纯铝自带修复效果。100%的纯水晶可以将任何光源变成激光……


肚皮舞寒寒

除了金属其它物质会不会也发生类似冷焊的现象呢?如果有,生命体内的不同组织之间为什么长期未暴露的氧化环境中,却不会发生焊接呢?是因为基因设定了程序阻止了这种焊接?那它是怎么阻止的?生成了什么物质来阻止焊接?


成熟的狗狗

这在物理上叫做扩散现象吧,金属是由原子构成的,原子是在不断的做无规则运动。当AB两块金属紧密接触在一起,AB两块金属的原子会搞不清旁边这个是不是属于自己的,于是跑到了别人的地盘,而且越跑越深,最后融为一体。生活中常见的是放炭的仓库,墙会变成黑色的,而且黑色会很深就是这个原理,或者你将两块铅块表面削平,紧紧按在一起,几分钟后他们便会沾在一起。