为什么两块金属在太空中接触会焊接在一起?

这种现象并不神秘,被称作冷焊,已经被广泛应用于工业生产。虽然叫冷焊,不过并不是因为太空太冷,这两块金属冻在了一起。

人类在探索太空时就曾因为这种现象得到过教训。NASA于1989年发射了伽利略号木星探测器,发射前一切检查都正常,可当探测器进入太空后却发现主天线无法完全打开,好在有备用天线,不然整个任务就只能宣告结束。

可这个备用天线功率太小,使得传输效率大打折扣。为此,伽利略号木星探测器不得不放弃了几个预定的探测任务,比如对木卫一的探测。

后来科学家通过研究发现,之所以会出现这种故障,就是因为伽利略号的折叠主天线由于冷焊现象部分粘在了一起,这才导致升空后主天线无法完全打开。经此教训,此后的航天器都会通过特殊处理,以应对可能发生的冷焊现象。

那么为什么会发生冷焊现象呢?

我们通常焊接时都是将两个接触物体加热,然后融合在一起。冷焊就是指不需要加热就能将物体焊接在一起。

冷焊的发生基于扩散现象。众所周知,物质都是由原子构成的,而原子等粒子在永不停息的做不规则的热运动,这种运动又叫布朗运动。当物体之间长时间接触,接触面的粒子就会因布朗运动而发生扩散,比如将两块铅块表面削平,紧紧按压在一起,时间一久,它们便会粘在一起。

虽然非金属物质之间、不同金属之间都可能发生冷焊现象,不过冷焊现象的发生也需要一定的条件。

其实,两块金属在太空中接触,若只是接触,并不会发生冷焊现象,需要一定的条件,比如施加压力,相互摩擦等。超声波焊接就是利用高频振动产生的摩擦使两个物体熔合在一起的。总之,就是需要提供足够的能量,才能使接触面间的原子顺利牵手,从而发生冷焊现象。此外,两种材料的相容性也决定了冷焊的发生概率,比如条件合适的情况下,两块黄金之间就比较容易发生冷焊现象。

太空属高度真空环境,两块光洁的金属接触时,且接触面没有氧化层,由于没有空气阻碍,会接触的非常紧密,基于扩散现象,接触面的原子会更容易连接在一起,最终导致两块金属粘在一起,于是便发生了冷焊现象。而且太空属于无氧环境,即使氧化层磨掉了,金属表面也不会再氧化,这更加剧了冷焊现象的发生概率。

地球上不容易发生冷焊现象,就是因为金属暴露在空气中,表面大多有氧化层存在,并且两个接触面之间通常还存在空气层。

伽利略号木星探测器的折叠天线之所以发生冷焊,是因为活动接口处的处理不当,再加上后期的震动摩擦,从而产生了冷焊现象。

冷焊容易使航天器上的一些活动部件发生故障,比如加速轴承磨损,导致太阳能电池翼伸展困难等。为了应对航天领域的这一危害,可以选择不易发生冷焊的配偶材料,以及在接触面上镀膜,或者上点润滑剂,这样能降低金属之间的摩擦,有效降低冷焊现象发生的概率。

冷焊现象虽然在某一方面有害,但也有好的一面。由于焊接过程中不需用高温加热,材料几乎没有收缩率,所以焊接口不容易产生微小的裂纹,故而焊接后的强度较高,不易开裂脱落。

其实,任何现象背后都有其科学原理,当你弄懂之后就不会觉得神秘。关注我,不迷路。