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太空中金属间产生的怪异现象——冷焊现象,原子间的作用力

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2023-04-05

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。


冷焊太空飞船 


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。

那么为什么我们在地球上很少看到这种现象呢?说起来道理也很简单,主要有两个原因,首先就是由于大气层中氧气的作用,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不会粘结到一起,还有一个原因就是地球上到处都有空气的存在,这会使两块金属之间有所阻挡,金属原子很难到达纳米级层面,也就难以发生相互吸引的现象,,那么冷焊现象也就不容易发生了。

不过地球上也并不是绝对不会发生这种现象的,如果刻意创造条件的话,你还能实现冷焊现象的,比如两块金属的表层不氧化,把它们放到一起挤压出里面的空气,让接触面的原子充分的接触,也是会发生冷焊现象的,一些冷焊机和冷焊钳等设备就是利用的这个道理。

 

Tags:金属,原子作用力,冷焊现象,太空  
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