神奇的金屬冷焊

編譯 邵峰

日常生活中，我們將兩塊同樣材料的金屬塊緊貼在一起，并不會發(fā)生什么怪事。但在太空環(huán)境中，兩塊金屬塊可能會融合成一個金屬塊，再也不會分離。

天線張不開，木星探測計劃大受影響

1989 年10 月9 日，美國宇航局發(fā)射了“伽利略號”木星探測器。因為地球和木星距離十分遙遠，所以為了保證“伽利略號”能順利接收到來自地球的指揮信號，美國宇航局為其專門配備了每秒能傳輸80 千字節(jié)的“高增益天線”。為了減小運輸體積，高增益天線被設(shè)計成傘形，只有當(dāng)需要接收信號時，高增益天線才會張開。

“伽利略號”探測器的高增益天線因冷焊效應(yīng)無法完全張開

經(jīng)過一年半的太空旅行，“伽利略號”于1991 年4 月10 日來到木星附近。但此時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“伽利略號”的高增益天線無論如何也無法張開。他們對此提出了數(shù)千種可能的原因，又被一一否決。最終，他們懷疑原因是高增益天線的傘狀結(jié)構(gòu)因為冷焊現(xiàn)象而無法分開。不得已，美國宇航局只有啟用“伽利略號”的低增益天線，其傳輸速率僅為高增益天線的萬分之一。由于傳輸速度大打折扣，“伽利略號”原定的每數(shù)分鐘向地球回傳一張木星照片變成了每隔幾周才能回傳一張照片，連原定安排對木衛(wèi)一的探測都不得不取消。這令人十分遺憾。

冷焊，原因是原子在擴散

提起焊接，我們首先想到的是高溫：無論是氣焊、電焊、激光焊，還是摩擦焊，其原理都是借助巨大的熱量熔化金屬，并重新凝固成一個完整部件，其本質(zhì)是焊件和焊料之間的金屬原子互相擴散。不過，要讓金屬原子擴散，并不一定需要高溫，冷焊現(xiàn)象就是最好的例子。

冷焊現(xiàn)象一般只發(fā)生在太空環(huán)境中，因為當(dāng)兩個金屬塊處于太空時，它們之間沒有空氣等物質(zhì)將其分隔。被人們譽為最幽默科學(xué)家之一的美國科學(xué)家費曼曾這樣解釋過冷焊現(xiàn)象：在真空中，當(dāng)兩塊金屬接觸在一起時，因為處在金屬接觸面兩側(cè)的原子間沒有任何物質(zhì)阻隔它們，它們分不清自己原來是哪一側(cè)的原子，兩側(cè)的原子相互擴散，漸漸地兩塊金屬中的原子混淆在一起，最終兩塊金屬便融在了一起。但是，如果存在空氣或者氧化層等其他非同類原子，這些金屬原子就會意識到它們屬于不同部分，便不會融在一起。

美國物理學(xué)家費曼

原子經(jīng)過兩塊金屬的接觸面，相互擴散

冷焊要滿足哪些條件？

就算你有大力金剛指，也無法使兩張金箔產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象

在現(xiàn)實生活中，金屬冷焊現(xiàn)象很少發(fā)生。有人曾以比較容易發(fā)生冷焊現(xiàn)象的金箔為對象，做過一個指捏金箔的實驗，結(jié)果兩片金箔并沒有連接在一起。你或許會覺得金箔沒有發(fā)生冷焊，也許是因為實驗者的指力不夠強。那么，是不是只要壓力足夠大，金屬就能發(fā)生冷焊呢？

倫敦金庫的金磚在重壓下也沒有發(fā)生冷焊

金屬氧化膜會阻止金屬冷焊現(xiàn)象

在英格蘭銀行位于倫敦的地下金庫中，近5000 噸金塊被整齊碼放，其中每塊金塊的質(zhì)量為12.4 千克。這些黃金的總體質(zhì)量實在太大，為了保證金庫不至于往地下沉降，該銀行的地下金庫被拆成8 個子金庫，以分散黃金的重量。堆放在最下層的每個金塊要承受上方348 千克的其他金塊的重壓。然而，即便是最底層的金塊也沒有出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象。這是為什么？

絕大多數(shù)金屬都是借助金屬鍵結(jié)合在一起的晶體，你可以想象成金屬原子之間彼此“手拉手”。如果此時有另外一塊金屬要加入進來，就要打破之前的金屬鍵，重新建立新的金屬鍵。要打破既有的金屬鍵，就需要額外能量。科學(xué)家推測，在“伽利略號”上發(fā)生的天線冷焊現(xiàn)象，其能量來自火箭發(fā)射過程中發(fā)動機和陀螺儀工作時產(chǎn)生的振動和由摩擦產(chǎn)生的熱。

當(dāng)航天設(shè)備在地面環(huán)境中運行時，振動產(chǎn)生的摩擦?xí)p金屬表面的氧化層，但由于地面空氣中有氧氣，暴露出來的金屬很快又被再次氧化。在氧化層、油漬等因素的作用下，金屬即便接觸再緊密，也很難發(fā)生冷焊。不過，在太空中，因為摩擦而暴露出來的金屬無法進一步形成保護性的氧化膜，摩擦又使得兩塊金屬交界面溫度升高，金屬鍵被短暫破壞，從而創(chuàng)造了冷焊所需要的條件。

為了避免日后繼續(xù)出現(xiàn)類似情況，美國宇航局在地面模擬了航天設(shè)備的冷焊過程。模擬結(jié)果顯示，“伽利略號”的天線只產(chǎn)生了十分微弱的冷焊，其黏合力僅為0.3 牛頓，但還是超過了天線的彈簧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的分離力。

冷焊的存在會給航天設(shè)備的正常運行帶來許多麻煩，例如加速軸承磨損，或者導(dǎo)致太陽能電池翼難以完全張開。為了避免冷焊現(xiàn)象，最直接的方案是采用不太容易發(fā)生冷焊的金屬，或者在運動部件表面涂抹潤滑劑。潤滑劑一方面能隔絕金屬，另一方面也能減小金屬之間的摩擦，避免金屬鍵被破壞后產(chǎn)生冷焊。