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，并不會發生什么怪事。但在太空環境中，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 千字節的“高增益天線”。為了減小運輸體積，高增益天線被設計成傘形，只有當需要接收信號時，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無法完全張開

經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。但此時科學家發現“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構因為冷焊現象而無法分開。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，冷焊現象就是最好的例子。

冷焊現象一般只發生在太空環境中，因為當兩個金屬塊處于太空時，它們之間沒有空氣等物質將其分隔。被人們譽為最幽默科學家之一的美國科學家費曼曾這樣解釋過冷焊現象：在真空中，當兩塊金屬接觸在一起時，因為處在金屬接觸面兩側的原子間沒有任何物質阻隔它們，它們分不清自己原來是哪一側的原子，兩側的原子相互擴散，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。

美國物理學家費曼

原子經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生冷焊現象

在現實生活中，金屬冷焊現象很少發生。有人曾以比較容易發生冷焊現象的金箔為對象，做過一個指捏金箔的實驗，結果兩片金箔并沒有連接在一起。你或許會覺得金箔沒有發生冷焊，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，金屬就能發生冷焊呢？

倫敦金庫的金磚在重壓下也沒有發生冷焊

金屬氧化膜會阻止金屬冷焊現象

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，其中每塊金塊的質量為12.4 千克。這些黃金的總體質量實在太大，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冷焊現象。這是為什么？

絕大多數金屬都是借助金屬鍵結合在一起的晶體，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。科學家推測，在“伽利略號”上發生的天線冷焊現象，其能量來自火箭發射過程中發動機和陀螺儀工作時產生的振動和由摩擦產生的熱。

當航天設備在地面環境中運行時，振動產生的摩擦會磨損金屬表面的氧化層，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，從而創造了冷焊所需要的條件。

為了避免日后繼續出現類似情況，美國宇航局在地面模擬了航天設備的冷焊過程。模擬結果顯示，“伽利略號”的天線只產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構產生的分離力。

冷焊的存在會給航天設備的正常運行帶來許多麻煩，例如加速軸承磨損，或者導致太陽能電池翼難以完全張開。為了避免冷焊現象，最直接的方案是采用不太容易發生冷焊的金屬，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生冷焊。