【科技新知】冷焊

張貼者：Allan

閱讀人數：16963人 張貼日期：2021-04-12 19:52:20
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在太空中，為什麼兩塊金屬一相遇就會焊到一起？飛船對接卻不會

科學凡此種種，用人話講才能聽懂
文/天空之城團隊  





這種現象並不神秘，被稱作冷焊，已經被廣泛應用於工業生產。雖然叫冷焊，不過並不是因為太空太冷，這兩塊金屬凍在了一起。



人類在探索太空時就曾因為這種現象得到過教訓。
NASA於1989年發射了伽利略號木星探測器，發射前一切檢查都正常，可當探測器進入太空後卻發現主天線無法完全打開，好在有備用天線，不然整個任務就只能宣告結束。

可這個備用天線功率太小，使得傳輸效率大打折扣。為此，伽利略號木星探測器不得不放棄了幾個預定的探測任務，比如對木衛一的探測。



後來科學家通過研究發現，之所以會出現這種故障，就是因為伽利略號的折疊主天線由於冷焊現象部分粘在了一起，這才導致升空後主天線無法完全打開。經此教訓，此後的航天器都會通過特殊處理，以應對可能發生的冷焊現象。 那麼為什麼會發生冷焊現象呢？ 我們通常焊接時都是將兩個接觸物體加熱，然後融合在一起。冷焊就是指不需要加熱就能將物體焊接在一起。

 

冷焊的發生基於擴散現象。眾所周知，物質都是由原子構成的，而原子等粒子在永不停息地做不規則的熱運動，這種運動又叫布朗運動。當物體之間長時間接觸，接觸面的粒子就會因布朗運動而發生擴散，比如將兩塊鉛塊表面削平，緊緊按壓在一起，時間一久，它們便會粘在一起。

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雖然非金屬物質之間、不同金屬之間都可能發生冷焊現象，不過冷焊現象的發生也需要一定的條件。 其實，兩塊金屬在太空中接觸，若只是接觸，並不會發生冷焊現象，需要一定的條件，比如施加壓力，相互摩擦等。
超聲波焊接就是利用高頻振動產生的摩擦使兩個物體熔合在一起的。
總之，就是需要提供足夠的能量，才能使接觸面間的原子順利牽手，從而發生冷焊現象。此外，兩種材料的相容性也決定了冷焊的發生概率，比如條件合適的情況下，兩塊黃金之間就比較容易發生冷焊現象。

 
太空屬高度真空環境，兩塊光潔的金屬接觸時，且接觸面沒有氧化層，由於沒有空氣阻礙，會接觸得非常緊密，基於擴散現象，接觸面的原子會更容易連接在一起，最終導致兩塊金屬粘在一起，於是便發生了冷焊現象。
而且太空屬於無氧環境，即使氧化層磨掉了，金屬表面也不會再氧化，這更加劇了冷焊現象的發生概率。 地球上不容易發生冷焊現象，就是因為金屬暴露在空氣中，表面大多有氧化層存在，並且兩個接觸面之間通常還存在空氣層。

  伽利略號木星探測器的折疊天線之所以發生冷焊，是因為活動介面處的處理不當，再加上後期的震動摩擦，從而產生了冷焊現象。 冷焊容易使航天器上的一些活動部件發生故障，比如加速軸承磨損，導致太陽能電池翼伸展困難等。為了應對航太領域的這一危害，可以選擇不易發生冷焊的配偶材料，以及在接觸面上鍍膜，或者上點潤滑劑，這樣能降低金屬之間的摩擦，有效降低冷焊現象發生的概率。

 

冷焊現象雖然在某一方面有害，但也有好的一面。由於焊接過程中不需用高溫加熱，材料幾乎沒有收縮率，所以焊接口不容易產生微小的裂紋，故而焊接後的強度較高，不易開裂脫落。

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