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两块有一面绝对光滑平整的铁块，对着放在一起能不能变成一块铁？

冷焊,原子,铁块两块有一面绝对光滑平整的铁块，对着放在一起能不能变成一块铁？

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

回答于 2019-09-11 08:43:50

世上本无绝对光滑平整的东西，但你既然说有，那我可以回答一下，题主说“绝对光滑平整”显然就是在诱导大家：两块有一面绝对光滑平整的铁块，对着放在一起能变成一块铁。我也是这个结论，但有个前提条件：必须处于低温超真空环境中，意思就是两表面不能污染。有人说这就是冷焊，我认为不全是，下面先来看一看什么是冷焊。

所谓的冷焊是指利用机械力、分子力、电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺方法。它对表面粗糙度要求并不高，主要用于修复金属表面的磨损、划伤、小气孔、砂眼等小缺陷。

一些冷焊机，比如堆焊冷焊机利用充电电容短时间周期性放电，电极尖与器具接触处可达10000℃高温，等离子化状态熔融金属以冶金的方式过渡到工件表面，合金化作用向工件内部扩散、熔渗，形成了扩散层，得到了高强度的结合。这是利用电力和分子力的工艺方法。

冷焊现象确实特别容易发生在超低真空和低温环境下（真空度高于10的-8次方），比如说高轨或深空航天器，

它们的运动部件表面处于原子清洁、无污染状态，造成金属面间的原子键结合造成的粘接，还有金属活动部件间因过度摩擦造成凸点处局部焊接，这是利用分子力和机械力的现象。主要就是这一点讨厌，容易卡死，但又必须能活动，所以一般采用润滑剂。比如说二硫化钼）降低表面的摩擦系数来防止冷焊现象发生。

而题主所说的情况不涉及电力和机械力，只依靠原子分子力了。准确地说这是最理想化的冷焊了。绝对光滑平整能达到什么程度？这就要看什么程度叫绝对光滑平整。

如果表面粗糙度Ra能达到纳米（10^-9米）和皮米（10^-12米）之间的程度，即分子作用力（范德华力）所需的距离（10^-10米）以下叫绝对光滑平整，那么两块有一面绝对光滑平整的铁块对放在一起，能变成一块。但再说一次前提，必须超真空，表面不能被氧化污染。可是现实中难以实现，第一，真空度达不到。第二，目前表面粗糙度最高级别为Ra=0.012μm=1.2x10^-8米，比起10^-10米还差两个数量级。不过差的不算大，不久的将来肯定能达到，那时我们不妨再做这个试验。好了，我的答案到此结束。

回答于 2019-09-11 08:43:50

感谢悟空的信任和邀请。

如果你的假设前提，两块表面绝对光滑平整的铁块，这两个面接触在一起，那么我的回答就是：完全有可能发生，在学术领域被称为冷焊现象。

我为什么要强调您的前提条件呢？

第一、在地球表面空气中，裸露的金属面会迅速氧化，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无法发生冷焊现象。

第二、地球上空气的存在会使两块金属之间有所阻挡，所以两块金属的金属原子难以直接相连，那么冷焊现象当然就不容易发生了。

在题主所强调的前提下，我们可以认为，这两个光滑表面原子以晶体晶格规则完整排列、并且没有氧化情况发生。同时，同种金属光滑表面接触，此时铁原子之间距离可以达到很近足够粒子间作用力发挥作用，自然就会束缚在一起。

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回答于 2019-09-11 08:43:50

如果是在空气中，两块即便是绝对光滑平整的铁块，它们对着放在一起也无法合成一块铁。但在真空中，两块铁块可以合成一块，这就是冷焊原理。

在空气中的时候，与空气接触的那部分铁会吸附气体分子。并且铁还会被氧气氧化，形成氧化膜。由于气体分子和氧化膜的存在，阻止了两块铁结合在一起，所以在空气中不会出现冷焊的现象。

然而，在真空中，两块绝对光滑平整的铁块可以结合在一起，其原理在于原子扩散。可能有些人会有疑问了，铁块不是固体吗，为什么铁原子还能运动和扩散呢？

事实上，只要粒子的温度高于绝对零度（-273.15 ℃），其动能就会大于零，所以它们必然存在某些方式的运动，例如，平动（即平移运动，传统意义上的运动），另外还有振动、转动。无论粒子组成的宏观物体呈现为固态、液态、或者气态，或者其他物质状态，组成粒子都会存在运动。只是与液态和气态物质中的粒子相比，固态物质中的粒子运动幅度要小得多，并且这种运动不会改变物质状态。在固体中，原子会不断转移、混合、交换位置，这就是原子的自由扩散现象。

上图为金纳米线的冷焊现象

在真空中，铁的表面没有气体分子和氧化膜的阻挡，两块铁中的原子可以自由扩散，它们最终也会形成金属键，所以就能紧密地结合到一起。对于尺寸越小的金属，越容易发生冷焊的现象，科学家发现直径小于10纳米的单晶超薄金纳米线能在几秒钟内被冷焊在一起，所要施加的压力非常低。

由于冷焊现象的存在，在太空中运行的航天器曾因此出过故障，比较有代表性的例子是NASA的伽利略号木星探测器。当年，伽利略号的主天线没能正常展开，其原因就是天线的金属骨架与其他金属元件发生了冷焊。

回答于 2019-09-11 08:43:50

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