不可思議的“鋁熱反應”，兩顆生鏽的鐵球互相撞擊，畫面難得一見

讓兩顆嶄新的鐵球隔着鋁箔紙撞擊 除了鋁箔紙上有撞痕，基本無事發生 但如果將鐵球變成生鏽的狀態 再用鋁箔紙包裹住其中一顆生鏽的鐵球 然後讓它倆互相撞擊 可以看到在兩顆鐵球碰撞的瞬間 發出了耀眼的火花 一次無事，一次發生劇烈火花 爲何讓鐵球生鏽就能產生如此大的變化呢 簡單做個實驗 將氧化鐵與鋁屑混合放入反應容器中 然後利用甘油與高錳酸鉀的反應將其點燃 可以看到混合物燃燒的瞬間 整個畫面那叫一個狼煙滾滾，火花四射 而這就是化學反應中的鋁熱反應 氧化鐵與鋁的混合物作爲鋁熱劑 在高溫狀態下會發生劇烈的反應並放出大量的熱 這種放熱反應的溫度可達3000攝氏度以上 看到這你是不是已經瞭解 兩顆生鏽鐵球彼此碰撞 爲何會冒出耀眼的火花了 其實這就是縮小版的鋁熱反應 兩顆鐵球在碰撞的瞬間會產生高溫 生鏽鐵球的表面含有大量氧化鐵 當它接觸到鋁箔紙後就會與鋁元素 在高溫狀態下發生劇烈反應 從而產生劇烈的火花 這也不由讓人腦洞大開 在野外這幾樣東西可比打火機耐造得多 有了它是不是再也不用擔心火源的問題了 而說起鋁熱反應的應用 就不得不提到冶煉金屬了 比如焊接鋼軌時 不用電就能產生3000攝氏度現場煉鋼 火車軌道綿延不絕 但鋼軌的長度卻是有限的 因此工人們需要在現場 把一節節的鋼軌焊接起來 此時鋁熱反應就成了最好的選擇 畫面中火花四射的場景就是工人們 在現場焊接鋼軌 先把兩段鋼軌通過模具連接 加熱一段時間 再將混有鋁粉、鋼粉以及氧化鐵的鋁熱焊劑放進坩堝中 這時只需放入一根點燃的鎂條 焊劑就會發生鋁熱反應 從而產生3000度以上的高溫 融化的鋼水也會從坩堝的底部流入縫隙 以此達到焊接的目的 由於鋁熱反應十分激烈 若在鋼等其他金屬物上點燃 還會熔穿金屬，加劇反應 所以在戰場上它也是一個恐怖的存在 眼前這個星光閃閃的畫面 就是俄羅斯在戰場上使用鋁熱彈的場景 看上去像是在放煙花一樣 但實際上它的殺傷力恐怖如斯 其爆炸產生的火花 幾秒鐘就能燒穿幾釐米厚的鋼板 對坦克裝甲車具有毀滅性的作用 如此美麗又危險 也難怪被稱爲死亡煙花了 魯伯特之淚這種長得像三體人水滴探測器的東西 自從17世紀被發現後已經被好奇的人類研究了近400年 這一切都源於它神奇的特性，這是一塊相當頭鐵的玻璃 無堅不摧的液壓機想要徹底壓碎它也需要20噸的壓力 並且液壓機自身也會產生一個凹坑 不光如此國外還曾有人用子彈射擊魯伯特之淚 結果子彈粉碎了 這顆玻璃的頭部依然沒事 然而若是抓住它纖細尾巴的話 只需稍微施加一些壓力 整顆玻璃淚珠就會瞬間爆裂四濺徹底粉碎 那麼這個矛盾到極致的東西到底是怎麼形成的呢？ 魯伯特之淚的製作方法說起來也非常簡單 只需要高溫加熱使玻璃融化 讓玻璃溶液自然地垂落冰水中就能獲得 最早可以追溯到1660年 巴達維亞的魯伯特王子給英格蘭 國王查理二世獻上了五顆玻璃球 這種本應被受到當衆嘲笑的寒酸禮物竟然由此聞名世界 足足折騰了科學家們400年之久 直到人們使用交叉偏振光看到它內部結構之後才恍然大悟 原來融化的玻璃在滴進水裏的時候 最外面一層會先凝固但內部還是熔融狀態 核心熔融狀態下的玻璃慢慢冷卻凝結 從而體積變小 但此時外部形狀已經固定 所以會向着已經是固體的表面方向收縮 從而讓外層玻璃受到高達700兆帕的巨大壓應力 幾乎是大氣壓的7000倍 同時中心位置的玻璃也被原本呈固態的外殼拉扯向四周 受到拉應力 簡單來說大家可以將內部想象成 兩隊勢均力敵的拔河隊員出現了僵持不下的局面 那麼爲什麼頭部和尾部受力差別這麼大呢? 這是因爲入水先後順序不同 魯伯特之類的頭部質量大冷卻最慢 尾部質量小冷卻快 從而導致頭尾冷卻不均衡 整個內部受力不均 脆弱的尾部一旦受到破壞 不均衡的壓力就會瞬間釋放 順着裂紋擴散到魯伯特之淚整體 這個過程被稱爲裂紋擴展 秒速可達1450米到1900米 相當於音速的尾部也難怪會粉身碎骨了 值得一提的是，鋼化玻璃本身具有高抗壓度的原因 也是因爲經過急速冷卻處理後 表面存在着一層薄薄壓應力的原因 所以鋼化玻璃耐衝擊 而且一旦破碎後，就會像魯伯特之淚一樣 碎成大量小顆粒狀碎片，不會傷人 這樣的處理技術不僅適用於玻璃，鋼管也可以 比如炮管滾珠等金屬製品 由於依靠單純的熱脹冷縮所提供的應力有限 在經過液壓爆炸等方式處理後 就能增加更大的應力 將200克鋁熱劑倒在玻璃上 中間插上引線與鎂條組成的導火結構 將其點燃後，幾秒鐘的時間 鋁熱劑堆便開始劇烈燃燒 釋放出耀眼的亮光 產生的熱量瞬間使底下的三層玻璃炸裂 如果將鋁熱實驗放在一個鐵桶中進行 熔點接近1600攝氏度的鐵皮更是被直接融化 不用電也能產生上千度高溫 鋁熱反應的原理是什麼 從概念來講，鋁熱反應指的是 鋁熱劑在高溫條件下發生劇烈反應 並放出大量熱的一種化學過程 其中，鋁熱劑是單質鋁與金屬氧化物的混合物 這裏的氧化物可以是三氧化二鐵、四氧化三鐵 三氧化二鉻或者五氧化二釩等 常用的主要是外表呈紅色的氧化鐵粉末 它與鋁粉混合燃燒後 會發生氧化還原反應 使氧化鐵中的鐵單質被還原出來 其化學方程式表示爲 鋁加氧化鐵生成氧化鋁加鐵 在這個過程中 反應所生成的氧化鋁生成焓極低 僅爲-1645千焦每摩爾 而生成焓負值越大 該物質鍵能越大 對熱越穩定 放出的能量也就會越多 於是能產生3000攝氏度左右的高溫 這個溫度便可以使還原出來的鐵單質 以液態熔融狀態出現 基於這一特點，鋁熱反應 常被應用在鐵軌焊接方面，也就是鋁熱焊 如何用鋁熱焊焊接鐵軌呢 簡單來說，鋁熱焊是焊接與鑄造工藝的結合 當鐵軌需要進行局部焊接時，工人會用氧氣乙炔切割槍 將要焊接部位切割下來，水平對比距離後 放上內部呈工字形鐵軌截面的模具 兩邊夾緊，並在周圍縫隙處塗抹膠結砂以做密封 防止焊接過程中呈熔融狀態的鐵汁從縫隙中流出 接著用火焰槍加熱鐵軌的焊接部位直至發紅 以減少工件與焊劑之間的溫度差 然後把混有鋁粉鋼粉和氧化鐵的成品鋁熱劑倒在坩堝容器中 放置於模具上方，蓋上蓋子，插入點燃的鎂條 在鋁熱反應的作用下產生3500攝氏度的高溫 使鐵單質融化，從底部洞口流入鐵軌之間 之後拆掉模具，敲掉多餘的部分 在焊接處打磨平整即可 最後除了焊接鐵軌 鋁熱反應的另一種應用是鋁熱彈 2022年12月俄羅斯就使用了鋁熱彈 對烏克蘭在頓涅茨克南部弗洛達地區的陣地發起了突襲 爆炸產生的火花在空中形成一團團死亡煙花 與白磷彈凝固汽油燃燒彈一樣 鋁熱彈也屬於燃燒彈的一種 但與白磷彈汽油燃燒彈生成的1000或800攝氏度不同 鋁熱彈在空中燃燒時能產生3000度的高溫 這種物質落到地面上後，幾秒鐘就能燒穿幾釐米厚的鋼板 對坦克裝甲車等具有極強的破壞性 所到之處可以說是寸草不生 除非躲在地下工事或不易燃耐高溫的可靠建築中 否則根本無法抵禦 甩起來軟軟的，扭動扭動 看着和硅膠沒啥兩樣 但讓我沒想到的是，它竟然是一種金屬 切割的時候下手利落一點，唰的就扯下來了一整條 搭配着聲音聽，你能感受到強烈的金屬質感 那它是如何成型的？又怎麼會這麼軟呢？ 用手往兩邊拉，你能看到上下鋁板間加了層蜂窩芯 因爲直觀的造型，它有着一個直觀的名字鋁蜂窩 製作時，先切兩塊鋁合金板 併爲它們加上具有抗風化和抗紫外線性能的氟碳塗層 然後是夾心層，用的是鋁箔 首先將塗好芯條膠的鋁箔片按一定間隔疊在一起 形成蜂窩狀結構 再把堆疊好的鋁箔放入熱壓機中固化粘合劑線條 最後切割拉伸 一個個六邊形的蜂窩形狀就出現了 這種結構我們都知道，允許一定的變形空間 並且可以像彈簧一樣將外力分攤到各個蜂窩單位中 再加上兩面板協同配合分散應力 整體抵抗彎曲變形的能力就得到了大大的提高 另外，在粘面板和蜂窩芯時 用的是聚氨酯高溫固化膠 這種膠接法不僅能保證粘接層有良好的柔韌性 還不容易讓連接處發生脆性斷裂 但缺點是受潮溼、高溫等惡劣環境影響，膠層容易開裂 有一種釺焊法，接頭則不含任何膠粘劑 板和芯的結合強度更高 焊前先對蜂窩芯和麪板進行鹼洗和酸洗 去除表面氧化膜，然後將它們放入到600度的氣氛爐中 並添加自反應釺劑，使其產生自反應釺焊 這個過程屬於金屬連接 不過其中的蜂窩芯都是採用齒 輪式軸輥滾壓成型工藝製備而成 先是膠輥，它帶動着鋁箔向前移動 然後是鍍了層硬鉻的軸輥 作用是能將捲起的鋁箔壓平 再然後就是過齒輪被壓成波紋板 最終經粘接得到金屬蜂窩芯板 鋁蜂窩結構具有高比強度高比剛度 耐腐蝕和緩衝隔震等優勢 因此常在航空航天工業中被用來製作各種壁板 還有就是各種建築木板 其中面板除了用鋁合金外，還可以用其他型材 比如實木板石膏板大理石等