出品：科普中國

制作：張昊（大阪大學(xué)）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

8月23日晚，東京奧運(yùn)會(huì)女子蹦床冠軍朱雪瑩在社交平臺(tái)上發(fā)問，“你們的獎(jiǎng)牌…也能摳掉一層皮嗎？”

“涉事”金牌，左上部的剝落區(qū)域清晰可見 （圖片來源：朱雪瑩微博）

配圖是她在此次東京奧運(yùn)會(huì)獲得的金牌，金牌上有一塊一毛錢硬幣大小的面積“禿嚕皮”了，肉眼看著都十分明顯。朱雪瑩解釋說，自己沒有故意摳金牌，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)獎(jiǎng)牌上缺了一小塊，以為臟了，用手蹭了蹭沒有變化，于是摳了一下，沒想到掉皮了。

我們今天不過多討論金牌“禿嚕皮”的原因，主要聊聊東京奧運(yùn)會(huì)金牌的制作工藝。

獎(jiǎng)牌取材回收于千家萬戶

據(jù)東京奧組委公開資料顯示，東京奧運(yùn)會(huì)獎(jiǎng)牌所用的金銀銅三種金屬，全部從廢棄的手機(jī)等電子機(jī)器中提取。

從2017年4月到2019年3月的兩年間，東京奧組委在日本全國開展了名為“從都市礦山制造，大家的獎(jiǎng)牌”的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)活動(dòng)回收了近8萬噸的小型家用電器。最終，項(xiàng)目獲得了32千克金、3500千克銀，以及2200千克銅，滿足了奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)5000枚獎(jiǎng)牌的需求。

廢舊手機(jī) （圖片來源：twenty20.com）

回收而來的金屬經(jīng)過提純精煉，被分別還原回單質(zhì)原料狀態(tài)，再由機(jī)械加工的方式分割成與接近最終獎(jiǎng)牌的大小。

之后，采用冷壓的方式，在獎(jiǎng)牌正反兩面同時(shí)形成勝利女神尼姬像及奧運(yùn)五環(huán)等圖樣。

奧運(yùn)的銀牌由純銀制成，銅牌由青銅（銅95%、錫5%）制成，金牌是用銀質(zhì)作為基底，在基底的表面再鍍覆一層金，這個(gè)鍍金層的重量為6克。獎(jiǎng)牌構(gòu)造的差異也導(dǎo)致銀牌、銅牌和金牌的工序不同。

銀牌和銅牌只要在冷壓工序后稍作一些熱處理和表面拋光，即可作為成品出廠。而金牌比較特殊，需要在基底上再進(jìn)行一次鍍覆工藝。

廢舊電子器件制作的工藝品 （圖片來源：twenty20.com）

給金牌鍍金有幾種方法？

讓一層金屬附著在另外一層表面的技術(shù)有很多，工業(yè)界應(yīng)用最廣的便是電鍍和化學(xué)鍍，除此之外磁控濺射也是比較常見的方法。

電鍍是利用電流驅(qū)使溶液中的金屬離子，使其附著在希望得到沉積的表面上。鍍覆之前，基板需要進(jìn)行多道清洗工序，以便讓表面的油污和氧化物等雜質(zhì)脫離。

真正進(jìn)入最后一道電鍍槽之前，基板金屬的表面應(yīng)該是非常清潔的。此過程中，露出表面的新鮮基板原子活性很高，急需和另外的物質(zhì)相結(jié)合以降低表面能，因?yàn)橹挥羞@樣才能讓它們達(dá)到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)，電流推動(dòng)溶液中的異種金屬離子前往基板表面，并在這里還原為單質(zhì)，同時(shí)還能和基板金屬緊密結(jié)合。通俗來說，電鍍過程可以理解為讓兩種金屬長在一起。

電鍍最大的制約因素是基板必須能夠?qū)щ姟Ｆ浯?，電鍍能夠?qū)崿F(xiàn)的鍍層/基體組合其實(shí)是有限的，很多金屬無法利用電鍍的方式進(jìn)行鍍覆。此外，很多金屬只能鍍覆在與其適配的特定的金屬表面，如果更換了基底，效果就會(huì)大打折扣。

鍍鉻的餐具可以保持長久的光亮 （圖片來源：twenty20.com）

化學(xué)鍍不限基板的材質(zhì)。化學(xué)鍍同樣是在工業(yè)上常用的金屬鍍覆方式，只要把基板浸入到含有鍍層元素離子的溶液中，在特定的反應(yīng)條件下，離子就會(huì)在基板表面沉積析出，這與電鍍不同，化學(xué)鍍是不需要電流驅(qū)動(dòng)的。

例如，我們把鐵棒插入硫酸銅溶液中后，銅離子就會(huì)析出到鐵表面，而鐵則會(huì)以離子的形式進(jìn)入到溶液中。經(jīng)過一段時(shí)間后，鐵棒表面就會(huì)形成均一的銅鍍層。

此外，銀鏡反應(yīng)也可以算得上是一種化學(xué)鍍方法。

化學(xué)鍍最大的優(yōu)勢(shì)在于它的基板不需要具有導(dǎo)電性就可以進(jìn)行鍍覆，例如塑料、玻璃乃至硅片等都可以用化學(xué)鍍的方式，在其上形成致密的鍍層。例如，想要在塑料表面電鍍一層光亮的鍍鉻裝飾層，就只能先用化學(xué)鍍方式在塑料表面鍍上一層金屬，這樣才能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電鍍。

利用化學(xué)鍍方法加工的鍍鎳零件 （圖片來源：AliceLr）

很多種類的鍍層既可以用化學(xué)鍍的方式進(jìn)行，也可以用電鍍的方式進(jìn)行。例如銀和金的鍍層,通過以上兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)制備。但化學(xué)鍍和電鍍的鍍層在性質(zhì)上還是存在很大的差異，具體的工藝條件也會(huì)極大地影響鍍層的性質(zhì)。

和化學(xué)鍍相比，電鍍最大的優(yōu)勢(shì)在于效率高，鍍層生長可以非常迅速。而化學(xué)鍍則必須控制反應(yīng)速度，不能過快，否則就會(huì)產(chǎn)生各種鍍層缺陷。

集成電路板經(jīng)常有鍍銀或者鍍金的需求，但集成電路板一般是樹脂材質(zhì)，不能導(dǎo)電。因此，工廠都會(huì)先在電路板上需要進(jìn)行鍍覆的地方，利用化學(xué)鍍方式鍍上一層鈀。這層鈀可能只有幾十個(gè)納米厚，它們排列緊密強(qiáng)度高，能夠?yàn)楹罄m(xù)的電鍍工藝提供導(dǎo)體層，因此我們經(jīng)常把這層鈀叫做種子層。有了種子層，就可以再進(jìn)行電鍍金或者電鍍銀的后續(xù)工藝。

話說回來，電路板上為什么需要用到大量的金、銀、銅材料呢？

首先，金可以起到很好的抗氧化作用，高溫焊接時(shí)候能夠和液態(tài)焊料良好浸潤，獲得高質(zhì)量焊點(diǎn)。

而銀作為具有極高電導(dǎo)率熱導(dǎo)率的金屬，在電路板中經(jīng)常用作導(dǎo)線和接頭。

銅價(jià)格相對(duì)便宜，且導(dǎo)電導(dǎo)熱良好，因此常作為電路板中導(dǎo)電部分的基板。這也是為什么東京奧運(yùn)會(huì)回收的大量廢舊手機(jī)能夠提煉出獎(jiǎng)牌制造所需的貴金屬的原因。

電路板上含有大量的金、銀、銅 （圖片來源：twenty20.com）

磁控濺射是制作高純鍍層的不二選擇。磁控濺射的原理和電鍍、化學(xué)鍍又有不同。磁控濺射是利用高壓電場(chǎng)讓靶材表面的原子電離，并以等離子體的形式轟擊希望鍍覆的基材表面，從而緊密附著在基材上的鍍層方式。

假如我們希望在銀板上鍍金，那么就用金來充當(dāng)靶材。和電鍍相比，磁控濺射的優(yōu)勢(shì)在于純凈度非常高，金屬靶材都是高純金屬，而這個(gè)過程在抽成高真空的腔室中進(jìn)行，幾乎不會(huì)引入雜質(zhì)。

但電鍍則不同，電鍍的鍍槽環(huán)境復(fù)雜，是多種無機(jī)鹽和有機(jī)物的混合體系，鍍層中往往含有大量的夾雜物。這些夾雜物將隨著鍍覆過程的進(jìn)行會(huì)混入鍍層之中，無法清除。

磁控濺射還有一個(gè)好處：它不像電鍍一樣，存在很多的不可行組合，基本上只要是能制成靶材的物質(zhì)，都可以很好地在基板上進(jìn)行鍍覆，對(duì)于金屬類別組合的條件沒有那么苛刻。

當(dāng)然，在反應(yīng)條件上則相反，磁控濺射需要高真空環(huán)境，成本比電鍍顯然還是要高上不少。電鍍槽可以有幾十米長幾米寬，而磁控濺射的腔室受到真空度制約，很難做到這么大，即使是工業(yè)級(jí)設(shè)備的腔室，也可能就只有你家洗衣機(jī)的滾筒那么大。

磁控濺射，圖中紫色光芒即為靶材上方的等離子體（圖片來源：作者拍攝）

為什么我認(rèn)為東京奧運(yùn)會(huì)金牌采用的是“電鍍”技術(shù)？

既然至少有三種方法，那么東京奧運(yùn)會(huì)采用的是哪種方法給銀牌鍍金的呢？

我分析后認(rèn)為應(yīng)該是“電鍍”。

為什么這么說？

本屆奧運(yùn)會(huì)金牌上的鍍金量為6克（符合奧委會(huì)對(duì)金牌規(guī)格作出的規(guī)定）。而金的密度為19.32克每立方厘米，據(jù)此，我們可以推算出鍍金層的總體積為0.31立方厘米。而本次獎(jiǎng)牌尺寸為直徑8.5厘米，獎(jiǎng)牌兩個(gè)表面的總面積為113.43平方厘米。所以，鍍金層的平均厚度大約為27微米。

這個(gè)數(shù)字看起來不大，但實(shí)際上已經(jīng)超出了化學(xué)鍍和磁控濺射的加工極限，因?yàn)檫@兩者的鍍層生長速度僅在每小時(shí)1微米左右。而電鍍27微米鍍層則只要幾十分鐘就能完成，在生產(chǎn)效率上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而且成本與其他兩種方法相比也是最低的。

在“金牌禿嚕皮事件”后，筆者通過上述分析和計(jì)算，意識(shí)到東京奧運(yùn)會(huì)的金牌使用的鍍層工藝幾乎只能是電鍍。

這一點(diǎn)也在奧組委發(fā)布的宣傳視頻中找到了證據(jù)支持。

金牌的電鍍工藝流程（注意三個(gè)電流觸點(diǎn)） （圖片來源：奧組委官方Y(jié)outube）

無論是電鍍、化學(xué)鍍還是磁控濺射，都是人類已經(jīng)使用多年的成熟金屬鍍膜技術(shù)，只要工藝流程過硬，一般不會(huì)出現(xiàn)鍍層不良的現(xiàn)象。大部分情況下，鍍層的接合處具有極高的強(qiáng)度，即便界面發(fā)生斷裂，也往往是發(fā)生在靠近某一層金屬的一側(cè)，而非沿著整個(gè)界面發(fā)生剝離。

金在銀表面的電鍍是使用歷史最為悠久的電鍍方式之一，這一方面是由于金是稀貴金屬、性質(zhì)穩(wěn)定，傾向于在電解質(zhì)溶液中被還原。另外一方面則是由于銀和金的晶體結(jié)構(gòu)類似、原子尺寸相近，因此能夠“相似相溶”。

實(shí)際上，金銀合金的組成百分比可以從1%到100%，這種現(xiàn)象叫做無限固溶。從這個(gè)意義上說，在銀表面鍍金算不上是什么高難度的工藝技術(shù)。不過，既然是工藝，肯定有參數(shù)設(shè)置的合理性以及良率的問題。

無論本次事件的原因是什么，作為制造業(yè)的從業(yè)人員，我想對(duì)自己和同行們說，唯有提高質(zhì)量意識(shí)，才能提供經(jīng)得住時(shí)間考驗(yàn)的產(chǎn)品。

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