出品:科普中國(guó)
制作:張昊(大阪大學(xué))
監(jiān)制:中國(guó)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(wèn),“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(jiàn) (圖片來(lái)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(qián)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(shuō),自己沒(méi)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(méi)有變化,于是摳了一下,沒(méi)想到掉皮了。
我們今天不過(guò)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(wàn)戶
據(jù)東京奧組委公開(kāi)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(guó)開(kāi)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(wàn)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(lái)源:twenty20.com)
回收而來(lái)的金屬經(jīng)過(guò)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(lái)說(shuō),電鍍過(guò)程可以理解為讓兩種金屬長(zhǎng)在一起。
電鍍最大的制約因素是基板必須能夠?qū)щ?。其次,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(wú)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(zhǎng)久的光亮 (圖片來(lái)源:twenty20.com)
化學(xué)鍍不限基板的材質(zhì)?;瘜W(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(guò)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(lái)源:AliceLr)
很多種類(lèi)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(guò)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(zhǎng)可以非常迅速。而化學(xué)鍍則必須控制反應(yīng)速度,不能過(guò)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(shù)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(shuō)回來(lái),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(rùn),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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)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(guò)程的進(jìn)行會(huì)混入鍍層之中,無(wú)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(lèi)別組合的條件沒(méi)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(zhǎng)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(lái)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(shuō)?
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(lái)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(zhǎng)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(guò)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(lái)源:奧組委官方Y(jié)outube)
無(wú)論是電鍍、化學(xué)鍍還是磁控濺射,都是人類(lèi)已經(jīng)使用多年的成熟金屬鍍膜技術(shù),只要工藝流程過(guò)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(lèi)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(wú)限固溶。從這個(gè)意義上說(shuō),在銀表面鍍金算不上是什么高難度的工藝技術(shù)。不過(guò),既然是工藝,肯定有參數(shù)設(shè)置的合理性以及良率的問(wèn)題。
無(wú)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(shuō),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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