出品：科普中國

製作：張昊（大阪大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

8月23日晚，東(dong) 京奧運會(hui) 女子蹦床冠軍(jun) 朱雪瑩在社交平台上發問，“你們(men) 的獎牌…也能摳掉一層皮嗎？”

“涉事”金牌，左上部的剝落區域清晰可見 （圖片來源：朱雪瑩微博）

配圖是她在此次東(dong) 京奧運會(hui) 獲得的金牌，金牌上有一塊一毛錢硬幣大小的麵積“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，因為(wei) 發現獎牌上缺了一小塊，以為(wei) 髒了，用手蹭了蹭沒有變化，於(yu) 是摳了一下，沒想到掉皮了。

我們(men) 今天不過多討論金牌“禿嚕皮”的原因，主要聊聊東(dong) 京奧運會(hui) 金牌的製作工藝。

獎牌取材回收於(yu) 千家萬(wan) 戶

據東(dong) 京奧組委公開資料顯示，東(dong) 京奧運會(hui) 獎牌所用的金銀銅三種金屬，全部從(cong) 廢棄的手機等電子機器中提取。

從(cong) 2017年4月到2019年3月的兩(liang) 年間，東(dong) 京奧組委在日本全國開展了名為(wei) “從(cong) 都市礦山製造，大家的獎牌”的運動。這項活動回收了近8萬(wan) 噸的小型家用電器。最終，項目獲得了32千克金、3500千克銀，以及2200千克銅，滿足了奧運會(hui) 和殘奧會(hui) 5000枚獎牌的需求。

廢舊手機 （圖片來源：twenty20.com）

回收而來的金屬經過提純精煉，被分別還原回單質原料狀態，再由機械加工的方式分割成與(yu) 接近最終獎牌的大小。

之後，采用冷壓的方式，在獎牌正反兩(liang) 麵同時形成勝利女神尼姬像及奧運五環等圖樣。

奧運的銀牌由純銀製成，銅牌由青銅（銅95%、錫5%）製成，金牌是用銀質作為(wei) 基底，在基底的表麵再鍍覆一層金，這個(ge) 鍍金層的重量為(wei) 6克。獎牌構造的差異也導致銀牌、銅牌和金牌的工序不同。

銀牌和銅牌隻要在冷壓工序後稍作一些熱處理和表麵拋光，即可作為(wei) 成品出廠。而金牌比較特殊，需要在基底上再進行一次鍍覆工藝。

廢舊電子器件製作的工藝品 （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麵的技術有很多，工業(ye) 界應用最廣的便是電鍍和化學鍍，除此之外磁控濺射也是比較常見的方法。

電鍍是利用電流驅使溶液中的金屬離子，使其附著在希望得到沉積的表麵上。鍍覆之前，基板需要進行多道清洗工序，以便讓表麵的油汙和氧化物等雜質脫離。

真正進入最後一道電鍍槽之前，基板金屬的表麵應該是非常清潔的。此過程中，露出表麵的新鮮基板原子活性很高，急需和另外的物質相結合以降低表麵能，因為(wei) 隻有這樣才能讓它們(men) 達到更加穩定的狀態。此時，電流推動溶液中的異種金屬離子前往基板表麵，並在這裏還原為(wei) 單質，同時還能和基板金屬緊密結合。通俗來說，電鍍過程可以理解為(wei) 讓兩(liang) 種金屬長在一起。

電鍍最大的製約因素是基板必須能夠導電。其次，電鍍能夠實現的鍍層/基體(ti) 組合其實是有限的，很多金屬無法利用電鍍的方式進行鍍覆。此外，很多金屬隻能鍍覆在與(yu) 其適配的特定的金屬表麵，如果更換了基底，效果就會(hui) 大打折扣。

鍍鉻的餐具可以保持長久的光亮 （圖片來源：twenty20.com）

化學鍍不限基板的材質。化學鍍同樣是在工業(ye) 上常用的金屬鍍覆方式，隻要把基板浸入到含有鍍層元素離子的溶液中，在特定的反應條件下，離子就會(hui) 在基板表麵沉積析出，這與(yu) 電鍍不同，化學鍍是不需要電流驅動的。

例如，我們(men) 把鐵棒插入硫酸銅溶液中後，銅離子就會(hui) 析出到鐵表麵，而鐵則會(hui) 以離子的形式進入到溶液中。經過一段時間後，鐵棒表麵就會(hui) 形成均一的銅鍍層。

此外，銀鏡反應也可以算得上是一種化學鍍方法。

化學鍍最大的優(you) 勢在於(yu) 它的基板不需要具有導電性就可以進行鍍覆，例如塑料、玻璃乃至矽片等都可以用化學鍍的方式，在其上形成致密的鍍層。例如，想要在塑料表麵電鍍一層光亮的鍍鉻裝飾層，就隻能先用化學鍍方式在塑料表麵鍍上一層金屬，這樣才能在此基礎上進行電鍍。

利用化學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鍍的方式進行，也可以用電鍍的方式進行。例如銀和金的鍍層,通過以上兩(liang) 種方式都可以實現製備。但化學鍍和電鍍的鍍層在性質上還是存在很大的差異，具體(ti) 的工藝條件也會(hui) 極大地影響鍍層的性質。

和化學鍍相比，電鍍最大的優(you) 勢在於(yu) 效率高，鍍層生長可以非常迅速。而化學鍍則必須控製反應速度，不能過快，否則就會(hui) 產(chan) 生各種鍍層缺陷。

集成電路板經常有鍍銀或者鍍金的需求，但集成電路板一般是樹脂材質，不能導電。因此，工廠都會(hui) 先在電路板上需要進行鍍覆的地方，利用化學鍍方式鍍上一層鈀。這層鈀可能隻有幾十個(ge) 納米厚，它們(men) 排列緊密強度高，能夠為(wei) 後續的電鍍工藝提供導體(ti) 層，因此我們(men) 經常把這層鈀叫做種子層。有了種子層，就可以再進行電鍍金或者電鍍銀的後續工藝。

話說回來，電路板上為(wei) 什麽(me) 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，高溫焊接時候能夠和液態焊料良好浸潤，獲得高質量焊點。

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

銅價(jia) 格相對便宜，且導電導熱良好，因此常作為(wei) 電路板中導電部分的基板。這也是為(wei) 什麽(me) 東(dong) 京奧運會(hui) 回收的大量廢舊手機能夠提煉出獎牌製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）

磁控濺射是製作高純鍍層的不二選擇。磁控濺射的原理和電鍍、化學鍍又有不同。磁控濺射是利用高壓電場讓靶材表麵的原子電離，並以等離子體(ti) 的形式轟擊希望鍍覆的基材表麵，從(cong) 而緊密附著在基材上的鍍層方式。

假如我們(men) 希望在銀板上鍍金，那麽(me) 就用金來充當靶材。和電鍍相比，磁控濺射的優(you) 勢在於(yu) 純淨度非常高，金屬靶材都是高純金屬，而這個(ge) 過程在抽成高真空的腔室中進行，幾乎不會(hui) 引入雜質。

但電鍍則不同，電鍍的鍍槽環境複雜，是多種無機鹽和有機物的混合體(ti) 係，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行會(hui) 混入鍍層之中，無法清除。

磁控濺射還有一個(ge) 好處：它不像電鍍一樣，存在很多的不可行組合，基本上隻要是能製成靶材的物質，都可以很好地在基板上進行鍍覆，對於(yu) 金屬類別組合的條件沒有那麽(me) 苛刻。

當然，在反應條件上則相反，磁控濺射需要高真空環境，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製約，很難做到這麽(me) 大，即使是工業(ye) 級設備的腔室，也可能就隻有你家洗衣機的滾筒那麽(me) 大。

磁控濺射，圖中紫色光芒即為(wei) 靶材上方的等離子體(ti) （圖片來源：作者拍攝）

為(wei) 什麽(me) 我認為(wei) 東(dong) 京奧運會(hui) 金牌采用的是“電鍍”技術？

既然至少有三種方法，那麽(me) 東(dong) 京奧運會(hui) 采用的是哪種方法給銀牌鍍金的呢？

我分析後認為(wei) 應該是“電鍍”。

為(wei) 什麽(me) 這麽(me) 說？

本屆奧運會(hui) 金牌上的鍍金量為(wei) 6克（符合奧委會(hui) 對金牌規格作出的規定）。而金的密度為(wei) 19.32克每立方厘米，據此，我們(men) 可以推算出鍍金層的總體(ti) 積為(wei) 0.31立方厘米。而本次獎牌尺寸為(wei) 直徑8.5厘米，獎牌兩(liang) 個(ge) 表麵的總麵積為(wei) 113.43平方厘米。所以，鍍金層的平均厚度大約為(wei) 27微米。

這個(ge) 數字看起來不大，但實際上已經超出了化學鍍和磁控濺射的加工極限，因為(wei) 這兩(liang) 者的鍍層生長速度僅(jin) 在每小時1微米左右。而電鍍27微米鍍層則隻要幾十分鍾就能完成，在生產(chan) 效率上占據優(you) 勢，而且成本與(yu) 其他兩(liang) 種方法相比也是最低的。

在“金牌禿嚕皮事件”後，筆者通過上述分析和計算，意識到東(dong) 京奧運會(hui) 的金牌使用的鍍層工藝幾乎隻能是電鍍。

這一點也在奧組委發布的宣傳(chuan) 視頻中找到了證據支持。

金牌的電鍍工藝流程（注意三個(ge) 電流觸點） （圖片來源：奧組委官方Youtube）

無論是電鍍、化學鍍還是磁控濺射，都是人類已經使用多年的成熟金屬鍍膜技術，隻要工藝流程過硬，一般不會(hui) 出現鍍層不良的現象。大部分情況下，鍍層的接合處具有極高的強度，即便界麵發生斷裂，也往往是發生在靠近某一層金屬的一側(ce) ，而非沿著整個(ge) 界麵發生剝離。

金在銀表麵的電鍍是使用曆史最為(wei) 悠久的電鍍方式之一，這一方麵是由於(yu) 金是稀貴金屬、性質穩定，傾(qing) 向於(yu) 在電解質溶液中被還原。另外一方麵則是由於(yu) 銀和金的晶體(ti) 結構類似、原子尺寸相近，因此能夠“相似相溶”。

實際上，金銀合金的組成百分比可以從(cong) 1%到100%，這種現象叫做無限固溶。從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上說，在銀表麵鍍金算不上是什麽(me) 高難度的工藝技術。不過，既然是工藝，肯定有參數設置的合理性以及良率的問題。

無論本次事件的原因是什麽(me) ，作為(wei) 製造業(ye) 的從(cong) 業(ye) 人員，我想對自己和同行們(men) 說，唯有提高質量意識，才能提供經得住時間考驗的產(chan) 品。

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