出品：科普中國

制作：張昊（大阪大學）

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

8月23日晚，東京奧運會女子蹦床冠軍朱雪瑩在社交平臺上發(fā)問，“你們的獎牌…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會獲得的金牌，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，因為發(fā)現(xiàn)獎牌上缺了一小塊，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，主要聊聊東京奧運會金牌的制作工藝。

獎牌取材回收于千家萬戶

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

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，大家的獎牌”的運動。這項活動回收了近8萬噸的小型家用電器。最終，項目獲得了32千克金、3500千克銀，以及2200千克銅，滿足了奧運會和殘奧會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(jīng)過提純精煉，被分別還原回單質原料狀態(tài)，再由機械加工的方式分割成與接近最終獎牌的大小。

之后，采用冷壓的方式，在獎牌正反兩面同時形成勝利女神尼姬像及奧運五環(huán)等圖樣。

奧運的銀牌由純銀制成，銅牌由青銅（銅95%、錫5%）制成，金牌是用銀質作為基底，在基底的表面再鍍覆一層金，這個鍍金層的重量為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有很多，工業(yè)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面上。鍍覆之前，基板需要進行多道清洗工序，以便讓表面的油污和氧化物等雜質脫離。

真正進入最后一道電鍍槽之前，基板金屬的表面應該是非常清潔的。此過程中，露出表面的新鮮基板原子活性很高，急需和另外的物質相結合以降低表面能，因為只有這樣才能讓它們達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。此時，電流推動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，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導電。其次，電鍍能夠實現(xiàn)的鍍層/基體組合其實是有限的，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?；瘜W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，在特定的反應條件下，離子就會在基板表面沉積析出，這與電鍍不同，化學鍍是不需要電流驅動的。

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

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(yōu)勢在于它的基板不需要具有導電性就可以進行鍍覆，例如塑料、玻璃乃至硅片等都可以用化學鍍的方式，在其上形成致密的鍍層。例如，想要在塑料表面電鍍一層光亮的鍍鉻裝飾層，就只能先用化學鍍方式在塑料表面鍍上一層金屬，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,通過以上兩種方式都可以實現(xiàn)制備。但化學鍍和電鍍的鍍層在性質上還是存在很大的差異，具體的工藝條件也會極大地影響鍍層的性質。

和化學鍍相比，電鍍最大的優(yōu)勢在于效率高，鍍層生長可以非常迅速。而化學鍍則必須控制反應速度，不能過快，否則就會產(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，不能導電。因此，工廠都會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。這層鈀可能只有幾十個納米厚，它們排列緊密強度高，能夠為后續(xù)的電鍍工藝提供導體層，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，高溫焊接時候能夠和液態(tài)焊料良好浸潤，獲得高質量焊點。

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

銅價格相對便宜，且導電導熱良好，因此常作為電路板中導電部分的基板。這也是為什么東京奧運會回收的大量廢舊手機能夠提煉出獎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、化學鍍又有不同。磁控濺射是利用高壓電場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，那么就用金來充當靶材。和電鍍相比，磁控濺射的優(yōu)勢在于純凈度非常高，金屬靶材都是高純金屬，而這個過程在抽成高真空的腔室中進行，幾乎不會引入雜質。

但電鍍則不同，電鍍的鍍槽環(huán)境復雜，是多種無機鹽和有機物的混合體系，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行會混入鍍層之中，無法清除。

磁控濺射還有一個好處：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，都可以很好地在基板上進行鍍覆，對于金屬類別組合的條件沒有那么苛刻。

當然，在反應條件上則相反，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)級設備的腔室，也可能就只有你家洗衣機的滾筒那么大。

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）

為什么我認為東京奧運會金牌采用的是“電鍍”技術？

既然至少有三種方法，那么東京奧運會采用的是哪種方法給銀牌鍍金的呢？

我分析后認為應該是“電鍍”。

為什么這么說？

本屆奧運會金牌上的鍍金量為6克（符合奧委會對金牌規(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。而本次獎牌尺寸為直徑8.5厘米，獎牌兩個表面的總面積為113.43平方厘米。所以，鍍金層的平均厚度大約為27微米。

這個數(shù)字看起來不大，但實際上已經(jīng)超出了化學鍍和磁控濺射的加工極限，因為這兩者的鍍層生長速度僅在每小時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，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算，意識到東京奧運會的金牌使用的鍍層工藝幾乎只能是電鍍。

這一點也在奧組委發(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(jīng)使用多年的成熟金屬鍍膜技術，只要工藝流程過硬，一般不會出現(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，而非沿著整個界面發(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、性質穩(wěn)定，傾向于在電解質溶液中被還原。另外一方面則是由于銀和金的晶體結構類似、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1%到100%，這種現(xiàn)象叫做無限固溶。從這個意義上說，在銀表面鍍金算不上是什么高難度的工藝技術。不過，既然是工藝，肯定有參數(shù)設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，我想對自己和同行們說，唯有提高質量意識，才能提供經(jīng)得住時間考驗的產(chǎn)品。

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