电镀|有的奥运金牌“秃噜皮”了……给一块银牌镀金有几种方法？_化学镀|奥运金牌|磁控溅射|中

出品：科普中国
制作：张昊（大阪大学）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
8月23日晚，东京奥运会女子蹦床冠军朱雪莹在社交平台上发问， “你们的奖牌…也能抠掉一层皮吗？”

“涉事”金牌，左上部的剥落区域清晰可见（图片来源：朱雪莹微博）配图是她在此次东京奥运会获得的金牌，金牌上有一块一毛钱硬币大小的面积“秃噜皮”了，肉眼看着都十分明显。朱雪莹解释说，自己没有故意抠金牌，因为发现奖牌上缺了一小块，以为脏了，用手蹭了蹭没有变化，于是抠了一下，没想到掉皮了。
我们今天不过多讨论金牌“秃噜皮”的原因，主要聊聊东京奥运会金牌的制作工艺。
金牌并非纯金，而是“银牌”镀金
奥运的银牌由纯银制成，铜牌由青铜（铜95%、锡5%）制成，金牌是用银质作为基底，在基底的表面再镀覆一层金，这个镀金层的重量为6克。奖牌构造的差异也导致银牌、铜牌和金牌的工序不同。
银牌和铜牌只要在冷压工序后稍作一些热处理和表面抛光，即可作为成品出厂。而金牌比较特殊，需要在基底上再进行一次镀覆工艺。可以理解成，要在“银牌”上镀金。
那么，如何镀金呢？
给金牌镀金有几种方法？
让一层金属附着在另外一层表面的技术有很多，工业界应用最广的便是电镀和化学镀，除此之外，磁控溅射也是比较常见的方法。
电镀是利用电流驱使溶液中的金属离子，使其附着在希望得到沉积的表面上。镀覆之前，基板需要进行多道清洗工序，以便让表面的油污和氧化物等杂质脱离。
真正进入最后一道电镀槽之前，基板金属的表面应该是非常清洁的。此过程中，露出表面的新鲜基板原子活性很高，急需和另外的物质相结合以降低表面能，因为只有这样才能让它们达到更加稳定的状态。此时，电流推动溶液中的异种金属离子前往基板表面，并在这里还原为单质，同时还能和基板金属紧密结合。通俗来说，电镀过程可以理解为让两种金属长在一起。
电镀最大的制约因素是基板必须能够导电。其次，电镀能够实现的镀层/基体组合其实是有限的，很多金属无法利用电镀的方式进行镀覆。此外，很多金属只能镀覆在与其适配的特定的金属表面，如果更换了基底，效果就会大打折扣。

镀铬的餐具可以保持长久的光亮（图片来源：twenty20.com）那有没有不限制基板材质的方法呢？
有，化学镀。
化学镀同样是在工业上常用的金属镀覆方式，只要把基板浸入到含有镀层元素离子的溶液中，在特定的反应条件下，离子就会在基板表面沉积析出，这与电镀不同，化学镀是不需要电流驱动的。
例如，我们把铁棒插入硫酸铜溶液中后，铜离子就会析出到铁表面，而铁则会以离子的形式进入到溶液中。经过一段时间后，铁棒表面就会形成均一的铜镀层。
此外，银镜反应也可以算得上是一种化学镀方法。
化学镀最大的优势在于它的基板不需要具有导电性就可以进行镀覆，例如塑料、玻璃乃至硅片等都可以用化学镀的方式，在其上形成致密的镀层。例如，想要在塑料表面电镀一层光亮的镀铬装饰层，就只能先用化学镀方式在塑料表面镀上一层金属，这样才能在此基础上进行电镀。

利用化学镀方法加工的镀镍零件（图片来源：AliceLr）很多种类的镀层既可以用化学镀的方式进行，也可以用电镀的方式进行。例如银和金的镀层,通过以上两种方式都可以实现制备。但化学镀和电镀的镀层在性质上还是存在很大的差异，具体的工艺条件也会极大地影响镀层的性质。
和化学镀相比，电镀最大的优势在于效率高，镀层生长可以非常迅速。而化学镀则必须控制反应速度，不能过快，否则就会产生各种镀层缺陷。
集成电路板经常有镀银或者镀金的需求，但集成电路板一般是树脂材质，不能导电。因此，工厂都会先在电路板上需要进行镀覆的地方，利用化学镀方式镀上一层钯。这层钯可能只有几十个纳米厚，它们排列紧密强度高，能够为后续的电镀工艺提供导体层，因此我们经常把这层钯叫做种子层。有了种子层，就可以再进行电镀金或者电镀银的后续工艺。
话说回来，电路板上为什么需要用到大量的金、银、铜材料呢？
首先，金可以起到很好的抗氧化作用，高温焊接时候能够和液态焊料良好浸润，获得高质量焊点。
而银作为具有极高电导率热导率的金属，在电路板中经常用作导线和接头。
铜价格相对便宜，且导电导热良好，因此常作为电路板中导电部分的基板。

电路板上含有大量的金、银、铜（图片来源：twenty20.com）最后，还想介绍一种更加精细的方法——磁控溅射。
【电镀|有的奥运金牌“秃噜皮”了……给一块银牌镀金有几种方法？】磁控溅射是制作高纯镀层的不二选择。磁控溅射的原理和电镀、化学镀又有不同。磁控溅射是利用高压电场让靶材表面的原子电离，并以等离子体的形式轰击希望镀覆的基材表面，从而紧密附着在基材上的镀层方式。
假如我们希望在银板上镀金，那么就用金来充当靶材。和电镀相比，磁控溅射的优势在于纯净度非常高，金属靶材都是高纯金属，而这个过程在抽成高真空的腔室中进行，几乎不会引入杂质。
但电镀则不同，电镀的镀槽环境复杂，是多种无机盐和有机物的混合体系，镀层中往往含有大量的夹杂物。这些夹杂物将随着镀覆过程的进行会混入镀层之中，无法清除。
磁控溅射还有一个好处：它不像电镀一样，存在很多的不可行组合，基本上只要是能制成靶材的物质，都可以很好地在基板上进行镀覆，对于金属类别组合的条件没有那么苛刻。
当然，在反应条件上则相反，磁控溅射需要高真空环境，成本比电镀显然还是要高上不少。电镀槽可以有几十米长几米宽，而磁控溅射的腔室受到真空度制约，很难做到这么大，即使是工业级设备的腔室，也可能就只有你家洗衣机的滚筒那么大。

磁控溅射，图中紫色光芒即为靶材上方的等离子体（图片来源：作者拍摄）为什么我认为东京奥运会金牌采用的是“电镀”技术？
既然有至少三种方法，那么东京奥运会是用什么方法给“银牌”镀金的呢？
我分析后认为应该是“电镀” 。
为什么这么说？
本届奥运会金牌上的镀金量为6克（符合奥委会对金牌规格作出的规定）。而金的密度为19.32克每立方厘米，据此，我们可以推算出镀金层的总体积为0.31立方厘米。而本次奖牌尺寸为直径8.5厘米，奖牌两个表面的总面积为113.43平方厘米。所以，镀金层的平均厚度大约为27微米。
这个数字看起来不大，但实际上已经超出了化学镀和磁控溅射的加工极限，因为这两者的镀层生长速度仅在每小时1微米左右。而电镀27微米镀层则只要几十分钟就能完成，在生产效率上占据优势，而且成本与其他两种方法相比也是最低的。
在“金牌秃噜皮事件”后，笔者通过上述分析和计算，意识到东京奥运会的金牌使用的镀层工艺几乎只能是电镀。
这一点也在奥组委发布的宣传视频中找到了证据支持。

金牌的电镀工艺流程（注意三个电流触点）（图片来源：奥组委官方Youtube）无论是电镀、化学镀还是磁控溅射，都是人类已经使用多年的成熟金属镀膜技术，只要工艺流程过硬，一般不会出现镀层不良的现象。大部分情况下，镀层的接合处具有极高的强度，即便界面发生断裂，也往往是发生在靠近某一层金属的一侧，而非沿着整个界面发生剥离。
金在银表面的电镀是使用历史最为悠久的电镀方式之一，这一方面是由于金是稀贵金属、性质稳定，倾向于在电解质溶液中被还原。另外一方面则是由于银和金的晶体结构类似、原子尺寸相近，因此能够“相似相溶” 。
实际上，金银合金的组成百分比可以从1%到100% ，这种现象叫做无限固溶。从这个意义上说，在银表面镀金算不上是什么高难度的工艺技术。不过，既然是工艺，肯定有参数设置的合理性以及良率的问题。
无论本次事件的原因是什么，作为制造业的从业人员，我想对自己和同行们说，唯有提高质量意识，才能提供经得住时间考验的产品。

电镀|有的奥运金牌“秃噜皮”了……给一块银牌镀金有几种方法？

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