薄于蝉翼，细过发丝——金的趣话(2)

供稿|贾成厂 /

作者单位：北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083

金箔

金箔的特性

金是延展性最强的金属。金可以制备成非常薄的薄片，称为金箔。金箔到底能够有多薄呢，说起来令人惊讶，可以薄到0.1 μm，就是说金箔能薄到1 mm 的万分之一。使用1 cm3的金块可以制备出面积为100 m2的金箔。大家一定都知道蝉吧？蝉翼是蝉的翅膀，薄如蝉翼常用以比喻极轻极薄的事物。但据测量，蝉翼的厚度约为0.12 mm，也就是说，1200 张金箔叠起来才能抵上蝉翼的厚度。实在是令人难以置信！金箔的厚度当然是可以调整的，就是说，在一定的范围内，其厚薄可以自由地变化。

当金箔达到如此之薄时，它是透明的。透过这种金箔可以看到对面的景色。一般说来，透过红色的玻璃片，看到的景色就会发红。那么透过透明的金箔所看到的颜色是什么呢？是不是金色的？不是的！不可思议的是，看到的是绿色。这是因为金反射黄色光及红色光的能力很强，这些有色光大都被反射了，所以，即使是红叶，透过金箔来看也就神奇地变成绿色了(图1)。很久以前，这一特性就被用来判别金的真假：把需要判别的物质做成箔。然后透过其看对面的景色是否为绿色。如果是真金，那看到的就应该是绿色的啦，否则就不是真金了。

图1 透过金箔看红叶

判别金箔真伪的办法还可以根据其厚度。真金箔比仿金箔要薄的多，真金箔手触即碎，而仿金箔比真金箔要厚的多，手触不会碎。还有真金不怕火炼，用火烧下也能辨别金箔的真假，仿金箔主要原料是铜，通过燃烧会生成氧化铜而变黑，而真金箔则不会。

判断一个物件是不是真金，还有更简单的方法。就是利用破碎的碗片儿对所需判定的物件进行划擦，如果物件真是金的，那么得到的划痕颜色是金色。但是如果是金以外的金属，一般会得到黑色的划痕。碗片儿到处都有吧，你可以找一个碗片儿在你身边的金戒指上划一下试一试哦。当然了，破坏金戒指的责任，谁来负责呢？

我们还通过肉眼可以判断金箔的纯金含量的大概。有9 赤8 黄7 青之说，即含金量超过90%的为偏红色，含量80%的为偏黄色，含量为70%的为偏青色。

金箔的制备

金箔生产工艺独特，技术要求高，自古至今，一直为手工制作。关于金箔的制作工艺，在《天工开物》中就有着记录：“凡造金箔，既成薄皮后，包入乌金纸内，竭力挥椎打成。”

金箔是利用金的良好延展性，对金的薄片进行敲打使其逐渐延伸而得到的。但是这绝对不是简简单单的敲打，是把金的薄片放在纸张之间，并将其重叠100 层左右，由专门的金箔师用锤子进行敲打，这样金就会延伸逐渐变薄，最后变成我们所需要厚度的美丽金箔(图2)。问题是——使用什么纸？对金进行敲打使其逐渐地变薄的道理很简单，但是夹住金箔的纸是非常特别的。这种被称为萡纸的纸张一般是边长为30 厘米的正方形，但绝对不是普通的纸张，这是一种特别的纸放在特别的水里浸渍半年以上后再拿出来干燥以后使用。这种水里包含有特殊的物质，每个金箔师手中都有特别的祖传秘方。这种纸一经制备好以后可以多次重复使用，当然它的功能会逐渐低下。到最后不能使用时，还可以把它切成一定的尺寸，用于演员的化妆。也有人用了上等的复印纸进行了试验，用这些复印纸夹住金的薄片进行敲打，虽然也能使其变薄，但会出现很多不规则的洞洞，所得到的并不是金箔，所以如果不使用特制的纸张，美丽的金箔是做不出来的。

世界文明古国都有制造金箔的高超技艺。最早发现制作金箔的是古埃及尼罗河流域。古埃及法老陵墓发掘出来的文物证明，埃及很早就掌握了金箔加工技术。在非洲撒哈拉的一座公元前1500 年的墓葬中发现过金箔制品，公元前1450 年的埃及墓葬发掘物上有打金箔的形象。在欧洲，中世纪时汉堡、维也纳等地已有金箔加工业。

在亚洲，日本金箔制造技艺精湛，产品优良，主要产地是石川县的金沢(泽)市。日本京都的金阁寺是全盘用金箔覆盖的(图3)。1950 年，由于寺内的一个和尚放火，把金阁寺给烧掉了。1955 年进行了修复，但是当时使用的金箔的厚度不够充分，其结果是紫外线透过金箔，损伤了内部的油漆。因此，1987 年又用金箔进行了一次覆盖。这次使用金箔的厚度是原来金箔厚度的5 倍，使用边长为4.8 cm的金箔200000 张，共用了大约20 kg 的黄金，总费用达7 亿4 000 万日元(约合4500 万元人民币)。

图3 金箔包覆的金阁寺

在中国，金箔是中华民族传统的工艺品，源于东晋，成熟于南朝，流行于宋、齐、梁、陈，南京是中国金箔的发源地。如今南京是世界最大的金箔生产中心。2006 年5 月，南京金箔锻制技艺被国务院列为第一批国家级非物质文化遗产名录。

金箔的应用

金箔的用途十分广泛，涉及到佛教、古典园林、高级建筑、医药保健以及文化事业等各个领域，其中佛像贴金、雕梁画栋贴金、牌匾楹联、装饰用贴金，是金箔最为广泛的用途。

食用

据研究，在食用酒中加上少量的金箔，具有解毒、养颜等保健功能。近几年，金箔大餐、金箔酒、金箔水、金箔糖果、金箔糕点相继问世。尤其是在日本、东南亚一带很是盛行。1983 年世界卫生组织正式将黄金列入食品添加剂范畴，中国发布的作为食品新资源使用物质的第八类——矿物质与微量元素明确包含“金箔”。目前国内已有多家企业生产“金箔酒“(图4)。

图4 金箔酒

医用

金箔医用价值由来已久。我国著名的中成药，同仁堂的“牛黄安宫丸”、“牛黄清心丸”、“牛黄降压丸”、“乌鸡白凤丸”、“大活络丹”等名贵中成药，均采用金箔入药配方或用金箔包裹。历代医书记载：“食金，镇精神、坚骨髓、通利五脏邪气。” “疗小儿惊伤，五脏惊病失志、镇心安魂魄。” 在近代医学史上，金开始被应用于治疗免疫疾病。科学研究还发现，金具有很强的抗氧化性。因而，在现代医学高度发达的今天，金箔仍是海内外抢手的“金丹神药”。在我国民间，也有用金箔为小儿压惊的偏方。在现代外科手术上，金箔用于烧伤皮肤的治疗及外科缝合手术。

工艺品

工艺礼品用金箔贴面，能够集装饰点缀、艺术欣赏、珍品收藏于一体。这类工艺礼品既能体现黄金的华贵，又具有相对纯金制品低廉的成本。既能像黄金那样辉煌永存，又能够保持艺术的精髓。目前，金箔工艺品领域出现了鲜艳夺目，异彩纷呈的局面。诸如金箔画(图5)、金像卡、金箔名片、金箔照片、水晶金箔摆件、陶釉金箔画等层出不穷。

图5 金箔画

美容

自古就有用金箔美容的记载，《木兰辞》中的“当窗理云鬓，对镜贴花黄”，花黄就是金箔。到了现代社会，用金箔研制开发化妆品，已成为国内外美容界的一种时尚。据说，经过纳米化处理的金箔会带负离子，产生微循环能量，可清理肌肤堆积的污垢，促进肌肤新陈代谢，激活细胞的活力及皮肤弹性，使肌肤健康透亮。

建筑

贴金技术能够使少量的黄金起到用黄金制作本体的效应，因此广泛用于仿古建筑、现代建筑、金字牌匾等等。中国著名的贴金建筑有：北京天安门、人民大会堂、中央电视台、上海东方明珠、西藏布达拉宫(图6)等。

图6 布达拉宫

金丝

金丝的特性

金的优异延展性还可以表现在拔丝方面。1 g 的黄金可拉成66 km 长、直径小于1 μm 的金丝。只要有600 g 金，拉成这样细的金丝就可以绕地球一圈。男性头发丝的粗细一般为0.08～0.4 mm，即80～400 μm 之间。金丝的直径可以达到人的头发丝的百分之一以下。如果仅仅按照截面积来计算，需要大约1 万根细金丝捆在一起，才能相当于1 根头发！

金丝作为一种重要的原材料必须具备有以下重要的特性：良好的力学性能和导电性能；合适的破断力；适宜的尺寸；表面清洁无污染无损伤。而且，作为键合金丝(图7) 时，太软或太硬都不行。太软的金丝会导致以下不良后果：(1) 拱丝下垂；(2)球形不稳定；(3)球颈部容易收缩；(4)金线易断裂。太硬的金丝会导致以下不良后果：(1)将芯片电极或外延打出坑洞；(2)金球颈部断裂；(3)形成合金困难；(4)拱丝弧线控制困难。以键合金丝为例对其制备方法以及应用进行说明。

图7 键合金丝

金丝的制备

金丝的主要用途之一是作为键合金丝。键合金丝的生产方法主要包括熔铸工艺、拉丝工艺、退火工艺、性能检测、绕线等。通过优选工艺、细化工艺、改进装置，可以提高材料的产品质量、提高产品成材率、实现产业化生产，降低生产成本等。

首先，需要取得超高纯度的金原料。过去一般采用99.99%金作为原料生产金材或配制合金，作为键合金丝时，在稳定性、可焊性及半导体特性等方面存在一定的缺陷。使用99.999%金作为原料制备金制品，不仅其电气特性得到加强，而且严格控制杂质元素可减少干扰因素，提高金制品的可靠性。

制备高纯金的方法主要有化学还原分离、溶解萃取以及电解精炼等方法。

化学还原分离法。一般以99.9%以上的金作为原料，通过王水溶解造液，盐酸赶硝，控制溶液中的Au3+浓度、还原剂草酸的用量、还原时间及温度来实现99.999%金的生产。

溶解萃取法。通常将99.99% 金用王水溶液或电解造液的方法制备较纯的氯金酸溶液，再用乙醚萃取，经反萃后以二氧化硫还原，即可得到纯金的品位≥99.999%。

电解精炼法。以金(≥99.9%)作阳极，用不被电解介质腐蚀的惰性材料作阴极，通电时，阳极的金主要发生Au→Au3++ 3e 溶解反应，而阴极则主要发生Au3++ 3e→Au 析出反应。严格控制槽电压及阴极电流密度，使阴极只有金的析出，而其它金属离子不析出，这样在阴极析出的金就得到纯化。

获得均匀的金铸态组织，也是制备高性能金丝的关键。例如可采用漏浇-激冷法制备中间合金，再添加到母体金属液中，使得合金化速度快，分散性好，获得强化元素均匀分布的铸锭组织。

键合金丝合金锭的制备方法有真空熔炼浇铸法和连铸法。现在大都是采用连铸方法制备合金棒材，可提高铸锭的成品率。例如采用立式中频感应真空连铸炉进行连铸，采用间歇式拉铸抑制柱状晶的形成，有利于形成等轴晶，在满足铸锭延伸性的同时可以达到一定的强度，能更好地满足超微细丝的加工，提高金丝的成材率与批料间一致性，可满足批量化、规模化稳定生产。金丝在多次拉拔的过程中逐渐变细，最后达到使用的要求。图8 是金属拔丝的示意图。在金丝的拉丝过程中，一般需将其加热到300～600 ℃进行退火，退火后直接缠绕于收线轴进行分卷，这时键合金丝之间容易产生自扩散的粘结效应，导致下道工序使用放不出线，产生断线，降低产品成材率。为防止键合金丝退火后产生粘连，可在退火炉与收线轴之间设置一种冷却循环装置，能够较好地解决键合金丝经连续在线退火后缠绕在同一收线轴上产生粘连现象，从而提高产品成材率。

图8 金属拔丝示意图

通过微量添加元素的复合作用和最佳的合金化元素设计，达到键合金丝的合金化、加工细线化和低成本化，并提高键合强度和在高温振动环境下的使用性能。通常通过添加微量元素来细化晶粒和强化合金。例如，在含量(质量分数)≥99.996%的金中添 加0.0005%～0.001% 的Be(铋)，0.001%～0.003%的 Ce(铈)，0.0008%～0.002% 的Cu(铜) 或Ge(锗)，可以得到具有高强度、低长弧度、产品成材率高、收线轴的缠绕长度长的键合金丝。添加0.0003%～0.0008%的 Ca( 钙) ， 0.002%～0.004% 的Cu( 铜)，0.0005%～0.0015% 的Ge(锗)，可以得到具有高强度、低长弧度的键合金丝。微量元素Be(铋)、Sm(钐)的添加，可提高键合金丝的抗拉强度和伸长率。此外，在键合金丝中添加微量的W(钨)、Re(铼)、Pt(铂)、Y(钇)、Mg(镁)、Ir(铱)、La(镧)等，可使丝材具有更佳的强度与塑性。

金丝的应用

键合金丝

近年来，随着半导体行业的迅速发展，集成电路的集成化程度越来越高，电路板尺寸越来越小，器件上的电极数越来越多，电极间距越来越窄，封装也相应变得越来越小，客观要求作为引线的键合金丝具有高强度、低长弧度和非常高的弧线稳定性等性能(图9)。

图9 电路板的电极间距越来越窄

键合是集成电路生产中的一步重要工序，是把电路芯片与引线框架连接起来的操作。键合丝是半导体器件和集成电路组装时为使芯片内电路的输入/输出键合点与引线框架的内接触点之间实现电气链接而使用的微细金属丝内引线。键合效果的好坏直接影响集成电路的性能。键合丝是整体IC 封装材料市场五大类基本材料之一，是一种具备优异电气、导热、力学性能并且化学稳定性极好的内引线材料，是制造集成电路及分立器件的重要结构材料。

金具有十分高的电传导性，且抗侵蚀优异。所以可用于高能量电力传导。例如高电流的电线，3C 产品的电路板等。

键合金丝是一种具备优异电气、导热、机械性能以及化学稳定性极好的内引线材料。键合金丝主要用于集成电路(IC)和半导体分立器件——二极管(如LED)、三极管等封装。半导体分立器件具有广泛的应用范围。其中具有大功率、大电流、高反压、高频、高速、高灵敏度、低噪声等特性的分立器件具有广阔的应用空间。该行业键合金丝用量巨大。

键合金丝的另一重要应用领域是IC 封装。IC 用键合金丝是IC 产业的基础，决定着集成电路产业的发展水平。IC 行业的发展水平同时也反映了键合金丝的生产能力和技术水平。

超大规模集成电路引线键合，使用最多的导电丝材料是金丝。而键合金丝是指纯度为99.99 %，线径为18～50 μm 的高纯金合金丝。

键合金丝主要有以下几项特性：(1) 具有能承受封装时应力的拉断力和延伸力。(2) 成球特性好以利于焊接。(3)金丝表面无划疵、脏污、尘埃及其他粘附物，使金丝与半导体芯片之间、金丝与引线框架之间有足够的接合强度。(4)能够防止随着金丝长度加长而产生的卡丝。(5)金丝直径精度要高，表面无卷曲现象。(6) 焊接时焊点没有波纹。

键合金丝的发展方向。目前，键合金丝主要有以下两个发展方向：

(1) 为了达到键合金丝的合金化、加工细线化、低成本化以及提高键合强度和在高温振动环境下的使用性能，通常是向金中添加微量元素。金丝中的添加元素趋向于多元化、微量化发展。微量添加元素对金丝的性能有重大影响，对键合性能和成品率起着决定性的作用，微量元素的添加量必须严格控制，不能偏离容许范围，否则会适得其反。

(2) 针对键合金丝细线化、接合性和降低成本问题，日本田中电子、住友金属矿山和德国的贺利氏等公司相继开发出高性能的新型微细合金丝，例如Au-Ag、Au-Ni、Au-Sn、Au-Cu 等，现在已开始进入推广应用阶段。

目前，国内中小规模IC 和分立器件用键合金丝已基本解决，而大规模、超大规模IC 用键合金丝仍需大量进口。随着我国微电子工业的迅速发展，对金丝的技术要求也很高，例如要求用更细的键合丝进行窄间距、长距离的键合，因此对键合金丝的技术指标提出了越来越高的要求，高纯度、高温、超细超长的金丝需求量迅速增长，其发展潜力巨大，前景广阔。但目前企业对这类金丝的需求绝大部分依靠进口，而国内金丝无论质量或数量都不能满足要求。日本的金丝种类、质量和产量在世界上均居首位。国内键合金丝业与发达国家还有较大的差距。目前国内键合金丝加工急需形成大规模、高效化、高品质的生产局势。

金线刺绣

金可制成刺绣用金线。金线刺绣(goldwork)是利用金属线进行刺绣的一种刺绣技术。所用的线材并不局限于黄金，甚至可以说很少用到纯金，仅仅是名称中有金线二字而已。一般来说，金线刺绣使用金、银、铜或其他金属的合金线进行创作。

金线刺绣的工艺是首先丝绸被绷紧并固定于框架之上，再由工艺大师描出图案线条。随后，刺绣大师采用金线刺绣这一古老技术，以绣针将金线绞成螺旋状的金丝，再极其耐心地将复杂的构图细节逐一绣制于丝绸上，从而创造出精美绝伦的艺术品。图10 是当代金线刺绣作品的一例。

图10 当代金线刺绣作品

金线刺绣已有2000 多年的历史，它最早出现在中国，之后这种技术逐渐传播开来，分别在印度、中东、古巴比伦、埃及、非洲以及欧洲各国等地生根开花。

在欧洲，11 世纪以后金线刺绣技术出现并开始普及，13 世纪中叶技术水平达到了高峰。这段时间，金线刺绣品广泛的使用在教会服装及教堂悬挂装饰上。教皇伊诺森四世因对金线刺绣情有独钟，建议西多会的修士修女购置了金线刺绣的礼服，并自己募集了专做金线刺绣的刺绣者。13 世纪末，金线刺绣作品的交易曾一度超过了其他种类的刺绣作品，是金线刺绣的繁荣时期。这些作品所用金线、银线以及镀金线为主线材，并用珍珠、半宝石等材质辅以装饰，所以一件完整而精致的金线刺绣作品非常有收藏价值且价格不菲。

15 世纪初期，金线刺绣技术迅速发展，很快超过了其他刺绣技术，并得到大量应用。该技术是利用不同颜色的丝线将成对的金线钉线进行创造，现在保存下来的作品通常为人物肖像画或者叙事场景图。

到了19 世纪，金线刺绣在军队以及国家或庆典用礼服中开始扮演重要角色。这些服饰上的金线刺绣图案根据不同场合有着相当严格的设计规范，就如同中国古代的官服一样，不同图案代表不同等级或社会地位。金线刺绣装饰部分通常单独刺绣，然后被小心地裁下，再利用珍珠金银线或者专用金属线贴绣到礼服上。

20—21 世纪，金线刺绣继续运用在军队、庆典和宗教中，如最高质量的教堂用品、特殊场合的特殊服饰等。同时，随着技术的发展，使金线刺绣和其他刺绣技术的融合变得更加容易，这也给金线刺绣带来了更加广阔的创作空间。

由于金线刺绣作品异常华丽，使用时会带来相当出彩的效果，因此未来的金线刺绣将会继续绽放它独特的光彩。

结束语

“金”，不仅因其高贵、保值而稳居金属之王的地位，而且在其加工延展性方面也是冠军。厚度仅有蝉翼千分之一的金箔，直径仅有头发丝百分之一的金丝，都在众多的领域有着广泛的应用。