为什么苹果不会掉漆还很难刮花?你想不到它家的外壳是这样造出来的
苹果
作者: 把科学带回家
2018-11-24 15:22:56
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[ 闻蜂导读 ] 我们对苹果产品的一体成型设计(unibody design)已经很熟悉了。这种设计不管是摸起来还是看起来都很顺滑。

我们对苹果产品的一体成型设计(unibody design)已经很熟悉了。这种设计不管是摸起来还是看起来都很顺滑。

苹果笔记本电脑的这种一体成型的外壳是由铝或钛这两种金属制造的制造的。苹果的 iPod 也是采用相同的一体成型设计,外壳的原材料也差不多。

五彩斑斓的 iPod,以及苹果手机的外壳,让你以为它们是被上了一层油漆。你要是这样想的话就大错特错了。

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其实,iPod 的外壳,以及苹果手机的外壳没有上漆,它们的主要成分是氧化铝,鲜艳的色彩来自于氧化铝包裹着的染料。更关键的是,外壳上色的过程,是一个精心控制的腐蚀的过程。iPod 的外壳,实际上是铝氧化后生的锈。

很吃惊么?一起来看看为什么。

有些无机化学知识的人会知道,铝接触空气后,表面就会立刻形成一种气密的(不透气)的氧化薄膜,叫做阻障层(Barrier Layer)。

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人们通常以为,腐蚀是一种会破坏金属的化学反应,但是对于铝来说,腐蚀作用反而是一种保护,铝和空气接触后形成的氧化膜阻障层具有极好的密封作用,防止内部的铝被进一步氧化。

聪明的工程师和科学家利用这种有益的腐蚀作用,就可以发明制造出超乎想象的产品。

为了制造苹果产品的氧化薄膜,工程师们采用的是电化学的方法。

我们用钛来演示一下这个过程到底是怎么回事。

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我在溶液里放了一根钛条,然后连上高压电源。对了,不要在家里进行这个实验,因为高压电源有危险性。

现在我给钛条通电,看看会发生什么事情。

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我们可以看到,电极上面冒出了气泡。

当我增加电压的时候,钛就开始变色了。这个过程就叫做阳极氧化(anodizing)。

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实际上,我制造了一层二氧化钛。其实不加电压的情况下,它的表面也有一层天然的氧化物。但是增加电压的情况下,这层氧化物就会变厚。随着氧化膜的增厚,它的颜色也会发生变化。

如果我们把刚才得到的氧化膜放大,然后从横截面上看,你会发现,不同颜色对应着不同厚度的二氧化钛。

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二氧化钛的颜色是一种结构色(由光的散射、干涉或衍射作用而产生的颜色),是光在这层氧化膜底部反射出来以后,和氧化物表面的光的干涉形成的。氧化膜的厚度决定了这两束光线如何干涉。

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再深入地讲的话,对于某个厚度的氧化膜来说,2束特定颜色的光会发生相消干涉,也就是说它们相互抵消。因此我们就看不到这种颜色的光线了,看到的是这种光的互补色。这就是不同厚度的氧化膜有不同的颜色的原因。

对于铝来说,也可以实现阳极氧化,而且这种腐蚀过程对铝更重要,因为腐蚀后铝会变得更加坚固。

不过呢,iPod 和手机外壳的颜色来自染料,也就是化学色(色素形成的颜色)。上色后,表面还要进行密封,锁住颜色。

阳极氧化铝的过程和钛类似。用铝做阳极,就可以让铝的表面长出一层薄薄的氧化层。

刚才说过,铝的表面有一层天然的氧化层。随着阳极氧化过程的深入,铝的表面的氧化层就会变厚,还会形成许多孔洞。

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这种多孔的结构正好适合添加染料。氧化铝的多孔表面就像蜂巢,在这些孔里,工程师可以注入染料,然后把染料封住。

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怎么封住呢?

放到热水里。

是的,放到热水里以后,氧化铝的孔洞表面就会形成一层水合氧化铝“封印”。除非你把氧化铝刮破,否则染料永远也出不来了。

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水合氧化铝(右)将氧化铝孔洞封住。

不过,要想把氧化铝刮破,哼哼,难度极高,而这就是铝质的苹果产品很难被刮花的原因。

氧化铝的结构类似于宝石,实际上,许多宝石的主要成分就是氧化铝。比如,蓝宝石就是一种含有少量铁和钛的氧化铝。

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蓝宝石的结构

红宝石的主要成分也是氧化铝,只不过里面还含有能够吸收黄绿光的铬,所以它才是红色的。

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红宝石的结构

上面这两种氧化铝宝石都非常坚硬,它们的莫氏硬度(Mohs scale,一种利用矿物的相对刻划硬度划分矿物硬度的标准)是9,相当于刚玉,仅次于钻石。所以你看到氧化铝有多硬了吧。

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在莫氏硬度表上,主要成分为氧化铝的蓝宝石和红宝石的硬度为9,仅次于钻石。

一般来说,iPod 只使用软质阳极氧化处理法(soft anodizing),经过这种处理的 iPod 的外壳并不像宝石那么硬,但是还是比油漆更加耐用。

所以能把苹果产品刮掉漆的同学,你怕是买到假的苹果了吧。

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