電解拋光技術

　　當我們走進商店時，會看到許多表面平滑且光亮的商品，如鋁盆、不鏽鋼鍋等。這些商品之所以平滑光亮，往往是因為經過「拋光」（polish）處理。拋光技術運用範圍非常廣泛，從日常生活中的各式用品到太空科技中的各種零件，都會用到。一般來說，物品之所以要拋光是為了三個理由：安全、潔淨或美觀。一個物品表面平整可避免接觸時割傷皮膚，因此使用起來比較安全。再者，這樣的表面可減少藏汙納垢因此較為乾淨，也比較容易清潔。而一個平整的表面會閃閃發亮，所以較為美觀。而發亮的原理可用圖一之示意圖來理解。當光照射到一個物體表面時，其路徑滿足反射原理，也就是入射光與法線（想像一條垂直物體表面的線）的夾角（入射角）等於反射光與法線的夾角（反射角），參閱圖一a。當表面平整時，局部區域的反射光都會集中到接近的地方，因此眼睛看到的是這些光加總的效果，所以會比較亮（參閱圖一b）；當表面粗糙時，即使很靠近的兩點其法線都可能不平行，因此局部區域的光會發散到不同的位置，所以物品看起來會比暗（參閱圖一c）。目前已經開發出了許多的拋光技術如機械拋光（例如用砂紙研磨）、化學拋光（利用化學物質腐蝕樣品，使之平整）……等。本文介紹其中一種常用的拋光技術──電解拋光（electropolishing）。

　 電解拋光是一種電化學技術，顧名思義需要通電，所以只適用於導電樣品，因此一般都是用於金屬製品。這種技術需要在一個電解系統（參閱圖二）中進行。通常會用直流電源供應器做為電力來源，其正極接到樣品作為電解反應中的陽極；陰極（連接到電源供應器的負極）一般會利用不易在電化學反應中變質的導電材料（如白金、石墨等）來製作。這兩個電極會被置入電解槽（例如燒杯）並放入適當的「電解液」（含有大量離子的溶液，例如過氯酸水溶液），之後開啟電源供應器的電源，進行「電解」反應。當提供的電壓及選定的電解液滿足某些特定的條件時，這個電解反應會讓樣品變的平滑，達成拋光的效果。

　　電解拋光的概念可用圖三的示意圖來理解。由於樣品位於拋光系統的陽極，所以當電解反應進行時，樣品表面原子的電子會沿著連接導線流入電源供應器的正極，而失去電子的原子則會變成帶正電的「離子」，並溶入電解液中（這種行為稱為電解）。電解反應的強度會隨著樣品表面電場的增強而增加。而樣品表面比較「尖」的地方，由於曲率較大，所以電場也比較大，因此電解反應較為劇烈，而電解反應較劇烈的地方會溶出較多的離子，並因此改變其形貌。換言之，樣品表面較尖的地方會比較平的地方容易改變形貌，因此樣品會越來越平而達到拋光的效果。

　　上段所述是一種理想的狀況，真實的情形會複雜得多。例如，樣品表面若有氧化物（絕緣體)，則電解液的電阻可能比樣品小。此時，樣品表面的小凹洞對電解液而言，反而曲率較大，電解也會比較劇烈，使得凹洞越來越深。這時，尖端與底部因電解產生的形貌改變會互相競爭，若前者得勝會導致拋光；反之則會產生大量凹洞使得表面變得更加粗糙。因此要達成好的拋光效果，需要選擇恰當的電解參數，如電解液、電壓、溫度等。

　　對許多材料而言，電解拋光的過程主要包含四種反應：腐蝕（etching）、鈍化（passivating）、拋光及氣體釋放（gas evolution）。四種反應可以同時發生，而整體電化學反應由何者主導，則是由電壓決定，如圖四之示意圖所示。當電壓較低時（電流也因此會較低）由腐蝕反應主導，這時樣品表面的原子會直接被電解，前文所述的拋光及腐蝕凹洞的現象會同時存在，因此整體表面不一定會變得平整。隨著電壓變大，電解液中的氧或氫氧根離子會讓樣品氧化，而形成氧化層。由於氧化層是絕緣體，所以會降低電化學反應的效率，因此讓反應鈍化。又因為氧化層的厚度回隨著電壓增加而增加，所以在此階段，增加電壓反而會減少電流。不過，氧化層的厚度並不會無限制的增長，這是由於在氧化層/電解液的界面會有電解反應讓氧化物溶解。最終，氧化層的增長與溶解達到平衡，因此固定電壓下的氧化層厚度會在反應過程中保持定值。若再增加電壓，由於氧化層的厚度大致上會隨著電壓的增加而增加，因此抑制了電壓上升引起的電流增加效應，所以電流不太會隨著電壓增加而變動。此時，樣品會進行電解拋光。換言之，本文探討的技術大都是在這個電壓區間中進行的。當電壓很大時，氧化層/電解液界面的電解反應會變得十分劇烈而讓氧化物破掉，因此產生許多孔洞。此外，這時電解液也會產生劇烈的電解反應而產生大量的氣體（最常見的是電解水產生氧氣與氫氣）。在陽極產生的氣體（如氧氣）很容易累積在樣品表面，形成氣泡。這些氣泡會改變其所在區域的電化學反應，讓樣品表面產生孔洞，因此整體樣品表面會變得坑坑窪窪。由於大量孔洞的產生，所以氣體釋放區也被稱為孔蝕區（pitting region）。

　　圖五為電解拋光前（左圖）及後（右圖）的鋁片的典型光學顯微鏡照片。比較兩張照片可發現，拋光後表面比較平整，比較均勻，也比較亮。經由「原子力顯微鏡」（一種量測物品表面形貌的儀器）量測，可知拋光後的樣品在100微米見方的區域內，其「均方根粗糙度」可達1奈米（約四顆原子的大小）。這個例子說明了電解拋光是一種效能極佳的拋光技術。

　　相較於其他的拋光技術，電解拋光有許多的優點。首先是表面有鈍化（氧化）層，它可以增加樣品的抗腐蝕能力，藉此保護樣品。再者，由於這項技術不需要對樣品施加應力，所以不會有加工硬化及殘餘應力的問題。此外，這項技術的設備簡單，操作容易。像圖二這樣簡單的設備就可以製造出像圖五右圖這樣品質極佳的拋光樣品。很多人在讀國小時都做過將一元硬幣電鍍成銀幣的實驗，電鍍與電解的實驗操作方式接近，難度相當。換言之，小學生就能做出品質極佳的電解拋光樣品。另外，這項技術可應用的材料多，大體而言只要是金屬都可以進行電解拋光。最後，由於這項技術的拋光效果極佳因此很適合用於精密加工。這項技術也有缺點。首先是電解液大都是強酸或強鹼，因此具危險性，而且用完的廢液也比較不好處理。再者，適當的電解參數不易找到，這是由於除了拋光外，同時還有許多不同的電化學反應產生（參考圖四），所以要找到適當的參數，如電解液、電壓、溫度等，需要花費相當的精力。但是瑕不掩瑜，這項技術帶來的好處還是遠大於它的缺點。因此，日常生活中許多亮晶晶的金屬製品都是利用電解拋光來達成的。未來，這項技術將會不斷的改進，讓人們製造出更多精美好用的產品。

1. W. Hana and F. Fanga, Int. J. Mach. Tools Manuf. 139, 1 (2019).
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Electropolishing.
3. https://reurl.cc/20nGWn.

註：本文獲得〝財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台〞審稿通過。