古陶瓷的科技研究

1. 古陶瓷的科技研究 边疆考古研究中心 蔡大伟

2. 陶瓷 • 陶瓷(Ceramics)，陶器和瓷器的总称。陶瓷是人类首次创造的非自然的人工制品。虽然人类在更早就曾打制石器、制造骨器和竹木器，但是制作过程中仅改变了石块、竹木等材料的形状，并没有改变它们的质地。 • 陶器是用黏土加温烧制而成的，黏土在高温下，其矿物组成、结构和外观等都发生了变化，德国陶瓷学家Hasse（1968年）的定义陶瓷为：“粉状原料加水具有塑性后成型，再在高温作用下硬化而成的制品”。

3. 陶瓷的的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”(Silicate Industry)的范畴。 • 陶器的发明，是人类文明发展的重要标志;瓷器则代表着中国历史文化。

4. 陶器与瓷器的区别 • 1、使用原料不同 陶器使用一般黏土即可制坯烧成，瓷器则需要选择特定的材料，南方以磁石、北方以高岭土、白坩土作坯。 • 2、烧成温度不同 陶器烧成温度一般都低于瓷器，最低甚至达到800℃以下，最高可达1100℃左右。瓷器的烧成温度则比较高，大都在1200℃以上，甚至有的达到1400℃左右。一般制作陶器的黏土制成的坯体，在烧到1200℃时，则不可能成为瓷器，会被烧熔为玻璃质。

5. 3、坚硬程度不同 陶器烧成温度低，坯体并未完全烧结，敲击时声音发问，胎体硬度较差，有的甚至可以用钢刀划出沟痕。瓷器的烧成温度高，胎体基本烧结，敲击时声音清脆，胎体表面用一般钢刀很难划出沟痕。 • 4、透明度不同陶器的坯体即使比较薄也不具备半透明的特点。例如龙山文化的黑陶，薄如蛋壳，却并不透明。瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。

6. 5、釉料不同陶器的表面一般不上釉或者只上低温釉；瓷器的表面一般都上高温琉璃釉。挂釉的陶器釉料在较低的烧成温度时即可熔融。瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎上再挂低温釉，第二次低温烧成。5、釉料不同陶器的表面一般不上釉或者只上低温釉；瓷器的表面一般都上高温琉璃釉。挂釉的陶器釉料在较低的烧成温度时即可熔融。瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎上再挂低温釉，第二次低温烧成。 • 以上几个方面中，最主要的条件是原材料和烧成温度，其他几个条件，都与这两条密切相关。因此，制陶工匠一旦掌握了烧成温度的技术，并认识到高岭土与一般黏土的区别，便具备了发明瓷器的条件。

7. 陶器的历史 • 目前世界上最早的陶制品——捷克Dolni Vestonice和其临近的Pavlov等露天遗址出土的距今2.6万年前——动物陶俑和人俑。现已支离破碎，在一个窑址中碎块超过上千块，估计是因为烧制坯体未经过充分干燥和烧制的火候低所致。推测烧成温度为500~800℃（Vandiver，et al，1989）.

8. 陶器的历史

9. 距今2.3万年前俄罗斯Kostienki遗址发现几百块烧土，大约500~600℃，其中有5块表面有模压迹象，似乎属于陶塑雕件。距今2.3万年前俄罗斯Kostienki遗址发现几百块烧土，大约500~600℃，其中有5块表面有模压迹象，似乎属于陶塑雕件。 • 在西伯利亚的Maina遗址（1.3万年前）出土了几件很小的男性陶雕塑。 • 距今1万年前法国比利牛斯山的Masd’Azil遗址出土了几个陶球。 • 以上这些陶制品都不是实用器，属于艺术品或祭祀用品，与加工石质串珠和使用赭石装饰相仿。可能当时的社会经济和文化发展水平较低，还没有提出生产具有炊煮和储藏功能的实用陶器。

10. 东亚地区早期陶器——旧石器向新石器过渡时期>1.2万年前东亚地区早期陶器——旧石器向新石器过渡时期>1.2万年前 • 东亚地区陶器的起源时间大致可早到1.7万年前后，而且早期陶器起源的地点也不止一处。 • 科学家对日本青森县蟹田町大平山元I遗址出土的早期陶器的14C年龄，通过校正曲线校正后其日历年代可达1.65万年。 • 中国南方——广西桂林庙岩、湖南道县玉蟾岩， 江西万年县仙人洞与吊桶环遗址，年代距今1.7~1.2万年前，出土陶片数量不多，因火候低（600~700℃）而破碎严重，大多为粗砂陶，器壁厚重（>1cm)。

11. 广西桂林庙岩遗址14C年代一览表

12. 湖南道县玉蟾岩遗址14C年代一览表

13. 新石器时代早期（ 12000~9000 BP） • 稍晚的12000~9000年前，除了南方的浙江上山、广西甑皮岩、大岩遗址外，还有北方的河北徐水县境内南头庄和阳原县境内桑干河北岸的虎头梁村于家沟、北京的转年和东胡林等遗址都出土了陶器。 • 陶器数量和器型种类增多，火候提高~800℃。最常见的是罐和釜，附有烟炱和食物残渣的陶片占相当大的比例，由此推测其功能主要是炊煮和储藏食物。

15. 新石器时代中期（9000~5000BP） • 大约在9000年前，我国进入新石器中期，与作物栽培和定居生活大致一致，制陶业逐步发展。在广西甑皮岩和浙江上山遗址的晚期、湖南彭头山和北方的河南新郑裴李岗、河北省武安磁山等原始农业遗址中出土陶器明显增多，器物类型复杂化，窑温高（800~900℃）。质地上除了粗砂陶，还有细砂陶、泥质陶和夹碳陶等，陶器表面添加有各种纹饰。——可能出现了专业化或半专业化的陶工。

16. 仰韶小口鼓腹尖底瓶 • 小口是为了水不易溢出来，尖底大腹造成重心偏移，当放入水中后会立刻倾倒，使水经由小瓶口流入，当水流入瓶内时，瓶子的重心便会逐渐降低，于是瓶子又会慢慢直立起来。当瓶内流入三分之二满的水以后，瓶口便会露出水面，水便不再进入瓶内。而双耳除系绳子之外，还有平衡重心的作用，使用起来非常方便，包含了非常科学的力学原理即重心和定倾中心的相对位置与浮体稳定性的关系 告诫人们中庸的欹器（倾斜的器皿） “虚则欹，中则正，满则覆”

17. 新石器时代晚期（5000-4000 BP） • 陶制品不局限于炊具和盛器，出现了陶制的纺垂、网垂和陶质弹丸等工具和武器。烧陶窑炉的高温技术、陶制坩埚和铸模促进了后来的青铜文明和钢铁文明的诞生。 • 在二里头遗址出土了陶制排水管，在商周都邑遗址也出土了陶制排水管和瓦——人工陶制建筑材料。二里头先民还开始烧制了原始瓷，迄今所知北方地区时代最早的原始瓷和印纹硬陶（考古2012.10）。

18. 长江流域第一古城商代盘龙城遗址

19. 东汉瓷器的诞生 • 经过长期实践，我国古代劳动人民在制陶工艺上取得辉煌成就的基础上，他们又逐步提高认识，积累经验。在原料的选择和精制、炉窑的改进和烧成温度的提高、釉的发现和使用 等方面又有了新的突破。经过一个过渡时期,使原始瓷器的工艺更为成熟，遂在三国魏、晋时期或更早一些的汉代完成由陶向瓷的过渡，使我国成为世界上最早发明瓷器的国家。

20. 隋唐瓷器 • 中国最早的瓷器都是青瓷 ，是最主要的瓷器品种之一由于釉中铁等着色元素的作用，在还原气氛烧成后的瓷器呈现青色,如气氛不同,色调上还可偏黄褐等色泽 。 • 隋代出现了白瓷，唐代时，北方的邢窑和南方的越窑成为白瓷与青瓷的具有代表性的窑口，一白一青、遥相呼应，出现了陶瓷史上所称“南青北白”的局面。

21. 唐三彩 • 唐三彩是一种盛行于唐代的陶器，以黄、白、绿为基本釉色，后来人们习惯地把这类陶器称为“唐三彩”。唐三彩是一种低温铅釉陶器，在色釉中加入不同的金属氧化物，经过焙烧，便形成浅黄、赭黄、浅绿、深绿、天蓝、褐红、茄紫等多种色彩，但多以黄、赭、绿三色为主。

22. 宋代高峰 • 中国古代瓷器的繁荣在宋代，是我国瓷器工艺的高峰时期。它的主要标志是全国已形成了有代表性的瓷窑体系。影响最大的是被后世称为五大名窑的"汝窑"、"官窑"、"哥窑"、"钧窑"和"定窑"。这些名窑对中国制瓷工艺的最大贡献是为陶瓷美学开辟了一个新的境界。 1.4亿 8cm

23. 元明瓷器 • 元、明两代，中国瓷器工艺又有重大突破。一、是始于元代的青花瓷器，就是在瓷器毛坯上先用钴蓝描绘图纹装饰，再涂覆上一层无色透明釉(釉下彩），然后在高温1300℃上下一次烧成，使色料充分渗透于坯釉之中，呈现青翠欲滴的蓝色花纹，显得明净素雅是我国古代流行时间最长、产量最大的一种瓷器，是我国著名瓷都景德镇制瓷工艺的重要成就。二、明代烧成了五彩瓷器。

24. 五彩瓷可分为釉上五彩和青花五彩,前者亦称之为斗彩,是经两次烧制而成，釉下青花与釉上彩釉争奇斗明,故后人称为"斗彩";后一种则是青花和五彩同时上釉, 一次成器。 成化斗彩花蝶纹罐 嘉靖五彩鱼藻纹盖罐

25. 明成化斗彩鸡缸杯以2.8亿港元成交

26. 清代瓷器 • 清代，特别是康熙、雍正、乾隆三代瓷器工艺达到厂顶峰。这时期除了青花瓷的烧造工艺有了进一步提高，使青花瓷的色泽更加鲜艳，层次更加分明，五彩瓷的色彩更加丰富外，还创造了极其名贵的珐琅彩瓷器，在这基础上又创造了比五彩瓷更娇艳、层次更丰富、以淡雅柔丽名重一时的粉彩瓷器。

27. 珐琅彩瓷 • 珐琅彩瓷器的出现是瓷器发展史上的一个必然产物珐琅彩瓷器的前就身是景泰蓝，也就是所谓的“画珐琅”。它兴起于明代，是在铜胎上以蓝为背景色，掐以铜丝，再填上红、黄、蓝、绿、白等色釉烧制而成的工艺晶。清代康熙年间这种“画珐琅”的方法被用在瓷胎上，其吸取了铜胎画珐琅的技法，在瓷质的胎上，用各种珐琅彩料描绘而成的一种新的釉上彩瓷。

28. 粉彩 • 粉彩是一种釉上（在瓷胎上）彩绘经低温烧成的彩绘方法。粉彩也叫“软彩”，是釉上彩的一个品种。 • 所谓釉上彩，就是在烧好的素器釉面上进行彩绘，再入窑经摄氏600度至900度温度烘烤而成。粉彩瓷器是清康熙晚期在五彩瓷基础上，受珐琅彩瓷制作工艺的影响而创造的一种釉上彩新品种，从康熙晚期创烧，后历朝流行不衰。

29. 陶瓷科技研究历史 • 1928年，故宫博物院成立刚刚3年，陈万里——龙泉古窑，以后又先后7次赴浙江龙泉窑和其他越窑青瓷窑址考察，收集大量瓷片，启动了陶瓷考古第一步。 • 1931年，周仁分析了杭州官窑瓷片的理化性质，开启了陶瓷科技考古研究的先河。 • 1949年后，中央和一些省份的考古机构多次组织了古窑址的科学发掘，我国陶瓷考古进入蓬勃发展期。1949年，周仁担任现在的中科院上海硅酸盐研究所所长期间，建立了古陶瓷研究组。上海硅酸盐研究所一直是我国古陶瓷科技研究的中心。

30. 中国科学院上海硅酸盐研究所 • 中国科学院上海硅酸盐研究所渊源于1928年成立的国立中央研究院工程研究所， 1954年更名为中国科学院冶金陶瓷研究所。1959年独立建所，定名为中国科学院硅酸盐化学与工学研究所，1984年改名为中国科学院上海硅酸盐研究所。 • 学科方向是先进无机材料科学与工程，主要研究领域涵盖了人工晶体、高性能结构与功能陶瓷、特种玻璃、无机涂层、生物环境材料、能源材料、复合材料及先进无机材料性能检测与表征等，是该领域科学研究单位中门类最为齐全的研究所。

31. 70 年代以后愈来愈多的单位 包括国外的研究单位参与了我 国古陶瓷化学组成的测量和研究。上海硅酸盐研究所主持的“古陶瓷科学技术国际讨论会 ” 自1982年以来已召开了9次 ,会上半数以上的论文涉及陶瓷的化学组成。 • 至八、九十年代，多学科的相互交流及渗透的结果，使得许多自然科学，诸如化学、物理、地质、统计等的理论和方法与古代白瓷的研究有机地结合起来，古代陶瓷研究发生了由宏观到微观、由定性到定量的变化。有关研究主要涉及陶瓷的胎釉成分、物相结构、显微结构、烧成温度等内容，以及在此基础上关于陶瓷烧制工艺和产地特征的探讨。 • 近几年来，随着分析测试方法的多样化(例如:X一射线荧光光谱法(XRF)，中子活化法NAA)，电感藕合等离子体原子发射光谱法ICP一AES等)、仪器精确度和灵敏度的提高、无损测试方法的发展，古代陶瓷的研究不断得以深化和拓宽。

32. 陶瓷科技研究的内容 • 陶瓷原料和化学组成 • 烧制过程中陶瓷的物理变化 • 作用：研究陶瓷的胎釉原料产地和配方、产品流通环节、烧制工艺，从而为不同时期古陶瓷工艺的发展与演变、不同地域考古学文化的交流与影响、恢复古代瓷器的烧制、古今瓷器辨别真伪等方面的研究，提供可靠的依据。

33. 陶瓷的基本化学组成 • 所有陶瓷制品，无论是陶或瓷，无论是瓷胎或瓷釉，无论青瓷或白瓷，无论民用陶瓷或高科技的各类特种陶瓷制品，它们的化学组成主要包括3个部分： • SiO2 • Al2O3 • 其他金属：Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TiO2和MnO2等。 • K2O、Na2O助溶剂，降低胎和釉烧结和熔融的温度。铁是着色剂。 瓷胎90% ，陶胎80~90%

34. 与陶瓷有关的矿物 • 高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O 是一种含铝的硅酸盐矿物，高岭石经风化或沉积等作用变成高岭土，而高岭土则是制作陶瓷的原料 。中国江西的景德镇有一个高岭村，这里盛产高岭土，故名。明末，在景德镇高岭村开采此矿，后经德国地质学家李希霍芬按高岭土之音译成“Kaolin”介绍到世界矿物学界。

35. 长石 • 长石是钾、钠、钙、钡等碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物，晶体结构属架状结构。 • 其主要成分为SiO2、Al2O3、K2O、 Na2O、CaO等。 (1)钾长石（正长石），K2O·Al2O3·6SiO2 (2)钠长石（曹长石），Na2O·Al2O3·6SiO2 (3)钙长石（灰长石），CaO·Al2O3·2SiO2 (4)钡长石（重土长石），BaO·Al2O3·2SiO2

36. 绢云母 • 绢云母粉KAl2·(AlSi)4O10·2SiO2·2H2O是云母的一种，它属于具有层状结构的硅酸盐矿物。绢云母的晶体为鳞片状、晶体集合体呈块状，显灰色、紫紫玫瑰色、白色等，具丝绢光泽。 • 绢云母的化学组成、结构、构造与高岭土相近，又具有粘土矿物的某些特性，即在水介质及有机溶剂中分散悬浮性好，色白粒细，有粘性等。因此，绢云母兼具有云母类矿物和粘土类矿物的多种特点。

37. 石英 • 石英化学式为SiO2。在自然界中的石英石的主要成份为石英，常含有少量杂质成分，如Al2O3，CaO，MgO等，它有多种类型。日用陶瓷原料所用的有脉石英、石英砂、石英岩、砂岩、硅石、蛋白石、硅藻土等。 • 当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。 • 石英是非可塑性原料，其与粘土在高温中生成的莫来石晶体赋予瓷器较高的机械强度和化学稳定性，并能增加坯体的半透明性，是配制白釉的良好原料。

38. 石灰石 • 石灰石主要成分是碳酸钙（CaCO3）。石灰和石灰石大量用做建筑材料，也是许多工业的重要原料。石灰石可直接加工成石料和烧制成生石灰。 • 石灰有生石灰和熟石灰。生石灰的主要成分是CaO，一般呈块状，纯的为白色，含有杂质时为淡灰色或淡黄色。生石灰吸潮或加水就成为消石灰，消石灰也叫熟石灰，它的主要成分是Ca(OH)2。熟石灰经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等，用作涂装材料和砖瓦粘合剂。

39. 上述矿物主要是作为造岩矿物存在于岩石中，或者以分散状混杂于粘土中。因此，古人烧制陶瓷时是不可能单独去选单矿物，而是选用合适的岩石或者粘土作为原料。上述矿物主要是作为造岩矿物存在于岩石中，或者以分散状混杂于粘土中。因此，古人烧制陶瓷时是不可能单独去选单矿物，而是选用合适的岩石或者粘土作为原料。 • 陶器的生产对原料要求不高，多种沉积土都可以用作制陶原料，应该是就地取材；而陶瓷对原料有严格要求。南方—瓷石；北方——高岭土（含60%高岭石）和白坩土（一种高铝粘土），民间陶工统称为瓷土，以区别只能制陶的一般粘土，后者称为陶土。

40. 陶瓷原料—南方—瓷石 • 瓷石制作瓷器的最主要的原料，是一种由石英、绢云母，并有包含长石，Al2O3等的硅酸盐岩石矿物，呈致密块状，外观为白色、纯净瓷石为淡绿色，无光泽，也无明显纹理。瓷石本身含有构成瓷的全部成分，特点是SiO2含量高（70%），Al2O3含量低（15%）——高硅低铝。 • 烧制青瓷

41. 陶瓷原料—北方 • 北方古代产瓷区附近分布着大量高铝质粘土，当地称为“白坩土”、“坩子土”、“瓷土”或“砂石”，也有人称之为“高岭土”或“高铝白土”。这类粘土的特点是Al2O3含量很高（35%） SiO2含量低（45%）——高铝低硅，烧成后呈白色，适于作白瓷原料。

42. 南北原料烧制温度的区别 • 瓷石在1200~1250℃可以烧制成瓷，而高岭土即使在1500℃的高温下，也难烧制成瓷。南方在商代就烧成了原始瓷，东汉时开始烧制青瓷，而北方的邢窑于隋朝才开始烧制我国最早的白瓷，属二元配方，将高岭土和长石按一定比例掺合后烧成，增加钾、钙和硅的相对含量，从而降低烧结温度。 • 一般的黏土，SiO2和Al2O3的总含量低，起助熔作用的氧化物多，当超过1000℃时，由于黏土坯体因含熔剂过多而熔融、变形和垮塌，所以一般的黏土只能充当烧制陶器的原料，无法烧制瓷器。

43. 烧制过程中陶瓷物理性质的变化 • 1、黏土原料掺水后塑型成器 • 2、加温烧结 • 3、瓷器表面上釉。 • 具体步骤如下： 选土→淘泥→制坯→干燥→修坯→上色→焙烧 。

44. 淘泥：将土倒入水中，和均匀，从中淘出精细的泥土。淘泥：将土倒入水中，和均匀，从中淘出精细的泥土。 • 制坯：将选出来的泥土成型，作成陶瓷胎型。 • 干燥：将陶瓷胎放在架子上干燥，是阴干。 • 修坯：干燥后，再用工具修理平滑。 • 上色：在表面用画笔画上图案，瓷器和有的陶器会在画好图案之后施若干层釉。也有印花纸. • 焙烧/也叫烤花：将画上图案并施完釉的陶瓷器放入炉中焙烧。在瓷器上进行装饰以后，还必须入炉烤烧，使花面纹样牢固地附着于瓷器的釉面上，这种烤烧，称“烤花”。

45. 陶器的成型方法 • 捏塑法 • 泥片贴塑法 • 泥条盘筑法 • 轮制法

46. 捏塑法 • 捏塑法就是用手直接对泥进行创作的最原始、最简单的方法 。古代一般小型陶器多用手捏的方法。湿泥通过手捏制，在陶坯上留有清楚的指纹。

47. 泥片贴塑法 泥片贴筑法是到现在为止被知道在中国新石器时代最早期已经出现的成形技法之一。现在为止用泥片贴筑法被制作的绝对多数陶器都在长江中游(彭头山文化等)、长江下游(河姆渡文化早期等)、华南(珠江下游)地区出土。由此可推测，泥片贴筑法本来是在南方诸地区显著发展的陶器制作技术。

48. 泥条筑成法 • 在陶器制作的初级阶段，人们通常用粘土搓成泥条，然后把泥条一圈一圈地盘筑成器皿，这种陶器，被称为手制陶器。分为泥条圈筑法“和“泥条盘筑法”两种技法。 • 在许多出土的早期陶器上可见到凹凸不平的泥条的痕迹。现今发现最早的有河南新郑裴李岗、河北武安磁山等新石器时代早期文化遗存中的手制陶器。

50. 绳纹 绳纹原体本身滚压