第一章 中国古代烧陶制瓷中的化学成就
中国是世界闻名的陶器古国，瓷器则更是我们祖先的一项伟大发明，被视为中华民族古代文明的象征。其精湛的制作技艺、悠久的发展历史和独有的民族特色以及清幽淡雅、姹紫嫣红的彩釉和彩绘，在世界上都是罕见的。它们既是我国古代灿烂文化的重要组成部分，也是人类文明史上的一个重要研究对象。在陶瓷工艺中，陶土、瓷土的选取与精制、陶瓷的焙烧技艺、各种釉料的选配、釉质烧制的火候与气氛的掌握以及瑰丽色彩的成色机理等一系列问题都与化学有密切的关系。所以，古代陶瓷工艺是早期化学工艺的重要组成部分，其中蕴藏了丰富的原始化学知识，可以说是古代人类探讨化学的先声。
第一节 中国制陶工艺的演进和化学成就
大约在距今一万年前，中华民族的各个文化发源地先后过渡到新石器时代。这时的经济生活已不仅是采集和渔猎，而且出现了原始的农业和畜牧业，人们开始过起较安稳的定居生活。生产的发展与生活的提高都需要更多更好的工具和器皿，如烹饪器、提水器、粮食贮存器以及像纺锤、纺轮之类用石料不便磨制的工具。陶器的发明正适应了社会生活发展的需求，它的出现也正是新石器时代开始的重要标志之一。陶器是怎样发明的？有各种各样的推测，有人设想：可能是人类先发现了粘土的可塑性，把它捏制成型，做成可爱的动物或崇拜的神灵偶像，一经晒干或偶尔落入篝火中，发现它变硬，不再怕水，于是进一步联想到捏制适用的器皿。又有人认为：最古的生活器皿有用枝条编制的，古代的人为了使其耐火和致密无缝，往往在器内外抹上一层粘土，在使用中，这些器皿一旦被火烧着，木质部分被炭化了，但却发现粘土部分不仅保存了下来，而且变硬，仍可使用，从而得到了制陶的启示。当然，各地区的陶器，其产生的过程也不会完全遵从相同的模式。但无论如何，取得完整的制陶经验，在古代需要经过漫长的岁月。
制陶的原料是粘土矿物，它的主要成分是长石和石英，还有少量的云母和赭土。当人们把粘土坯放入烈火中焙烧，达到一定温度时，泥坯中的这些成分就会起化学反应，生成少量的玻璃相，这些玻璃再把其他组分粘结起来，于是形成一个烧结的整体，一种新的物质。烧结所需的温度与粘土的成分有关，对同一类粘土，焙烧温度越高，当然烧结程度也越大，也更加坚硬。所以原始陶器是人类利用火，通过化学过程改造自然，制造出的第一种自然界不存在的新物质，堪称人类史上的一项伟大创举(图1-1及图1-2)。
在我国陶器的演进过程中，陆续出现了如下各类型的陶器。
(1)红陶与彩陶
我国最原始的陶器大约出现于新石器时代的初期。在江西万年县大源仙人洞发现过一个新石器时代早期的洞穴，从中掘出了数十块陶片，质地粗糙，厚薄不均，凹凸不平，混杂着石英砂粒，松脆易碎，胎色以红褐为主，也有局部呈红、灰、黑三色相间杂的，这是火候不匀的体现。这些都说明它们是简单地用手工捏成、以篝火烧制的。河南新郑裴李岗和河北武安磁山也出土过类似的原始陶器。
在大约距今6000多年前，原始陶器进步成为红陶，因为这种陶器的基色是灰红色或红褐色的。它是仰韶文化的代表作(彩图1)。如果把它们与原始陶器对比，可以看出有以下一些进步与特点。其一，质地较细，说明选料时对粘土经过了淘洗和澄滤；其二，厚薄均匀，器皿造型端正，对称性好，说明在制坯时大概已琢磨出泥条盘塑法和泥条圈塑法；其三，这种陶器上常常有彩绘装饰，那些图案是当时人们生活中某些方面的写照，是研究原始社会生活状况的重要依据，因此也很有历史价值。这种有彩绘的红陶又称为“彩陶”(图1-3)。其涂料经过科学检测，红褐色条纹是用赭石粉，即天然赤铁矿粉着色的；黑褐色是用铁锰矿石粉着色的；白色条纹是用白土(主要成分是硅酸铝)着色的，这是我国先民使用矿物颜料的开端；其四，器物质地均匀，硬度较大，表明焙烧火力均匀，温度达到了900℃以上，所以我国大约在新石器时代的中期已经有了烧制陶器的窑了。
在西安半坡遗址已发现了属于仰韶文化的窑场。当时的陶窑大体可分为横穴窑和竖穴窑两种(图1-4)，而以横穴窑较为普遍。横穴窑的火腔位于窑室的前方，是一个略呈穹形的筒状通道，后部有三条大火道倾斜而上，火焰由此通过火眼达到窑室。窑室平面呈圆形，直径约一米。火眼均匀分布于窑室的四周。竖窑的窑室则位于火膛之上，火膛为口小底大的袋状坑，亦以数股火道通于窑室。当时烧窑的燃料是木柴。这两种窑相比，竖窑较为进步，因窑室内火力均匀。陶窑当然也是经过长时间的改进才逐步完善的。
(2)灰陶与黑陶
这种陶器的原料仍是细粘土，但色泽黑灰或乌黑。有的坯体中含有细石英砂，则称为“夹砂灰陶”。那些石英砂很可能是人们有意掺加进去的，因为这样做可以使陶坯在晒干和焙烧过程中不易开裂。
灰陶内外通体呈黑灰色，这是由于陶坯中的铁质在还原气氛中生成了黑色FeO所造成的。所以陶瓷史家们估计，在灰陶的加工过程中，大概在窑内焙烧完成时为了加快冷却，便封闭窑顶和窑门，并从窑顶徐徐喷水，水与红炭作用可生成水煤气，于是使窑内成为强还原性气氛，而导致了FeO的生成。于此同时，在灰陶表面往往还被蒙上一层因烟薰而成的炭层，以至乌黑放亮，这种陶则叫“黑陶”。
个别黑陶出现于距今6000年前，但大量出现于4000到5000年前，即新石器时代的后期。有的黑陶制作工艺相当精巧，端正秀雅，体型对称性极好，质地非常均匀，壁极薄而坚硬，所以又被誉为“蛋壳陶”、“薄壳黑陶”。1930年在山东章丘县龙山镇城子崖就发掘出了这种黑陶，内壁有明显的圈纹，表明当时已采用了旋转盘式的陶车(图1-2)。所以黑陶被视为龙山文化的代表作，于是龙山文化又被称作“黑陶文化”。
(3)白陶
这种陶器呈白色，原料是白色粘土，主要成分是硅酸铝，含AlO量格外高，可达30%，所以在900℃烧成时，烧结程度较红陶、黑陶要低，所以出土的白陶完整的极少。这种粘土中FeO的含量明显地低于其他粘土，因此在焙烧过程中既不会使陶体变红，也不会使陶体变黑，而总是保持洁白。
白陶的出现较黑陶稍晚，最早的距今4000多年，即龙山文化时期，但大量地制作大约已是殷商时期了。其出现的地点也不普遍，这显然与白土资源有关。由于白土的可塑性好，所以白陶质地坚硬、壁薄。其器壁常以精美的凹凸图案印纹来装饰，很像是利用了经过雕刻的模子来制作陶坯，然后再烧制而成的，较红陶的彩绘更精致典雅。
(4)印纹硬陶
这种硬陶的胎质比一般泥质或夹砂质陶器要细腻、坚硬。据化学分析，其中SiO和AlO的成分明显地较红陶为高，CaO、MgO成分则相对较少。因此烧成温度要1200℃左右。正由于这类陶器烧结程度往往很高，所以质硬不裂。这种陶器的表面常被拍印上类似几何图形的纹饰，所以又称为“印纹硬陶”。因为所用原料粘土中含铁量不同，它的胎质表里会呈紫褐、红褐、灰褐和黄褐等不同的颜色。少数印纹硬陶的器表在窑内高温下甚至曾一度熔化而呈现出玻璃光泽，好像施上了一层釉质。
早期的硬陶出土于江西、湖南和福建一带新石器时代晚期的遗址中，相当于中原夏代时期，例如在江西清江县筑卫城遗址中层里发掘出的印纹硬陶据C—14的测定，距今大约4000年左右。
(5)釉陶
A 殷商时期的原始釉陶
原始釉陶的胎骨原料与硬陶是相近的，所以烧成温度也差不多，但在器表出现了一层有意加工制作的玻璃釉层。它的发明，可能是人们在陶坯焙烧以前用石灰石、方解石的细粉涂布在表面，希冀美观；更可能是在烧窑过程中，草木灰(富含CaO、KO)偶然粘附在坯体上，却没想到碱性的CaO、KO与胎体的粘土在窑内高温下竟会生成熔化点较低的透明玻璃物质，于是就成了石灰釉，釉中约含15—20%的CaO。此种陶器称为原始釉陶。由于这种釉的烧成温度比后世的铅釉相对较高，所以石灰釉又称作高温釉。因为粘土中含有氧化铁，如果这种陶器是在还原性气氛中烧成的，那么陶釉就会呈现青黄色，一般就称为青釉，这种制品就称作青釉器；如果在氧化性气氛中烧成，则釉呈灰黄色或褐色。例如在郑州二里冈的殷代遗址中就出土过施釉的豆青色布纹陶尊。釉陶较之印纹硬陶又是一个极大的进步，它不仅表面光滑美观，而且不透水，容易清洗，适于制作贮水器、酿酒器和水管、版瓦等建筑器材。
B 铅釉陶的发明
釉陶发展到汉代，出现了铅釉陶。但与石灰釉不属于同一发展体系，它的发明有两种可能的途径。一种是在中国早期玻璃制作的基础上琢磨出来的，因为中国传统玻璃就是以PbO为助熔剂烧成的，铅釉成分与它相近，而这种玻璃正出世于战国末或秦汉之际；另一种可能是在汉初兴起的炼丹术活动中得到了直接的启示，因为中国炼丹术初期的反应器是涂布黄丹(PbO)的土釜，它在长时间焙烧下表面就会生成一层铅釉。但这还都是推测。这种铅釉陶大约出现于汉宣帝时期的陕西关中地区，到东汉时期才有普遍的发展。
铅釉是以黄丹或铅粉〔PbCO·Pb(OH)〕为助熔剂，与石英粉或白粘土混合后制成陶衣浆，在大约800℃的窑温下即可烧成。相对于石灰釉，它被称作“低温釉”，一直是我国别具特色的传统低温釉。在初创时期，陶工便往这种釉料中有意地掺加了着色剂，当时利用的着色元素还只有铜和铁，即往陶衣浆中添加少许孔雀石粉或赭土。当釉陶在氧化焰中烧成时，Cu便使釉呈深绿色，Fe便使釉呈黄褐或棕红色。其中的铜绿釉，是我国陶瓷史上开放出的一朵瑰丽的花朵。它不仅有翡翠般的美丽，而且釉层清澈，平整光滑，光彩照人，是我国人工有意识地制作颜色釉的先声。
但在汉墓中发现的铅釉陶则纯系随葬的明器，所见作品除了鼎、盒、壶及仓、灶、井的模型外，还有水碓〔dui对，舂米用具〕、陶磨以及家畜圈舍、楼阁、碉楼等大型建筑模型。
C 建筑琉璃的出现
我国传统铅釉技术在三国、两晋时期可能由于连年战乱，工匠流离失所，似乎一时失传。直到北魏时期才又逐渐恢复，并盛行起建筑装饰釉陶。而且从这时起，人们开始以“琉璃”一名专指着色釉陶器(在此以前，“琉璃”则泛指玻璃及有胎骨的着色釉陶器)。到了唐代，彩色琉璃便广泛用于宫殿、庙宇建筑。有关描述颇多，例如唐代大诗人杜甫的《越王楼歌》说：“故城西北起高楼，碧瓦朱甍〔meng蒙，屋脊〕照城郭。”崔融的《嵩高山启母庙碑铭》有“同施玳瑁之椽，遍覆琉璃之瓦，赤玉为阶道，黄金作门”的话。
北宋人李诫奉勅撰写了一部《营造法式》(公元1091年)，记载了当时制作绿色琉璃的配方，是以黄丹三斤、洛河石末一斤(是一种石英石，北京门头沟的洛河石含96.8%的SiO)及铜末三两，用水调匀，作为釉料。这是现存最早的琉璃釉配方。表明那时的琉璃制作工艺与汉代绿釉陶工艺是一脉相承的。宋代遗留至今最重要的琉璃建筑为庆历元年(公元1041年)所建的开封“铁塔”，实际上是用铁黑色的琉璃砖和琉璃瓦砌成的，其黑釉可能是以铁锰矿粉为呈色剂，在还原性气氛中烧成。
D 瑰丽的“唐三彩”
低温铅釉的使用和以金属氧化物为呈色剂的发明促成了“唐三彩”的诞生。这种工艺品在我国制陶史上风靡一时，而且至今盛名不衰，不断推陈出新，可谓中国釉陶作品发展的高峰。它是一种施加多种彩釉的陶制品。以白色粘土为胎，这种原料虽然与瓷土接近，但焙烧温度较低，仅约800℃，所以不是瓷器。其釉彩有深黄、芥黄、深绿、青绿、翠绿、褐、赭、蓝、黑、白等等多种颜色，但以白、绿、黄为基色。而同一器物上至少有三种颜色，所以人们习惯上称它为“三彩”。
“唐三彩”使用的是低温铅釉，釉料的基本原料是白粘土和黄丹、炼铅熔渣，再混入适量的含铜、铁、钴、锰等元素的矿物粉作釉料的着色剂。绿色的着色剂是孔雀石、蓝铜矿等；黄釉和褐色釉的着色剂是赤铁矿；蓝色釉的着色剂是一种含钴的软锰矿；黑釉的着色剂是铁锰矿；白色釉则是用无色透明釉覆盖在化妆白土上所造成的效果。通过调节着色剂加入的多少以及多种着色剂的复合作用，还可以造成浓淡不同、色调更加绚丽的效果。其烧制是采用二次烧成工艺，即先烧好素胎，再施铅釉。在窑里焙烧时，各种金属氧化物溶于铅釉中，并向四外扩散和流动，于是又发生色釉间的互相交织浸润，形成了斑驳灿烂的多彩色釉。
三彩陶器始作于唐高宗朝，而开元年间是它的鼎盛时期。这个时期产量大，塑工技艺高超，色彩绚丽，造型多样。当时盛行的三彩陶器主要是作为随葬的明器，凡是死者在世时生活中有过接触的，如建筑物、家具、牲畜和人物等无不具备。建筑物既有亭台楼阁，又有花园中堆砌的假山、水榭；家具则有箱、柜；牲畜有马、驴、骆驼、猪、羊、牛、狗；家禽有鸡、鸭；人俑有贵妇人、侍奴、文官、武士、胡人、天王等等，可谓包罗万象。所以“唐三彩”既是我国艺术宝库中的珍品，釉陶工艺的杰作，而且也是研究唐代社会历史的重要资料。
(6)性质独特、造型别致的紫砂器
自从瓷器问世以后，那些日常生活中使用的小件陶器，如盆、碗、锅、罐，自然就不受人们重视了。可是从宋代以后，当时常州宜兴(即今江苏宜兴)地方生产出了一种无釉细陶制品，棕褐色的“紫砂器”，有如陶瓷业中的异军突起，得到各界人士，尤其是文人墨客的青睐，从此迅速发展起来。
紫砂陶器的闻名和久享盛誉首先是由于这种陶具有独特的性能，非常适用于制作茶具。饮茶原是我国人民相沿很久的传统嗜好，唐代以后，饮茶品茗之风大盛，那时著名诗人陆羽写了一本《茶经》，对茶叶的品种、烹茶技巧、香茗的品尝及选用茶具都做了详细的讲解和渲染，可以说，从此形成了中国的茶文化，即有意识地把品茶作为一种能够显示高雅、素养，寄托感情，表现自我的艺术活动来刻意追求、创造和欣赏。当时的文人与士大夫们希望茶具能与名茶的三绝——色、香、味相配合、相适应。而宜兴紫砂陶茶具，真是应运而生。用它来沏茶，茶叶更芳香、纯正。明人文震亨在其《长物志》中说：“茶壶以〔紫〕砂者为上，盖既不夺香，又无熟汤气。”也有人说，只有这种茶具“能发真茶之色香味”。更因为紫砂陶具有多孔性，器壁能吸收茶汁，一旦用久，茶汁在内壁上积成“茶锈”，于是即使把沸水注入这种空壶，这种茶锈仍会使水发出茶叶的幽香。加之紫砂陶有耐骤热、骤冷的应变性及相当低的热传导性，所以在严冬季节沸水注入这种壶也无开裂之虞，而手提把握也不烫，保温性又好，因此使它成为制作茶具的理想材料。
从艺术效果上看，紫砂茶具造型别致多姿，多有浮雕装饰，而且往往将中国传统的绘画、诗词、书法、篆刻诸般艺术结合于其一身，因此更具独特的韵味。由于紫砂陶泥细腻，可塑性极好，因此除大量制作茶具和花盆外，还常用来制作文房雅玩和摆设。更有用紫砂泥烧制的动物，如螃蟹、伏牛、野兽、天神等，形象逼真，栩栩如生，往往成为工艺珍品而受到中外陶瓷鉴赏家和收藏家的钟爱。
宜兴紫砂器之所以具有这些独特的性能，除工匠的聪明才智、精湛技艺、技术修养外，从物质上说，则要归功于当地所特产的一种得天独厚的紫砂泥作为原料。紫砂泥有紫泥、红泥和绿泥三种，其中紫泥的藏量较丰富，是一种天然的五色陶土，深藏在岩石层下，夹杂于甲泥(硬角质泥层)之中，所以有“岩中岩”、“泥中泥”之称。开采出来的紫砂泥堆放露天后，经风化就会渐渐变得松散，用水调拌后具有很强的可塑性，属于高岭土—石英—云母类型，其特点是质地细腻，含铁量特高(铁氧化物总量占8—10%)，这是它烧成后呈棕褐色的原因。其成分中含SiO达60—70%，AlO一般在20—25%，因此紫砂器的烧成温度也很高，一般在1100—1200℃之间，而且必须采用氧化气氛。烧成后的成品吸水率小于2%，说明它的气孔率介于一般陶器与瓷器之间。
紫砂陶器的烧造大约兴起于北宋年间，当时的制品主要是壶罐，多数胎质还较粗糙，制作也不精细，只是用来烹茶煮水。但已出现一些精品，并引起一些文人的赏识，据说当年苏东坡择居宜兴蜀山，特别喜欢用一种提梁壶饮茶，重感情的陶工为了纪念他，就将这种提梁壶命名作“东坡壶”，很可能就是紫砂器。而北宋初年梅尧臣有“小石岭泉留早味，紫泥新品流春华”和“雪贮双砂罂，诗琢无玉瑕”的诗句，所言“紫泥新品”和“砂罂”就更可能是宜兴紫砂器了。宜兴紫砂器的名声大振则在明代。正德、嘉靖年间(公元1509—1565年)的陶工供春(因他原姓龚，所以也叫龚春)是把紫砂器推进到一个新境界的杰出民间艺人。他本是宜兴吴氏颐山的家僮，吴生曾读书于金沙寺中，寺内有某位僧人精于制陶，于是供春得以从和尚学艺。经过刻苦钻研，精心构思，他终于成为紫砂器高手、一代名家，人们描绘其作品，“栗色闇闇，如古金铁，敦庞周正”，造型极美。至万历年间(公元1573—1619年)，已是紫砂器百品兢新、名匠辈出的局面，有董翰、赵良、元畅、时朋四大家，使这类作品形成了一个独立的工艺体系，进入了完全成熟的发展时期。清代紫砂器工艺继续发展，例如嘉庆年间(公元1796—1820年)出现的，制壶名手杨彭年与金石书法家陈曼生合作的“曼生壶”，造型与装饰工艺别开生面，传为“字依壶传，壶随字贵”的佳话。