工艺技术_紫砂陶的生产工艺特点和显微结构

宜兴紫砂陶的生产工艺特点和显微结构一、引言宜兴紫砂是宜兴日用陶瓷中的一枝奇葩，也是我国优秀的传统工艺品，它在祖国的陶瓷艺苑中占有极重要的地位。关于宜兴紫砂陶的起源，近年考古工作表明，已可追溯到北宋中叶。1宜兴是个具有五千余年生产历史的重要陶瓷产区2。到了宋代，那里的陶瓷工人已积累了丰富的生产经验。当地蕴藏着丰富的原料（甲泥），山区有充裕的燃料，加之社会上盛行斗茶风尚，促使日用陶瓷中的无釉陶器向紫砂陶发展，至明清时期工艺日臻完美，名匠辈出，独树一帜而驰誉中外。宜兴紫砂陶使用一种紫砂泥，辅以洗炼别致的造型，精湛的手工制作和装饰技艺，烧成后的茶具具有保持茶的色、香、味，不易变质发馊，耐冷热急变性好；花盆栽花不易烂根，有利植物生长等特点。因此，陶器具有高度价值和实用价值。为了验证紫砂陶的实用功能，探索其科学原理，江苏省陶瓷研究所、南京化工学院、南京大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、宜兴紫砂工艺厂等单位，对宜兴陶土原料，紫砂陶的显微结构进行了研究。获得了一批研究成果。345多年来，笔者也对紫砂陶进行了研究实验工作。本文试应用已取得的研究结果，对宜兴紫砂的生产工艺、显微结构以及实用功能进行较详细的论述和分析。但要对已有一千多年历史的传统紫砂陶进行全面的科学总结，非笔者力所能及。本文愿能起到抛砖引玉的作用，以期获得更多的科技工作者的共同努力，使紫砂陶这项传统技艺，更加发扬光大。二、紫砂陶的生产工艺特点（一）原料特牲和制备工艺宜兴的陶土，广布于宜兴南部丘陵山区。丁山、张渚、湖（本字无法显示“氵+父”）、渚东为主要产地。上述地区古生代地层颇为发育，陶土即赋存于志留世、泥盆世、早石炭世等地层中7。陶土的成因，均属内陆湖泊相及滨海湖沼相沉积矿床，通过外生沉积作用成矿。宜兴陶土品种繁多，当地一般把陶土分为白泥、甲泥和嫩泥三大类。白泥主要含矿层为晚志留世茅山群（S3）、晚泥盆世五通群下段（D）和二迭系上统龙潭组（P）及石炭系下统高丽山组（C）。它是一种以紫色为主的杂色粉砂质粘土。嫩泥主要产于二迭系上统龙潭组上段（P）地层中。它是一种土黄色灰白色为主的杂色粘土。1、紫砂泥的地质特征与矿体形状。宜兴紫砂陶所有用的原料，包括紫泥、绿泥及红泥三种，统称紫砂泥。其中紫泥是甲泥矿层的一个夹层，绿泥又是紫泥砂层中的夹脂，故有“泥中泥”之称。团山泥则是紫泥和绿泥混杂共生在一起的泥料。红泥是位于嫩泥和矿层底部的泥料，主要产于丁蜀镇西香山附近。紫泥是生产各种紫砂陶器的最主要的泥料，目前仅产于黄龙山一地。现对紫泥作进一步的阐述。紫泥的地质特征及成因基本与甲泥一致。黄龙山甲泥矿位于上泥盆统五通群上段，有四个矿层层位，自下而上分别编为、号矿层。紫泥产于厚度为8米左右的号矿层中，在甲泥矿层的中上部，以夹层形式存在，顶底板均为其他品种的甲泥矿层。紫泥矿体形态呈薄层状、透镜状，矿层厚度一般在几十公分到1米左右，稳定性差，有时不延续而灭尖。原料外观呈紫红色、紫色、带有浅绿色斑点，软质致密块状，斑状结构，烧后外观为紫色，紫棕色、紫黑色。2、岩石类型及矿物成份紫砂岩类型为粉砂质泥岩，粉砂泥质结构，由于含有较多的铁质，定名为含铁质粘土质粉砂岩。8岩石主要有石英粉砂及胶结它的粘土矿物组成。石英碎屑孤立地分布在胶结物中，成基底式胶结。碎屑部份：石英：次棱角一次圆状，料度0.020.1mm，少数可达0.15mm，含量50；云母：黑、白云母均有，鳞片状，往往围绕碎屑部份，含量35；长石：柱状，已风化成高岭石，含量12；硅持岩屑：粒度0.100.15mm，分散分布，含量1；褐铁矿：粒状，含量1；电气石、白钛石：微量；绿泥石、海绿石：偶见。胶结物部份：高岭石：鳞片状，含量2530，水云母及绢云母：鳞片状，含量35，化学成份SiO2 56. 96、A12 03 20.55、Fe2 03 9.43紫泥经X光鉴定为石英、高岭、赤铁矿和伊利石（水云母类）。紫泥试样在光学显微镜下上述矿物共生在一起。偏光显微镜鉴定：紫泥的结构及矿物成份，镜下观察情况是：粉砂泥质结构，碎屑矿物以石黄、白云母为主，含少量长石。胶结物为粘土矿物被铁质污染呈棕色。用电子显微镜观察紫泥，发现许多0.10.2大小的鳞片状晶体，经电子衍射鉴定高岭石矿物。差热分析、脱水曲线（见图一）综合分析，紫泥主要矿物成份为水云母，并含有不等量的高岭石、石英及云母屑、铁质等。紫泥中尚有MnO、Cr2OC3、CoO、CuO、PbO等元素存在。3.紫泥原料的工艺性能：见表二至表七。表一：紫泥的化学成分表二：紫泥的可塑性表三：紫泥的结合能力表四：颗泥分析表五：泥浆性能表六：干燥性能表七：烧结性能4.原料制备工艺。紫泥、绿泥和红泥，由于其固有的化学组成，矿物组成和工艺性能，单一种泥料，通过粉碎、练泥，即能制成产品。紫泥是生产各种紫砂陶器的最主要的原料。绿泥用作化妆土粉饰在紫泥坯体表面。由于绿泥数量不多，同时大件绿泥产品不易烧好，因而仅少数产品用绿泥制作。团山泥可制作大件产品。绿泥通常用作化妆土及制作小件产品。从矿层中开出的紫泥，俗称生泥，泥似块状岩石，经堆放在露天稍事风化，待其松散，然后用锤式破碎机初碎，轮碾机粉碎，泥料过60目筛，湿水后通过真空练泥机捏练，便成为供制坯用的熟泥料。绿泥、红泥的制备与紫泥相同。为了丰富紫砂陶的外观色泽，满足工艺变化和创作设计的需要，可以把几种泥料混和配比，或在泥料中加入金属氧化物着色剂，使产品烧成后呈现天青、栗色、深紫、犁皮、朱砂紫、海棠红、青灰、墨绿、黛黑等多种颜色。若杂以粗砂、钢砂，产品烧成后珠粒隐现，产生新的质感。近年来还试制成功了醮浆红泥，仿金属光泽液等化妆土，丰富了产品的色彩。（二）独特的成型工艺紫砂陶器造型多样，品种齐全。主要产品有各式茶具、酒具、餐具、文具、花盆和陈设工艺品等数千种。紫砂陶的成型方法，有手工成型、注浆成型、旋坯（机制）成型和印坯成型。其中手工成型是传统的制作方法。凡是工艺产品的成型，全系手工搓制而成。这一传统技艺的形成和发展，与紫砂泥的特性和各式各样的产品造型有密切的关系。紫砂泥具有良好的可塑性能，较小的干燥收缩，较高的生坯强度，为多种多样造型提供了良好的工艺条件。丰富多姿的造型，千变万化的线条，对制作技巧不断提出新的要求，促使手工成型达到了高度的水平，形成独特风格。而精巧的手法，超群的技艺，促成了紫砂工艺陶器造型丰富多变的特色。手工成型的方法，基本上可分为“打身筒”与“镶身筒”两大类。“打身筒”法适用于圆类型产品，将泥料打成泥片，用在转盘上，用手工拍打成空心体壶身，再粘接上用手工搓制成的壶嘴、把、颈、脚、并另加制壶盖，以致作品坯体完整，“镶片法”是将泥料打成泥片，按设计意图，配成样板，依样裁成泥片，镶合而成，然后同上方法加工制成。手工成型的主要工具，计有泥凳（工作台）、木塔子、转盘、薄木拍子、竹片拍子、规车、旁皮刀、尖刀、明（牛角制成的薄片）。各种小工具很多，须根据产品工艺不同要求，随时制作应用。手工成型工艺的关键棘泥坯表面的精加工、手工成型过程中的精加工，系指用竹片、明针、刀具以及用这些材质制成的专用工具，对已经加上颈、脚、嘴、把手的壶身整体，壶盖，花盆或其他产品的表面，进行精细的括平修整。这是紫砂陶器成为工艺产品的关键之一。它的作用在于：1、紫砂泥料，颗粒尚粗，成型时坯体表面呈现高低不平。在精加工过程中，用上述工具将坯体表凸起的粗颗粒向下压挤，并将坯体通身修整平正光澜。这时在坯体外表形成了一层较细致的表皮层，而内壁面虽在打泥片时也受拍打，但往后仅稍事加工，泥料颗料之间相对地比较疏松。在烧成过程中，表皮层容易形成一层较致密的烧结层，使产品外表既有因大小泥料颗粒烧厉收缩不一致而使粗颗粒略有凸出，又富有滋润光泽的质感，犹如天津鸭犁的梨皮状。而疏松的内壁因泥料矿物组成和颗粒堆积等因素而形成的空隙，具有一定的气孔率。2、紫砂陶器造型别致多变。为了不使紫砂陶器沦比一般的釉陶，它的表面是不施釉的，要使紫砂陶达到“脱手则光能照面，出冶则资比凝铜”的工艺效果，必须把坯体处处理得器形结构严谨，轮廓线条分明，筋瓤纹理清晰，达到珠圆玉润，浑成整体的制作要求。所有这些，除造型得体，成型得法外，最后还得通过精加工来求得。同时，精加工也是提高坯体精确度的重要手段。例如大型圆条壶，壶口有24条筋瓤，壶盖也有24条筋瓤与其相配。由于加工精致，烧成后壶盖任意调转方位，再合放壶口上都能吻合自如。由于运用了精加工这项技巧，使各种紫砂壶的口盖冷准缝严密，二者之间的空隙（或称位移公差）都很微小，一般都小于0.5mm，这是其他陶瓷壶类无法做到的。3、紫砂陶的装饰方法。紫砂陶的装饰方法，在烧成前有浮雕堆绘、仿古青铜器纹样装饰和陶刻等。烧成后的装饰有釉彩、抛光和包铜、金银丝镶嵌等多种。陶刻是主要的装饰方法，它汇集了文学、书法、绘画、金石、篆刻艺术要素于一体，运用刻刀在产品上刻划出诗词绘画，成为紫砂工艺的又一特色。关于其技法，在此从略。（三）烧成1、烧成窑炉、燃料及窑具。紫砂陶器烧成用的窑炉，有龙窑、倒焰窑和隧道窑。其中龙窑使用时间最长（宜兴羊角山早期紫砂窑址就是一条龙窑，宽一米左右，长十余米的小龙窑），直到1957年才被倒焰窑代替。1973年，隧道窑取代了倒焰窑。龙窑所用的燃料是茅草、松柴。倒焰窑用的燃料是烟煤，隧道窑则以重油为燃料。紫砂陶器从明代中叶起就开始用匣钵（俗称掇罐）烧成，以防止产品表面发生火刺、色泽不正等缺陷。同时也提高了产品装窑密度，有效地利用窑位空间。紫砂壶壶盖装在壶口上一并烧成，以防止壶口壶盖变形，提高两者配合的精确性，提高装窑密度。2、窑炉烧成气氛的控制。紫泥中的氧化铁含量相当高，根据SiO2Al2O3FeOFeO三元相图，如果产品在氧化气氛中烧成，则物相在1400以下不产生液相，不形成低熔共熔物。由于紫泥中尚有CaO、MgO、K2O、Na2O等成份存在，因此烧成温度就低于1400。紫泥制成的产品，烧成温度为11501180（光学高温计），（三角测温锥批示温度为12001270），红泥的烧成温度为1100，绿泥耐火度比紫泥略高。紫泥产品在上述正常烧成温度下，泥料中各矿物相的扩散速度不大，赤铁矿可作为一种相存在，使产品呈鲜红色（低温）、紫红色（高温）。如以还原气氛烧成，则反应按SiO2Al2O3FeO系相图进行，在1100左右形成低熔共熔物而产生液相，Fe2O3还原成FeO，色泽由紫红变黑，产品表面因烧结，还原过程中分解的气体无法逸出而发生鼓泡，碳素沉积坯胎中，造成废品。因此，含铁量高的紫砂产品，必须在氧化气氛中烧成。3、紫砂陶器的烧成温度和几项物理性能。紫泥产品在11501180烧成温度和氧化气氛下，它的色泽、吸水性和强度，都炼到良好的效果。表八是紫泥在正常烧成温度下的几项物理性能。三、紫砂陶器的显微结构应用宜兴紫砂工艺厂生产用紫砂泥料，按照成型高级工艺的方法，精细加工制作成试片，在工厂隧道窑经1150烧成后，通过切片磨片制成超薄光薄片，供光学显微镜观察用。部份光片经化学腐蚀用萃取复型法制备供电子显微镜观察的复型样品。取试片的新鲜断口表面蒸金后作为扫描电镜观察试样。试样统称紫泥试样。北宋羊角山早期紫砂古窑址残器试样的制作方法，与紫泥试样同，统称羊角山古窑紫砂残器试样。（一）紫泥试样中的团粒结构和各种矿物的民族尺寸紫泥经过细粉碎后，通过60目筛，变成了大小不同的颗粒，称为紫泥团粒。应用光学显微镜、电子显微镜对紫泥试样进行观察，发现多数团粒是石英、云母、粘土和赤铁矿的聚合体，有的团粒则是以它们的单一矿物出现。现将对紫泥试样进行观察后，各种矿物相和一颗200的团粒内部各种矿物相对的尺寸，归纳于表九。表八表九（二）紫泥试样的显微结构应用光学显微镜，电子显微镜和扫描电镜对紫泥试样进行显微观察，紫泥团粒中各矿物相的反应机理，显示得比较清楚。现依次阐述如下：残留石英。它是紫泥的主要组份。在光学显微镜下，可以看到其颗料性状；15050少量，主要在50以下，25以下最多。在电子显微镜下，能清晰地看到石英颗粒为周围的细颗粒粘土矿所包围。在烧成过程中，由于细颗粒矿物中的低熔点共熔物产生液相，这就造成石英颗粒被液相熔融，残留石英轮廓纯圆，溶解边宽0.5左右。莫来石。试样发现有二次莫来石和一次莫来石生成。二次莫来石出现在两个地方。第一，紫泥中细分散着一定数量的熔剂组份，试样在烧成过程中，石英和粘土临界处的反应按SiO2Al2O3FeO三元系进行。加热到共熔点温度时，相界处开始形成熔融相，Al2O3由粘土侧向石英扩散，石英相向反方向迁移，这时碱金属离子的扩散引起铝离子的过饱和，冷却时，即在石英熔融边的外围，形成了一层二次莫来石针晶。残留石英颗粒周围的熔融边，以及在熔融边外围生成的二次莫来石。第二，在云母介理层间析出的短柱状莫来石。这是一些细小的云母残骸在烧成过程中受到熔剂的作用，在接触带发生局部熔融，随着降温过程而析出二次莫来石。二次莫来石长度1，宽度0.2左右。一次莫来石，在少数纯净的粘土中有鳞片状莫来石出现，是粘土团粒中有不少细小的一次莫来石形成，长度为0.3左右，宽度0.2，粘土团四周与石英接触处是二次莫来石。大部分粘土团，由于混有不同含量的低熔点组成物，或受外来碱金属离子的沾染，故一次莫来石比较发育，其长度为1.5，宽0.2。云母残骸，也是紫泥试样中主要的组成组。大的云母可达15020，大多数在25以下。由于烧成温度低，云母还保留其残骸外貌。铁是氧化物，是紫泥试样中重要组成相之一。在紫泥试样中，铁的结晶形式大多数是赤铁矿。有时因受烧成时还原气氛影响，会生成少量磁铁矿。赤铁矿以小晶状、流纹状、纺锤棗长条状和块状聚晶形式存在。分散的细粒状赤铁矿小晶体，匀布于基体中，大小一般在2左右。它们的光性表现。在透光下呈透明的樱桃红色，具有消光性。在反光下呈红色的内反射，以流纹状和纺锤棗长条状分布的赤铁矿，常被包裹在云母介理层中，其长度可达60。在电子显微镜下还发现0.2左右大小的赤铁矿晶粒。羊角山古窑紫砂残器试样中有气泡四周的磁铁矿晶体。由于试样烧成时受还原气氛的作用，就发生产品的最低共熔点降低，形成了玻璃相，鼓泡、气孔，断面呈黑色，赤铁矿被还原变成了磁铁矿晶体。团粒中花簇状的晶体就是FF尖晶石。在紫泥试样中，还有为数很少的长石、方解石、橄榄石等矿物。气孔及其特征。用光学显微镜和扫描电镜观察紫泥试样中的气孔及其特征。在光学显微镜下可观察到紫泥试样中团粒之间，石英、粘土等单一矿物与团粒之间的链状气孔，以及团粒内部的微细气孔。用扫描电镜可观察到链状气孔和微细气孔的性状。羊角山古窑紫砂残器试样在扫描电镜下看到的气孔性状，与当代紫泥试样没有什么区别。紫泥试样中的气孔中两种形式，一种是以链状气孔的形状包围着原始团粒。形成这种气孔的原因，是原始团粒之间、单一矿物之间以及团粒与单一矿物之间，在成型干燥过程中形成的空隙（见表六紫泥的干燥性能中气孔率达20.9）以及烧成时团粒、粘土发生收缩形成的空隙，因最终烧成时没有完全瓷化而依然存在，只不过空隙已经缩小，气孔率大幅度下降。这种链状气孔的大小，宽度20以下，狭处10。延伸长度不等，有的互相贯通，有的断断续续。另一种气孔是团粒内部各矿物之间，在烧成过程中，因收缩不一致而形成许多椭圆形及形状不规则的微细气孔，有开口的，有闭口的，一般在13。现在，我们把这两种气孔暂时称作双重气孔结构。双重气孔结构使产品具有高的气孔密度和一定的气孔率。四、紫砂陶实用功能初步试验宜兴紫砂茶壶，长久以来，被人们推崇为理想的注茶器。为了验证紫砂茶壶在泡茶时具有“以尽色、声、香、味之蕴”。6不易变质、发馊等实用功能，我们做了下述几项实验。1、实验方法。取宜兴紫砂茶壶和瓷器茶壶作为实验样。它们的容量都在500cc左右，壶的造型大致相仿。试验前两种茶壶均经过沸水清洗和阳光照晒消毒。PH值应用精密试纸测定。茶汁的色、香、味、变质发馊等现象，因无适合仪器可测，采取了现场直感观察。2、实验内容与结果。表十：试验一第一项实验：观察两种茶壶注茶后茶汁的PH值、色泽、香味、变质发馊等现象：试验工作在春夏两季进行。试验时，以同等量的红茶或绿茶放入经消毒过的两种茶壶中，然后倾注沸水，定时进行观察。实验结果列于表十、十一、十二。关于PH值的变化：茶汁的PH值由中性向弱酸性转化，是由于茶叶中丹宁溶出的结果。它会损害茶汁的质量。从上述实验中可以看出紫砂壶注茶时，PH值从7下降到5.5，需46天，而瓷壶注茶后仅12天，PH值很快从7下降到5.5。色泽的变化：两种茶壶注红茶时，紫砂壶内茶汁由红棕色变成褐色，瓷壶内的茶汁，由红棕色变成黑褐色；注绿茶时，紫砂壶内茶汁由绿色变成棕色，瓷壶内茶汁初泡时易发黄色，时久而变黑褐色。香味的变化：茶汁香味与发酵有密切关系，凡食物因受潮热发酵产生一种酸臭的称之为发馊。试验一结果表明，在15室温下，瓷壶内泡的红茶二天后已无茶香味，紫砂壶经历五天后仍有香味，试验二、三都同样表明紫砂壶对保持茶香味的功能确实比瓷壶为好。第二项实验：两种茶壶保持香味的试验。表十一：试验二在两种茶壶内分别放入兰花、茉莉花、香水等香料，放置一昼夜后取出，再过一昼夜嗅其香味，紫砂壶内香味依存，而瓷壶就无香可闻了。第三项实验：两种茶壶注茶后严加密闭和注茶后处于自然状态的反应：表十二：试验三将两种茶壶同时进行消毒茶棗用消毒棉将壶口、壶嘴密闭，虽经黄梅季节半月之久，敞开壶盖观察，两者都不长曲发霉。如将两种壶注茶后处于自然状态，就会发现瓷壶内茶汁首先变质发馊，然后再长曲发霉，而紫砂壶五天后茶汁才发馊。讨论（一）从理化测试、显微结构来分析紫砂生产工艺的合理性紫泥确实是宜兴得天独厚的原料，它在成份上具备了制陶所必须的化学组成及矿物组成。显微观察表明，紫泥主要矿物为石英、粘土、云母和赤铁矿。同时这些矿物的颗粒组成（自然形成的颗粒的大小尺寸）适中的紫泥的矿物组成，具有类似我国南方制瓷原料的特点，即其矿物组成属于粘土棗石英棗云母系。合理的化学、矿物、颗粒组成，使紫泥具备了可塑性好、生坯强度高、干燥收缩小等良好的工艺性能。紫泥粉碎的细度，以过60目筛为宜。泥料过粗，制作时费劲；泥料过细，制作时粘手，坯体表面会引起皱纹，同时还会引起干燥，烧成收缩增大，降低烧成温度，发生气泡缺陷。过60目筛的泥料，大的颗粒尚粗，在成型过程中系用精加工这道关键工序，把器形周身理光，形成一层致密的表皮层。由于表皮层的存在，产品的烧成温度范围扩大了，不论在正常烧成温度的上限或下限，表皮层容易烧结，而产品内壁仍能形成气孔。因此，成型时的精加工工艺，具有把泥料、成型、烧成三者有机地联系在一起的作用，赋予紫砂器表面光洁，虽不挂釉而富有光泽，虽有一定的气孔率而不渗漏等特点。紫泥经过1150烧成后，形成了残留石英、云母残骸、莫来石、赤铁矿、双重气孔等物相。双重气孔使产品具有较高的气孔密度，一定的气孔率。此外，紫泥试样中的结晶相较多、玻璃相较少。所有这些都使紫砂陶器具备良好的实用功能。（二）紫砂茶壶为什么具有良好的实用功能实验证实，紫砂茶壶确实具有保持茶香清醇，不易变质发馊等良好性能。紫砂壶是一种双重气孔结构的多孔性材质，气孔微细密度高具有较强的吸附力，它能吸收茶之香味保持较长的时间，而施釉的陶瓷茶壶这种功能比较欠缺。紫砂茶壶与施釉的陶瓷茶壶相比，茶汁确实不易变质发馊。这种功能由茶壶本身精密合理的造型所决定。紫砂壶嘴小（嘴流出口成一定斜角）壶口壶盖配合密切，位移公差0.5mm，口盖形式多呈压盖结构。而施釉瓷壶壶嘴大多口朝上，口与盖的位移公差达1.5mm左右，口盖形式多呈嵌盖结构。由于紫砂茶壶制作