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西汉时期日光大明草叶纹镜铸范的科学分析
发布时间:2007-09-20    文章出处:中国考古网    作者: 刘煜    点击率:

    陶范铸造是用泥料雕塑器物,并用泥料制作内外范,经干燥焙烧后将金属液注入陶范型腔内凝固成型的一种工艺技术。陶范铸造而成的青铜器的质量不仅与其合金配比、铸造过程及其热处理工艺有关,更与铸范本身的性能有密切的联系。已有的研究表明,商周陶范有良好的可塑性、可雕性、复印性、湿强度和干强度、足够高的耐火度和低的收缩率、足够好的退让性及充型性能、低的高温膨胀性及低的发气量以及低的蓄热系数,使得铸造出的青铜器成型良好,表面光滑,纹饰清晰2。
    铜镜是中国古代青铜器中比较特别的一类,一直延续到明清时期,因此受到人们的高度重视。长期以来,除对铜镜本身的古器物学考察而外,关于其成分、金相组织、制作工艺以及表面处理的研究和讨论也是非常广泛的。但是,由于与其铸造有关的遗迹和遗物极为鲜见,因此关于铜镜铸范的考察和科学分析非常缺乏,导致对铜镜制作工艺的研究受到很大限制。迄今为止,在一些报道和著录当中提到的镜范,计约30余片,少数为春秋晚期,余多属战国中晚期和汉代1,且均未经过科学分析和检测。因此,对于西汉时期日光大明草叶纹镜铸范的科学分析将提供关于镜范制作和处理的有益信息,从而丰富关于古代铸镜工艺的研究内容。
    该镜范出土于山东临淄刘家寨,为一残片,残存多于全器的六分之一,尺寸约为10×6.5×5.8厘米。陶范外部近平,下部斜收,因底部有缺损,故已不可见手捏等制作痕迹。顶面四周凸起,是为分型面,宽2.5厘米。型腔表面深约0.3cm,花纹清晰,表面有一层黑色物质,看起来似乎浇注过。镜范呈青灰色,质地密实,手感很轻,感觉明显轻于殷墟所出商代陶范。该镜范侧面和背面均有许多细小、黑色的物质,特别是背面的局部聚集大量这种物质,看起来很象草木灰。没有看到存在明显的背层和面层的分界线。从残断处还可观察到一些细小的不连续孔洞。通过对这块陶范的材料、掺和物、表面层以及焙烧温度的检测,我们将探寻西汉镜范的奥秘。
1   镜范的材料分析
    取镜范的样品及当地土壤样品,利用等离子型直读光谱仪进行检测,所得结果见表1。
表1    汉代镜范及当地土壤成分(%)
编号
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
MnO
TiO2
P2O5
烧失
总量
镜范1号样品
77.62
7.94
3.14
1.84
1.11
2.63
0.94
0.16
0.40
0.58
3.76
100.12
80.55
8.24
3.26
1.91
1.15
2.73
0.98
0.17
0.42
0.60
 
100.01
镜范2号样品
78.02
7.66
3.23
1.68
1.02
2.78
1.00
0.15
0.40
0.53
3.76
100.23
80.87
7.94
3.35
1.74
1.06
2.88
1.04
0.16
0.41
0.55
 
100.00
1号原生土样品
65.18
10.55
3.32
5.52
1.55
2.41
3.68
0.05
0.66
0.22
6.91
100.05
69.98
11.33
3.56
5.93
1.66
2.59
3.95
0.05
0.71
0.24
 
100.00
2号原生土样品
62.94
12.05
3.95
7.26
1.91
2.40
1.82
0.07
0.67
0.26
6.69
100.02
67.44
12.91
4.23
7.78
2.05
2.57
1.95
0.08
0.72
0.28
 
100.01

    由上述检测结果可以看出该镜范的原料不存在背面层的差异,即采用同样的材料制成。陶范的化学成分与当地土壤的化学成分相比,SiO2的含量大大高于后者,Fe2O3、CaO等助熔剂的含量低于后者,特别是CaO的含量很低。有研究表明到商周时代人们已经了解到二氧化硅及氧化铁的含量与陶瓷质量的关系,从而提高了选择和精制泥土的标准3。由于淘洗的工艺并不能降低CaO的含量,因此,该镜范的原料很可能是一种含有较多粘土的细颗粒黄土,与粗颗粒黄土相比,含有较多的Na2O和K2O以及较少的CaO和MgO,而且具有更好的成型性能。由于该范料看来较为细致,断面孔洞细小,可能系由当地地表下的原生土制成,而不象砖瓦那样取自地表土。商周古陶范二氧化硅偏高的原因之一是加入一定数量的、二氧化硅含量高的细砂,由于二氧化硅含量的升高,相应的助熔剂RxOy组分的含量就降低了4,但是该镜范的表面未见细砂颗粒,故其二氧化硅含量偏高可能有其它原因。
    此外,从镜范靠近背面的位置取约1克样品,利用X衍射仪对陶范的矿物成分进行分析。该镜范的主要物相为石英,钾长石,斜长石、伊利石、无定型氧化物。说明其主要来源是含伊利石的砂质土壤,即很可能取自当地的原生土。大量的无定型氧化物是非结晶态的各类氧化物,以二氧化硅为主。
2   植硅石检测
    我们还采用OPTON公司产的CSM950型扫描电镜对镜范进行了微区分析,根据能谱仪的分析结果,发现镜范中有富含二氧化硅的颗粒,见图1。

    从扫描电镜的背散射图像中,我们可以看到大量主要成分是二氧化硅的颗粒,具有规则的形状,与周围的区域有明显不同,为此我们进行了植硅石的检测。
    自然界的很多种植物在其生长过程中从土壤中汲取可溶性二氧化硅,进入植物体内的二氧化硅逐渐转化为固体的半透明状的蛋白石,沉淀并充填在植物的某些细胞内或细胞间隙中形成植物硅酸体,又称植硅石。由于其形状基本保持着植物细胞或组织的原本形态,因此可以对植物种类进行鉴别。
    对该镜范样品观察的结果显示,样品中含有大量的植硅石但类型却异常地单一,基本上都是稻属植物的颍壳所特有的双峰类型,经数量统计,在3克陶范土中共发现双峰类型植硅石六千余个。除此之外,其它可鉴定植硅石类型仅见极少量的(约20个)属于禾本科黍亚科的哑铃形短细胞类型。这一现象说明,在该镜范的制作过程中,制作者在陶土中有意识地掺入了大量的稻壳灰。植硅石的主要成分是二氧化硅,前面的X射线衍射分析发现该镜范中含有大量非晶态的二氧化硅,进一步证实了这一点。因此导致该镜范的二氧化硅含量大大高于当地原生土的原因是大量加入稻壳灰,这同时造成了该镜范的密度较低(详见下文)。

3 密度及吸水率
将样品制作成标准样块,即可测定其密度。
常态下的吸水率指将陶片在105℃条件下烘干,再放入水中最大限度吸收水分后所含水分的重量与烘干试样重量的百分比。吸水率能反映陶片的致密度。通常情况下,吸水率的高低与致密度成反比。
从样品上分取四个不同位置的试块,分别测量其密度及吸水率,所得结果见表3。检测单位:上海硅酸盐研究所。吸水率通常与致密度成反比。
表2  镜范样品的密度与吸水率
测试号
1
2
3
4
平均值
密度(g/cm³)
1.08
1.08
1.07
1.06
1.07
吸水率(%)
51.5
51.4
52.0
53.5
52.1
    我们将检测结果与商周陶范的分析结果5对比发现:
    该镜范具有较低的密度,仅略大于水,远远低于侯马东周陶范(约1.56),说明其掺和的草木灰类物质,数量远远多于后者。而且,植硅石分析还表明该镜范内加入的是稻壳灰,侯马东周陶范内加入的则是寒冷地区的禾亚科草类植物灰,另加木炭屑。二者所掺杂的植物灰质的种类是不同的。
该镜范样品的吸水率与郑州、殷墟、洛阳等地出土的商周古陶范近似,比侯马东周陶范的吸水率(24.2%)大得多,表明该镜范的致密度不是很高,材料比较疏松,断面的孔隙较多。

6  烧成温度
    古陶范的烧成温度可在高温膨胀仪上进行测定。将样品制成5×5×35mm的长条,然后置于该仪器上加热,记录其膨胀曲线。当加热温度到达样品原来的烧成温度时,膨胀曲线的走向会发生一定的变化,此时的温度即是原来的烧成温度。
经检测知该镜范的焙烧温度大约是850±20℃,与大部分商周古陶范的烧成温度接近,即在方解石分解的温度之上,而未达到烧结温度。方解石在850-900℃时分解成氧化钙和二氧化碳,因此焙烧到这个温度以上即有大量气体逸出。用这样的陶范浇注铸件,就不至于产生由于发气量大而导致的缺陷。同时,由于远未达到950-1000℃的陶化温度,所以避免了由此产生的缺陷。由此可见该镜范的烧成温度处在一个较为合适的范围之内。

7 黑色表面层分析
(1)成分分析
对陶范表面黑色层的成分进行检测,检测单位:清华大学化学分析中心,检测仪器:日本岛津产XRF-1700型波长色散X荧光光谱仪,所得结果见表3
表3  镜范表面层化学成分分析(%)
检测
部位
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
PbO
SnO2
CuO
P2O5
K2O
 
TiO2
MgO
MnO
SO3
其它
总量
表面层
37.47
9.54
16.31
11.85
14.54
1.44
1.07
1.79
2.50
1.50
 
0.61
0.58
0.79
99.98
内部
72.07
8.77
9.54
2.65
 
 
0.19
1.63
3.51
 
0.83
0.42
0.13
0.26
100.00

    相比而言,表面层比基体多了很多金属氧化物,Pb、Sn和Cu均是青铜合金元素,此外,Zn、Bi也均是青铜器内常见的杂质,由此可见,这一表面层应是合范浇注时高温的液体青铜流经陶范表面时形成的,铅是极易发生偏析而富集在金属表面的元素,故陶范表面层中的铅元素含量大大高于铜和锡。由于设备的局限,未能测出是否含有碳等轻元素。但是表面层中的硫元素的含量高于内层,可能是浇注之前经过烟熏的缘故,这种状况在未经浇注的商代殷墟陶范中有发现,可能是起脱模的作用。表面层中Fe的含量也较高,我们曾在曲村青铜器表面层的成分检测中发现呈黑色或铅灰的表面层内含Fe较高,而这样颜色的表面在铜镜中是很常见的。因此,我们认为这层表面层是在浇注过程中,部分金属原子扩散入较为松散的陶范表面形成的氧化层。此外,该表面层的CaO以及土壤中常见的其它组分含量较高是长期埋藏土壤的附着造成的,而K2O含量低于内部则是由于该范的泥料里混有稻壳灰的缘故。

(2)样品的断面微区分析
    为进一步了解其表面层和基体之间的关系,我们取镜范的横截面样品,该样品包括黑色的表面层和基体的一部分,对其进行分析检测。样品的显微结构见图2。
检测单位:清华大学摩擦学国家重点实验室扫描电镜室。
检测仪器:OPTON公司产的CSM950型扫描电镜能谱分析仪。

    由上图我们可以看出,该表面层与基体具有截然的分界,没有过渡区域,因此我们可以认为该表面层是浇铸时迅速形成的。其成分也充分显示出差异,见表4。

表4 镜范横截面不同区域的成分(重量比,%)
测试号
1
2
3
4
平均值
密度(g/cm³)
1.08
1.08
1.07
1.06
1.07
吸水率(%)
51.5
51.4
52.0
53.5
52.1

    这个检测结果进一步证实了表面层与基体成分的差异,表面层中金属元素与陶范基体的非金属元素共存于表面层中证实了我们对于该表面形成是由于浇铸时金属原子扩散入陶范基体的的设想,基体的氧化钾含量较高说明的确曾加入稻壳灰。

二 分析与讨论
通过上面的各项检测,我们发现该镜范表面纹饰清晰,具有良好的可雕性,同时耐火度和化学稳定性足够、焙烧和冷却时变形量小,密度小,以下将讨论其范料组成及处理制作工艺。
1   镜范为就地取材,另加入稻壳灰。
从该镜范的材料组成与当地原生土的化学成分比较来看,该镜范的原料很可能是一种含有较多粘土的细颗粒黄土,与粗颗粒黄土相比,含有较多的Na2O和K2O以及较少的CaO和MgO,而且具有更好的成型性能。这种黄土也属于当地含伊利石的易熔粘土范畴,是原料精选的结果。此外,该镜范的成分中二氧化硅含量很高,大大高于当地的原生土,甚至高于新石器时代的夹砂陶器6。这种陶范二氧化硅含量高于陶器的现象,至迟从二里岗早期就已开始7。这说明另行加入了含二氧化硅较高的物质。有研究表明商周陶范多采用地表下的原生土,另行加入二氧化硅高的材料,比如细砂等。该镜范的二氧化硅含量甚至大大高于商周陶范,而且未另行加入细砂。XRD分析表明镜范内含有大量非晶态的二氧化硅。经植硅石检测发现有意加入了大量稻壳灰,由于植硅石的主要成分是二氧化硅,所以如此之高的二氧化硅含量主要是由于加入大量稻壳灰的缘故。
    早期陶器中有夹炭陶,是在泥料中加入稻壳灰,目的在于减少陶器坯体的干燥收缩与烧成收缩,改善陶器的耐急冷急热性能,以适合烧灼之用8。在陶范的泥料中加入的稻壳灰,同样可以提高陶范的耐火度,降低热膨胀率,同时也有减少泥料干燥收缩、开裂变形的作用。

2  稻壳灰的加入,改善了充型性能。
    有研究表明,在理想数学模型条件下,对同一类器物来说,液态金属充型能力l与蓄热系数b2之间有下列关系:
    l∝1/ b2
    b2越小,充型能力越强,由于古陶范大多数透气性不良,故b2的数值更具有决定性的影响。由于b2=√C2ρ2λ2(C2是比热;ρ2是密度;λ2是导热系数),若铸型的C2、ρ2、λ2的数值较小,则b2小(当C2ρ2λ2的乘积大于1时),因此充型能力强。当古陶范加入植物灰时,陶范的密度降低很快、在高温时范料的比热、导热系数均有降低,从而降低了蓄热系数,改善了充型能力。因此古陶范在透气性不良的情况下,仍可铸出轮廓清晰、纹饰纤细以及器壁较薄的器物9。
    由于该镜范样品加入了大量稻壳灰,因此密度降低很大,即使比热和导热系数降低得不多,充型能力的增加也是明显的。因此该镜范可以用以制作含有很精细的花纹的镜背。
    是否另行加入植物灰质,可以通过陶范与原生土内的植硅石的种类和含量的差别来确定。由于土壤中含有的植硅石是多种多样的,一般不会有某一种植硅石占绝对优势。因此,我们认为,不能简单地比较数量的多寡,而应主要看是否陶范内含有种类较为单一的植硅石。郑州二里冈陶范、洛阳西周陶范、新郑郑韩陶范、殷墟陶范的植硅石,几乎都与其当地原生土一致,这说明未另行加入植物灰质;而苏南西周陶范则加入了一定量的稻壳灰,东周的侯马陶范含有大量寒冷地区早熟禾亚科的草类植物灰,而且还有较大量的炭屑10。而这件西汉的镜范竟然添加了在数量上远远大于侯马陶范的植物灰,说明人们对在制陶范的泥料中加入植物灰的作用的了解,是随着不断的实践逐渐深入的。至今苏南地区传统泥型铸造所使用的泥型,仍是以当地的泥为主,加入大量的砻糠灰或稻壳灰,可见这一工艺的实际意义。

3 镜范的焙烧温度较低,但有其上下限。
    该镜范的焙烧温度为850±20℃,远远低于950-1000℃的陶化温度,这是有别于制陶术的重要特点。因为陶范烧结后可能使铸件产生大量缺陷,比如热裂、轮廓不清、气孔、变形量大、不易成形、极难脱范等缺陷,因此陶化后的陶范一般是废弃不用的11;该陶范已基本达到850-900℃的方解石分解温度,大量的二氧化碳气体已经分解逸出,因此发气量减少,这对于铜液能够流畅地充填陶范内腔以及避免铸件产生侵入性气孔都极为重要。此外,该镜范的氧化钙含量本来就较低,因此不需要过高的焙烧温度。由此可见,焙烧温度有一定的范围要求:其上限是没有达到烧结点,下限是使陶范有足够低的发气量,足够高的干强度,并且要达到热范浇铸所需要的温度。此外,陶范在焙烧时必须保持受热均匀,以最大程度减小变形量,尽量保持原状。该镜范虽经浇铸,依然表面纹饰清晰、形状规整,丝毫没有变形,可见镜范的制作承袭了一直以来的商周古陶范的焙烧工艺规范。
   
4 镜范表面的黑色层是浇铸后形成的。
    对于古代的陶范,很多人假设表面有涂料,起脱模剂的作用,但从未经检测证实,有人认为陶范的表面可能经松烟熏过。该镜范表面均布的黑色物质,经检测发现主要是含有大量金属氧化物,比如Pb、Sn和Cu的氧化物等,此外还含有Zn、Bi等青铜器内常见的杂质,由此推断这一表面层是合范浇注时高温的液体青铜流经陶范表面时形成的,扫描电镜的微区分析也证实了这一点。铅是极易发生偏析而富集在金属表面的元素,故陶范表面层中的铅元素含量大大高于铜和锡。表面层中Fe的含量也较高,我们曾在曲村青铜器表面层的成分检测中发现呈黑色或铅灰的表面层内含Fe较高,而这样颜色的表面在铜镜中是很常见的。因此,我们认为这层表面层是在浇注过程中,部分金属原子扩散入较为松散的陶范表面形成的氧化层。由于设备的局限,未能测出是否含有碳等轻元素。但是表面层中的硫元素的含量高于内层,可能是浇注之前经过烟熏的缘故,这种状况在未经浇注的商代殷墟陶范中有发现,可能是起脱模的作用。但是由于该镜范已被浇铸过,因此我们不能得出肯定的判断,还需要作进一步的分析和研究。

参考文献
1 何堂坤:《中国古代铜镜的技术研究》,102-106。
2 廉海萍:《中国古代铸造技术概述》,《上海博物馆文物保护科学论文集》,上海科学技术文献出版社,1996。
 谭德睿:《中国青铜时代陶范铸造技术研究》,《考古学报》,1999年2期。
3 李家治:《第一章  中国陶器和瓷器工艺发展过程研究》,《中国古代陶瓷科学技术》,上海科学技术出版社,1985年。
4谭德睿:《商周青铜器陶范处理技术的研究》,《自然科学史研究》第5卷,第4期(1986),346-360。
5谭德睿,黄龙:《商周青铜器陶范材料研究》,《上海博物馆文物保护科学论文集》,上海科学技术文献出版社,1996。
6周仁、张福康、郑永圃:《我国黄河流域新石器时代和殷周时代制陶工艺的科学总结》,《考古学报》,1964年1期。
7 同〔4〕。
8张福康:《中国新石器时代制陶术的主要成就》,《中国古代陶瓷科学技术成就》,上海科学技术出版社,1985年。
9谭德睿:《中国青铜时代陶范铸造技术研究》,《考古学报》,1999年2期。
10 同〔9〕
11 同〔3〕。

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