陶瓷的美和化学

摘要 陶瓷是艺术品,陶瓷美的形成与化学有着密切的关系。胎体原料不同、釉料配比不同、温度控制不同和材料工艺的改进,造就了陶瓷的形态美、品质美、色彩美和性能美。随着时间的不断流逝和历史的沉积更是使陶瓷蕴含了丰富的文化美。

关键词 陶瓷的美 胎体原料 釉料配比 现代陶瓷

法国雕塑家罗丹曾经说过:“美是到处都有的,对于我们的眼睛,不是缺少美,而是缺少发现。”陶瓷与人类的生活息息相关,生活中处处都有它的影子。陶瓷不仅是实用品而且是艺术品,在陶瓷艺术品中散发着美学情趣,在陶瓷工艺中散发着艺术的想象性和创造性。陶瓷以它无可替代的风姿和品格在美学园地里迸发出引人注目的光辉,沟通着生活与美之间的联系。

人们每每谈到美学和美感,想到的总是文学、音乐、美术和舞蹈,好像自然科学与美学是风马牛不相及的2个领域,但是事实并非如此。“从根本上来说,美学是一门理性和科学的学科。”“艺术作品在某些方面是一种物理和化学现象;在某些方面是一种社会和经济现象;而在其他方面又是一种心理现象。”[1]美的形成与自然科学是密切相关的,本文即将揭示形成陶瓷美的化学原因,探究陶瓷美的化学内涵。

1 胎体原料不同,造就形态美

从化学的角度看,陶瓷是用陶土或瓷土2种不同性质的黏土为原料,经过配料、成型、干燥、焙烧等工艺流程制成的器物。以瓷土为例,随着温度的变化,原料在烧造过程中会发生一系列的化学变化,使得陶瓷胎体的结构发生变化,造成陶瓷的形态美。其中的化学变化可以由下面的化学反应方程式来表示:

Al2O3•2SiO2•2H2OAl2O3•2SiO2+2H2O

2Al2O3•2SiO22Al2O3•3SiO2+SiO2

3(2Al2O3•3SiO2)2(3Al2O3•2SiO2)+5SiO2

原料的配比不同,会使成型陶瓷胎体的内部结构不同,造成性能和品质不同,从而产生不同的形态美。陶瓷原料的结构发生变化最终形成了作为陶瓷胎体内部骨架的莫来石(3Al2O3•2SiO2)结构,有的发育较差,成鳞片状莫来石;有的发育较好、排列整齐,成人字形莫来石。莫来石结构是陶瓷具有一定硬度的原因。

陶瓷结构中晶相和玻璃相的生成需要不同的材料,如高岭土或黏土能生成莫来石晶相;石英原料能生成石英晶相;氧化铝或高铝原料能生成刚玉晶相;长石、滑石和钙镁的碳酸盐等熔剂原料能生成玻璃相。不同的配料比会对生成的晶相及其含量有很大影响,构成陶瓷的主晶相及其含量不同对陶瓷材料的强度有明显的影响。如以氧化铝或高铝原料制成的陶瓷,经高温烧结后主晶相都是刚玉相,能表现出很高的强度。

原料的纯度不同也会造就陶瓷不同的形态美。陶器的胎料一般是普通的黏土,含铁量在3%以上;瓷器的胎料主要是瓷土(高岭土),含铁量一般在3%以下。瓷器中含铁量越高颜色就越深,由绿逐渐到黑,反之,颜色就越白。当胎料和釉料中的含铁量在1%以下时烧成的瓷器就是白瓷。隋唐五代时期,由于当时南、北方的瓷器原料含铁量不同,形成了中国瓷器史上“南青北白”[2]的局面。唐人陆羽在《茶经》中写道:“邢瓷类银,越瓷类玉……若邢瓷类雪,则越瓷类冰……”,形象的说明了由原料纯度不同引起的陶瓷形态美的不同。

陶瓷胎体原料的选材不同也能造成陶瓷不同的形态美。景泰蓝就是因胎体原料的变化形成了不同于一般陶瓷的品质。景泰蓝制胎的材料有金、铜2种,作为一种工艺美术品,它的制作既运用了青铜和瓷器工艺,又溶入了传统手工绘画和雕刻技艺,一般会在铜胎表面上以各色珐琅质涂成花纹,花纹的四周嵌以铜丝或金银丝,成品堪称中国传统工艺的集大成者。因此,与一般陶瓷相比,景泰蓝不仅更圆润坚实,也更加典雅雄浑、富丽堂皇。

2 釉料配比不同,造就色彩美

当我们看一件陶瓷器皿时,除注意造型,其表面美丽的釉色总是特别引人注目,它是陶瓷艺术美的重要因素。

釉是利用天然矿物原料及某些化工原料按比例配合,在高温作用下熔融而覆盖在坯体表面的富有光泽的玻璃质层。釉层形成的化学反应类似于玻璃的形成,而釉色主要取决于釉中所用的呈色剂——金属氧化物。

瓷釉按釉中的呈色剂来分,常见的有铁红釉、钴蓝釉、铜红釉等,它们分别以铁、钴、铜等元素作呈色剂。此外,锰是紫色的呈色剂、钒是黄色的呈色剂、砷是粉彩的主要呈色剂。可以看出,其中大部分元素都属于过渡元素,这是因为原子d轨道的分裂导致多数过渡元素具有颜色;多数过渡元素具有可变的价态,同一元素可形成不同颜色;金属离子配体不同,配位数不同,也呈现不同的颜色。如钴、镍、铜、铁、锰、铬等金属氧化物的金属离子。釉料的呈色离子因熔剂组成不同,以不同化合价处于玻璃相的熔剂之中。在硅酸盐中,金属离子与周围的氧离子构成多面体,如四面体、正八面体,配位数不同,呈色也不同。如Cr3+六配位化合物呈现绿色,Cr6+的四配位化合物呈现黄色;Fe3+四配位化合物呈现浓褐色,六配位化合物呈现淡黄色和赤色;Fe2+六配位化合物呈现青绿色。

釉料的含量不同,也会造就不同的色彩美。以青釉为例,其主要呈色剂是铁。Fe2O3在1100℃、还原气氛中被还原成氧化亚铁,同时与坯体中的二氧化硅等生成浅色的低熔点Fe2+六配位化合物硅酸亚铁,呈淡青色。但青色却各不相同,有“粉青”、“绿豆色”、“生菜色”、“梅子青”、“天青”等。研究表明这与青釉中Fe2+、Fe3+的浓度及比例有密切关系。Fe2+浓度大,颜色偏墨绿,Fe2+浓度小,颜色偏浅绿,Fe2+/Fe3+比值高,釉色偏蓝;Fe2+/Fe3+比值低,釉色偏黄绿。另外,颜色的深浅还与釉层的厚度、SiO2/Al2O3比、CaO/K2O比、烧成温度、烧成气氛、烧成时间及釉的熔融状态等有关,种种化学因素的变化形成了越窑青瓷具有“千峰翠色”的美谈。

3 温度控制不同,造就品质美

在陶瓷的烧制过程中,火候的掌握至关重要。烧窑时由于温度的上升速度、火焰的性质以及冷却方法等不同,同样的原料在同一温度下烧制,也会出现各种不同品质的陶瓷。

在没有测量温度仪器的古代,陶瓷烧制温度的控制可以说是一项重要的技艺。有经验的窑工会依照火焰的颜色、黏土在火焰中的表象去分辨、判断温度。明代著名的《天工开物》中有对烧砖火候控制的约略描述:凡砖成坯之后,装入窑中,所装百钧则火力一昼夜……凡火候少一两,则锈色不光。少三两,则名“嫩火火砖”,“本色杂现,他日经霜冒雪,则立成解散,仍还土质。火候多一两,则砖面有裂纹。多三两,则砖形缩小拆裂,屈曲不伸,……”。烧瓷也是如此:低温烧结的长石质瓷结构中的莫来石为鳞片状莫来石,且数量不多,因而强度不高;高温烧结的强化长石质瓷主晶相是互相交织成鸟巢状的针状莫来石和高强度的刚玉相,瓷坯的强度得到了较大幅度的提高。

温度的控制对釉色影响更大。不仅不同的釉料在不同温度和烧成气氛下烧成的釉色不同,相同的釉料在不同温度和气氛下,也会呈现不同的颜色。如铁元素的釉料:氧化铁引入的形态通常是红色的三价氧化铁,在氧化气氛下、1230~1270℃以上,Fe2O3是稳定的,如果温度继续升高,在1250～1370℃时Fe2O3分解生成Fe3O4和FeO,呈现黑色或者黄色;在还原气氛下,1100℃时氧化铁被还原生成氧化亚铁,同时与坯体中的二氧化硅等生成浅色的低熔点的硅酸亚铁,呈淡青色的色调。烧制温度和时间不同,含有原子状态色料的玻璃釉质会呈现出不同的颜色。这是造成宋代五大名窑之一的钧窑出现“窑变”瓷器珍品的主要原因。通常含有原子状态色料的玻璃釉质是无色的,欲使其着色,必须使溶入的色料结晶出来,将玻璃釉质经过第二次热处理(加彩)。着色的深度决定于热处理的温度和时间。以铜为例,不同的烧成气氛下,在玻璃釉质内可呈CuO(绿色)和Cu2O(红色结晶粉末)或铜原子(无色)的形式。含Cu2O或铜原子的无色玻璃釉质,经过热处理后能成为胶体金属铜状态而变为深红色,这时温度过高会使铜挥发,过低则使得颜色不鲜艳,窑内温度的无常变化对窑变珍品的产生起了至关重要的作用。

4 材料工艺改进,造就性能美

传统陶瓷到现代陶瓷,由于材料工艺的改进,性能有了翻天覆地的变化。从传统的块体材料发展到纳米粉体、纳米管材、纤维材料和薄膜材料,制作陶瓷的原料不再局限于用黏土、长石、石英等传统原料,而是使用了其他特殊原料,甚至扩大到非硅酸盐,非氧化物的范围,并且出现了许多新的制作工艺,使得现代陶瓷具有了传统陶瓷所没有的特殊性能——高强度、高硬度、导电、绝缘、相变蓄热以及在声、电、光、磁等方面的特殊功能,它不再只是作为日用品、装饰品和建筑材料,在高温、电子、能源、机械、生物、航天等方面也得到了广泛的应用,造就了丰富多样的性能美。

以生物陶瓷为例,代表性材料有羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷、玻璃陶瓷、生物活性陶瓷等。如合成的羟基磷灰石中钙磷比率约为1.67,密度为3.16 g/cm3,机械强度大于10 Mpa。由于它们的结构与生物骨组织相似,对生物无毒,无刺激,相溶性好,不被吸收,能诱发新肉的生长,医学上可以用来制造人工牙、人工骨、人工关节等人工器官和人体硬组织,进行人体器官或组织的修补。

传统陶瓷大多具有优异的电绝缘性,而新型导电性能的陶瓷材料具有非常广泛的导电区间,有半导体、导体和超导体。半导电陶瓷属离子型半导体,是对某些特殊的带电离子具有传导作用,最具有代表性的是稳定氧化锆和β氧化铝。稳定氧化锆对氧离子具有传导作用,主要产品有氧传感器、氧泵和燃料电池。β氧化铝对钠离子具有传导作用,主要用来制造钠-硫电池,其特点是高效率、对环境无危害、可反复充电。氧化锆陶瓷具有耐高温、抗氧化性能,在纯氧化锆中加进10%的氧化镱就可以制成导电陶瓷,它能像金属那样把电能转变成热能,并能发光。氧化镁掺杂氧化铬制成的陶瓷是一种导电的抗腐蚀性材料,特别适合于做高温腐蚀情况下能量转换装置中的电极涂层。目前,人们也发现不少陶瓷具有超导性,如1986年美国科学家发现了镧-钡-铜氧化物具有临界转变温度为35 K的高温超导性;1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现临界转变温度为90 K的超导电性,突破了液氮的“温度壁垒”(77 K),使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

除此之外,陶瓷基复合材料利用金属的良好塑性弥补了陶瓷的脆性,综合陶瓷与金属的优异特性于一体;陶瓷薄膜材料以金属氧化物、氮化物、碳化物或金属间化合物等无机物为原料,采用特殊工艺在块体材料表面沉积或制备的0.01微米到数微米的一层或多层与块体材料完全不同的物质层,具有耐磨、耐蚀、耐高温和抗微生物侵蚀等性能,在航天、化工机械、生物医学等行业获得了广泛的应用;纳米陶瓷则是利用纳米技术开发、制备的陶瓷材料,它使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提

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