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。［3］［4］［5］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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号矿层。紫泥产于厚度为8米左右的Ⅲ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0.02～0.1mm，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3～5％；长石：柱状，已风化成高岭石，含量1～2％；硅持岩屑：粒度0.10～0.15mm，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25～30％，水云母及绢云母：鳞片状，含量3～5％，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0.1～0.2ц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SiO2Al2O3FeO·FeO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1150～1180℃（光学高温计），（三角测温锥批示温度为1200～1270℃），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1150～1180℃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。
