全文搜索:
加入收藏 | 联系我们
当前位置:首页 >  科技前沿 > 工业科技
青铜国宝火了,那青铜又是什么“铜”?
作者:日照科普网  点击次数:2191  发布时间:2018-01-08 11:17:44

  提要:走近青铜国宝,探寻那些关于青铜的故事……

  随着央视综艺《国家宝藏》的热播,那些躺在博物馆的青铜国宝火了起来。

  千年不腐而又锋利无比的越王勾践剑,演绎了一个关于青铜文明的千年传奇;肃穆凝重而又活泼可爱的妇好鴞尊,则浓缩了一个女将军的传奇人生;纹饰精美而又寓意深刻的云纹铜禁,则向世人宣告古代中国的失蜡法工艺是领先于世界的……

  然而,人们不禁会问,都说青铜国宝,那青铜又是什么“铜”呢?

  

 

越王勾践剑,春秋晚期越国青铜器,国家一级文物,1965年冬天出土于湖北省荆州市江陵县望山楚墓群中。现存于湖北省博物馆。

  青铜国宝,青铜可是纯铜?

  据考证,铜是人类利用化学方法取得的最古老金属之一。1933年,科学家在河南省安阳县的殷墟挖掘中发现了我国古代冶炼铜的遗址,其中就有18.8千克的孔雀石。

  孔雀石是一种含铜的碳酸盐矿物,化学式为 Cu2(OH)2CO3,因其颜色酷似孔雀羽毛上斑点的绿色而得名。孔雀石中的碳酸盐在高温条件下,经分解和还原就可以制得金属铜了。

  这种金属铜就是我们通常所说的纯铜。由于纯铜的颜色为紫红色,因此又名紫铜、赤铜、红铜等。

  

 

第29号 化学元素——铜

  据悉,铜在地壳中的含量并不大,大概不超过0.01%。但是,含铜的矿石还真是不少,如黄铜矿﹑辉铜矿﹑黝铜矿﹑蓝铜矿﹑孔雀石等。中国开采的主要是黄铜矿(铜与硫、铁的化合物),其次是辉铜矿和斑铜矿。

  既然我国在很早之前就掌握了纯铜的生产技术了,那么为什么商周时期的青铜器不用纯铜铸造呢?

  

 

《天工开物》中的炼铜炉

  原来,人们在使用了一段时间的纯铜器件之后,发现了纯铜的一些弊端。因为纯铜的质地比较软,非常容易弯曲,所以铸造刀剑、工具及器物是不用纯铜的。

  上下求索,拥抱青铜文明

  商周时代是我国青铜器的鼎盛时期,青铜冶炼和制造已经达到了炉火纯青的境界。

  我国古代冶金技术的进步,凝聚了我国古代劳动人民的智慧。我国大约在四、五千年之前就开始利用纯铜了,并有了初始的青铜冶炼技术。

  其实,我们的祖先为了解决铜质工具或器物柔韧有余、硬度不足的问题,进行了极其漫长的探索。

  

 

  云纹铜禁系春秋时期青铜器物,1978年出土于河南淅川下寺。这是我国目前发现体积最大、时间最早的失蜡法铸件,因此是我国冶金史上的一个里程碑。(网络图)

  人们发现,铜锡合金的质地要比纯铜坚硬得多,因此制成的工具和武器也就锋利多了。在历史上,人们把这种铜锡合金(也可以含有铅)叫做青铜,或者叫锡青铜,以区别于其他的特种青铜。

  目前,我国已知最早的青铜制品是1975年在甘肃东乡林家马家窑文化遗址中出土的一件青铜刀。这是我国进入青铜时代的标志之一。我国长达十六个世纪的青铜时代,创造了举世瞩目的“青铜文明”。

  越王勾践剑是我国青铜时代的巅峰之作,留给后世很多谜团。1977年,有关部门对越王勾践剑的合金成分进行了无损检测,结果发现其中除了铜之外还有较高的锡含量。

  铜锡之约,铸就千古佳缘

  在铁器出现之前,我国曾有过一个大规模使用青铜器物的时期,在历史上被称为 “青铜时代”。在这其中,锡扮演了极其重要的角色。然而,锡作为一种既怕冷又怕热的金属,它又是如何赋予青铜器物以强大生命力的呢?

  下面我们就来看看锡的有关资料吧。锡在自然界是以锡石矿物的形式存在的,锡石的主要成分为二氧化锡,在高温条件下用碳还原可以制得金属锡。

  锡是一种银白色的金属,在常温下不易被氧化,常保持银闪闪的光泽。用锡制成的锡器,具有“色如银、亮如镜、声如磬”的特点。但它是一种既怕冷又怕热的金属,在不同的温度下,锡的形态完全不同。

  锡在13.2℃~161℃的温度范围内性质最稳定,叫做“白锡”。当温度下降到13.2℃以下时,锡会逐渐变成煤灰般松散的粉末,叫做“灰锡”。当温度超过161℃时,它又会转变成具有斜方晶系晶体结构的斜方锡,一敲就碎,展性很差,叫做“脆锡”。

  就是这样一种十分娇气的金属,却在青铜中发挥了非同寻常的作用。对于青铜合金来说,锡的加入可大幅度提高合金的弹性、强度、硬度等,同时赋予材料更多的优良性能,如冲击时不产生火花,具有良好的减摩性、抗磁性及低温韧性。同时,青铜合金在大气和海水中具有很高的化学稳定性。

  至于我国何时开始生产纯锡尚不得而知,但从先秦一墓葬器物中发现的一件含锡99%的锡鱼来看,则说明至少在西周时期我国就已掌握了冶锡技术。

  那么,古人在配制锡青铜时是如何添加锡的呢?可能的方式有三种,一种是把金属锡和金属铜一起熔化;二是把金属铜加到锡矿石中共热;三是把铜矿石和锡矿石(或者铜锡共生矿)一起冶炼。

  

 

炼锡炉

  有人认为,人类最早使用的锡青铜可能是由混有铜和锡的矿石直接冶炼取得的,如黄锡矿和铜锡石就同时含有铜和锡。但是,后来在生产中如何加锡就可能是据需而为了。

  铜锡合金,为何叫做青铜?

  青铜制品乃铜锡合金所制,那为什么铜锡合金被冠以青铜称号呢?纯铜的颜色为紫红,纯锡的颜色为银白,而铜锡合金的颜色一般呈青灰色,因此得名“青铜”。

  其实,青铜的颜色也会因锡的含量不同而存在差异。随着锡含量的增大,青铜的颜色依次出现红、橘黄、黄、浅黄、银灰等颜色。

  

 

越王勾践剑黄白色复原图

  青铜器表面发生锈蚀时颜色也会发生变化,一般轻度的表面锈蚀呈现最多的为青黑色。

  铜的颜色多变,不同的铜化合物具有不同的颜色,不同的铜合金也具有不同的颜色,因此可以通过颜色来判断铜的存在状态或合金的成分。

  你听说过白铜吗?它可是一种很漂亮的材料呀,公元前一世纪我国就知道制造白铜了。在我国古代通常用白铜装饰器具,看起来银光闪闪的,而且不容易生铜绿。那么,白铜为何物呢?原来,白铜就是铜镍合金。

  我们通常所说的“黄铜”,其实并不是真正的纯铜,而是一种铜锌合金。铜锌合金因色黄而得名黄铜,在古代大多用来制作乐器,敲起来的音响非常好听。但由于含锌量的不同,黄铜的颜色也有所不同。工业上所用的黄铜大多含锌量在45%以下,所以常见的黄铜大都是黄色的。

  传世经典,君可知《考工记》?

  由金属铜与锡制成的青铜,是一种具有金属特性的物质,但具有不同于金属铜和金属锡的新的物理化学性能。

  比如,青铜的熔点比纯铜低,硬度却比纯铜高。那么,铸造青铜器在铜、锡比例上是否也有某些说法呢?

  关于这个问题,我们可以从《考工记》中找到一些线索。那么,《考工记》为何方圣典呢?原来,《考工记》是我国古代一部重要的科学技术文献,记述了齐国关于手工业各个工种的设计规范和制造工艺。

  

 

  妇好鸮尊为商朝晚期青铜器物,1976年出土于河南殷墟宫殿宗庙遗址妇好墓。这是我国发现最早的鸟形酒尊之一,采用猫头鹰的造型自然是让其成为“战神”的象征。(网络图)

  《考工记》中记载了“六齐”配方,因此是一本生产技术的档案。该书主体内容编纂于春秋末至战国初,部分内容补于战国中晚期。

  那么,什么是“六齐”呢?原来,“六齐”也被称为“六剂”,分别为钟鼎之剂、斧斤之剂、戈戟之剂、大刃之剂、杀矢之剂和鉴燧之剂。

  

 

《考工记》中记载了六种器物的合金成分配比

  用现在的白话来讲,“六齐”配方分别是指铸造钟鼎、生产工具、戈戟兵器、刀剑兵器、箭簇以及铸造铜镜(或阳燧)的合金配方。这是世界上最早的一份关于青铜合金配比的技术文献。

  炉火纯青,科学价值何在?

  在我国,有一个成语叫做“炉火纯青”,比喻功夫达到了纯熟的程度。那么,你知道这个成语的来历吗?有人认为,“炉火纯青”就来源于青铜冶炼。

  《考工记》记载:“凡铸金之状,金与锡,黑浊之气竭,黄白次之,黄白之气竭,青白次之,青白之气竭,青气次之,然后可铸也。”其实,这段话讲的是铜锡矿石在冶炼过程中发生的化学变化。

  

 

古代匠师铸造青铜器

  《考工记》中的“金”指的是“铜”。在熔炼矿石时,借助高温去除矿石中的杂质,是一个逐渐反应的化学过程。矿石原料中的木炭、树枝等物质最先反应燃烧,烟气为黑色;接着矿石原料中的硫化物开始燃烧,烟气为黄白色;再往后矿石原料中的氧化物开始燃烧,烟气为青白色;最后烟气就会呈青色了。

  这里的烟气呈青色,就是所谓的“炉火纯青”了。“炉火纯青”表示矿石原料中的杂质已基本去除,可以用于铸造了。在古代,没有测量温度的仪器,也没有检测分析手段,全凭实践经验进行操作。其中对于火候的观察就是一个诀窍,以此来判断熔炼是否成熟。

  从现代科学的角度来讲,古人观察火候的方法是具有一定科学道理的。矿石原料在加热过程中会发生一系列的物理化学反应,诸如某些物质的分解、化合以及蒸发等过程,一般会产生不同颜色的气体,以此来判断熔炼是否成熟。不过,这不是任何人都能做到的,只有经验丰富的匠师才能达到这样的境界。

  走近青铜国宝,既是一次阅读,一次聆听;更是一次探寻,一次升华!


【回顶部】 【打印本页】 【返回】    
科普热点
最近更新
关于我们  |  联系我们  |  设为首页  |  加入收藏  |  网站访问量:3165