一、最早的人工材料制品——陶器

1976年，考古工作者在河北武安磁山新石器文化遗址试掘中，发掘出716件遗物，其中有陶器144件，包括盂、罐、碗、钵、盘、簋、杯、支架、三足器、四足鼎及纺轮等。它们绝大多数为夹砂红陶，部分器具有纹饰，基本都是手制，陶质粗糙，造型简单（见图1-1），烧成温度较低，在770~930℃之间。据碳-14测定，磁山陶器的年代约为公元前5405—前5110年。

1977年，考古工作者对位于河南新郑裴李岗村西的新石器时代文化遗址进行了试掘，其中发现比较完整的陶器21件，有壶、鼎、罐等，分为泥质红陶（见图1-2）和夹砂红陶两大类。这些陶器全部为手制，大多采用泥条盘筑法，部分陶器仍可以看到泥条痕迹，大部分都经修整打磨，虽然陶胎较薄，但薄厚不均。从陶片来看，使用的陶土似经过选择和淘洗，陶质细腻，掺和料均匀，制作还算精细。刚出土时，陶质松软、易碎，这可能与久埋地下严重吸潮有关。经测定，其烧成温度为900~960℃。据碳-14测定，这些陶器的年代约为公元前5495—前5195年。

在华南地区的新石器时代的遗存，由于自然环境的关系，主要发现于洞穴和贝丘地带，湖南道县玉蟾岩、江西万年县仙人洞、广西桂林甑皮岩都是其中的典型。例如江西万年县仙人洞遗址的下层中出土的陶器，全部为粗陶。它们质地疏松，所掺入的石英颗粒大小不等；手制，胎壁不匀，内壁凹凸不平；烧成温度低，以红褐色为主，往往在一块陶片上出现红、灰、黑三种颜色——这是陶窑结构欠佳，气氛和烧成温度控制不好所致。由于出土的陶片过于破碎，很难拼成完整的器形。从拼粘情况来看，大多为圆底罐类。烧成温度在680℃左右。据碳-14测定，这些陶片为距今12430±80年的遗存，是目前世界已知发现的最早的陶器。经专业人士修复的万年前的仙人洞陶器如图1-3所示。

浙江余姚市河姆渡文化是目前长江下游已发现的年代较早的一种原始文化。其陶器制作也较原始，手制、胎质疏松，器壁粗厚，造型不规整，烧成温度低，在800~900℃之间。下层出土的陶器主要是夹炭黑陶（见图1-4），这是当时的人们为了减少黏土的黏性以及因干燥收缩而引起开裂，有意识地掺入植物茎叶或稻壳所致。这较后来使用砂粒做掺和料还显得原始。

以上几处出土的陶器都出自反映中国新石器时代文化的代表性遗址，应是一批年代较早的陶器文物。尽管这些陶器的制作具有明显的原始性，但还不是最原始的制陶产品。因为更原始的陶器，由于制作粗放，特别是烧成温度较低，很难在地下长期完整地保存下来。所以说陶器的发明应在这之前，也就表明中国先民掌握制陶术至少已有数万年的历史了。

黏土是某些岩石风化的产物，由云母、石英、长石、高岭土、多水高岭土、方解石以及铁的氧化物、有机物组成。它是地壳表面最常见的物质材料，也是人类最早打交道的无机化合物的混合物。陶器是由黏土烧烤而成的，是人类使用黏土、改造黏土的一项重要成果。陶器的烧成与原先人类对石器、木器、骨器的加工不一样，后者只是改变了自然物的形状，而没有改变它的本质，前者则是以自然物为原料，通过人造高温的化学反应而创制出的新材料，不但改变了自然物的形态，而且也改变了它的本质。陶器的烧制过程一般是：用水湿润黏土使之具有可塑性，再将它捏塑成某一器形，干燥后用火烧烤，终成坚硬的陶器。由柔软的黏土变成坚硬的陶器，是一种化学变化。这是因为在高温烧烤中，原先组成黏土的组分会发生一系列复杂的化学变化，包括失去结晶水，晶形转变，固相反应及低共熔玻璃相的产生等。低共熔玻璃相就像黏合剂一样使松散的黏土颗粒团聚起来，从而使制品变得更加致密并具有一定的强度。陶器烧成是一个化学过程，从广义上说，它是人类历史上最早从事的一项化工生产。人类最初有关无机材料的知识积累大多是由黏土烧陶开始的。

当烧成陶器的温度较低时，黏土中的石英、云母颗粒无法完全烧熔，因而在陶片中能看到其颗粒的存在，例如仙人洞的陶片就是这样。又例如河姆渡的夹炭黑陶中，那些掺入的被炭化了的植物叶茎或稻壳仍隐约可见。在这样的温度下，低共熔玻璃相的产生较少，陶器就显得质地疏松，吸水率较高，硬度较差，而且易碎，所以它们很难长期保持完整。从陶器烧成的角度，可以看出上述陶器的原始性。

古人虽然不可能知道陶土在烧成过程中的化学变化，但在实践中，他们已领会到烧成过程是黏土变成陶器的关键。温度高低对陶器的质量影响很大，所以在制陶的实践中，人们不断地改进烧陶方式，从无窑向着有窑方向发展，以提高烧陶的温度。在中国制陶史上的确存在这种从无窑到有窑的发展轨迹。

中国硅酸盐学会曾于1977年组织了一批专家学者，对云南西双版纳一些少数民族村寨的原始制陶工艺进行了考察和研究。他们亲眼看到了留传下来的原始的、从无窑烧陶到有窑烧陶的发展历程：平地露天堆烧→一次性泥质薄壳封烧→竖穴窑或横穴窑烧陶。平地露天堆烧（见图1-5）的操作过程是，先将陶坯置于铺在地上的木柴上面，点火烤干，趁坯体还热，就在陶坯周围架起木柴垒成锥状，利用下面的炭火继续点燃架起的木柴。从点火烘烤到最后烧成，约需两小时，最高温度可达900℃。若用稻草、碎木片为燃料，在烧烤过程中，则要随时添加稻草于陶坯外露处。这种平地堆烧，升温快，烧成时间短，但保温不好，温度也不均衡，热效率低，成品率也不高，经常出现生烧现象。一次性泥质薄壳封烧（见图1-6），则是先在地面上铺上一层木柴等燃料作窑床，接着把预先烘干的陶坯小心地放在其上，四周和顶部围上柴草，外面再用稠泥浆抹上一层，使柴草外面有一层厚约1厘米的泥皮，从而形成“泥质薄壳窑”，点火后，用棍子在窑顶上戳几个洞，以便让烟冒出。这种方法较平地堆烧保温好，温度较均衡，烧成温度一般在800~900℃之间，消耗燃料较平地堆烧要少，热效率高一些。竖穴窑或横穴窑烧陶（见图1-7）则是新石器时期最常见的窑炉烧陶。由于有窑室、窑箅、火眼和火膛，不仅保温好，热效率较高，而且温度均衡，烧成温度可提高到950~1050℃之间，并有利于窑室的气氛控制。

温度控制是实现化学反应的基本条件。烧陶中，达到一定的温度，黏土中的某些化学组分才能完成其化学变化，产生低共熔玻璃相，陶胎基本上达到烧结。陶胎内的各种颗粒不仅会被粘连成整体，而且产生的内部空隙也会大部分被封闭，这样吸水率大大降低，硬度明显增强，陶器的质量就好。若烧成温度低了，就形成了所谓的生烧，陶胎内的物质成分没有完成充分的化学反应，颗粒的黏合水平就较差，空隙就多，硬度较低，吸水率较高，质量显然较差。也有出现温度过高的情况，即出现过烧现象，那么部分过烧的陶器就会因陶胎一些成分被烧熔而变形，甚至塌毁。新石器时代的陶器出现生烧现象较多。

在掌握烧成温度的同时，人们也逐渐认识到了黏土的种类及其选择和加工，对保证陶器的质量也是非常重要的。陶器的制作一般是就地取材，不同地域的黏土的化学组成是不同的，烧成的陶器质量也会不同。这里面的科学内容，古人是不知道的。然而古人根据自己的经验，已认识到制陶的原料应选择那些杂质少、黏性大的易熔黏土。以裴李岗、磁山等出土的陶器为例，当时制陶的原料包括黏土和掺和料，以黏土为主。黏土加水和成泥料，泥料应具有相当的可塑性和凝胶性。所谓可塑性，是指在外力作用下可发生显著形变而不断裂的性质。所谓凝胶性，即在外力作用下或在干燥过程中，坯体不易开裂的性质。实际上，对黏土这两点性能的认识是制陶术产生的前提。在旧石器时代晚期，人们对此已有一些感性认识，这种认识在后来的生产实践中不断地被巩固和加深。运用现代的科学知识来看，可塑性、凝胶性都取决于黏土中氧化铝、氧化硅等某些盐类胶体物质及铁、钙、镁、钠、钾等金属氧化物所造成的电解质盐类间的合理配比，即与黏土的化学组成和化学结构有关。黏土中氧化铝含量高，可塑性会增强，但相应要求的烧结温度也较高。黏土中氧化钙（起熔质作用）含量高，在较高温度下，容易造成坯体变形，影响成品率。另外可塑性也与黏土颗粒的粗细有关。一般来说，砂质黏土由于含有较多的粗颗粒，可塑性就较差，坯体在成型过程中易开裂，只有经反复拍打或滚压后才能消除裂纹。黄河流域的普通黄土，一是杂质多、砂粒多，二是氧化钙含量较高，所以可塑性较差。因此，先民常常选择红土、沉积土、黑土或其他颗粒较细的黏土作为制陶原料。

淘洗可以除去黏土中的粗大砂粒及其他杂质，显著地提高黏土的凝胶性和可塑性。在新石器时期，先民常常采用经天然淘洗的河边冲积土。一般来说，这些冲积土较细，杂质较少。近代人曾直接采用黄河边上的冲积土制陶，烧成的红陶与仰韶文化的泥质红陶很接近。因为制陶都是就地取材，不可能总在河边取材，于是人们创造了人工淘洗陶土的工艺。例如裴李岗文化遗址中就发现有淘洗池。人们还发现，在淘洗中，部分粗颗粒由于水的浸润而会碎裂变细，因此淘洗后的黏土陈放一段时间后，可塑性又会有所提高。因此继淘洗之后陈放也成为一道工序。在陈放中，古人朦胧地意识到，可塑性与水有关，进而认识到可塑性与湿润程度有关，适宜的含水量是泥料具有可塑性的必要条件。先民掌握含水量的方法主要是凭经验：用手捏泥条，既不黏手，又不开裂，并感到有一定韧性，就合适了。从陶瓷工艺学来讲，可塑性只发生在某一最适宜的含水量范围。陈放过程的实质是黏土中一些固态成分在水分子的作用下，变成饱含结晶水的凝胶体。凝胶体的存在是可塑性的化学物质基础。

在使用中，人们逐渐认识到，有掺和料的陶器比没有掺和料的有更好的耐热急变性能，即在温度急剧变化时，陶器不会裂炸。所以在制作陶器，特别是炊具一类的陶器时，人们常加入一些植物的叶茎或稻壳等作为掺和料。这些掺和料在烧制过程中会被炭化。河姆渡的夹炭黑陶（见图1-4）就是很好的例子。在河姆渡文化遗址中，夹砂陶出现在夹炭陶之后，说明采用植物叶茎、稻壳等做掺和料比采用砂粒要早，而采用砂粒做掺和料较叶茎、稻壳效果更好，这是稍后才认识到的。因为当陶器的烧成温度提高后，陶胎中的炭化植物叶茎或稻壳，会进一步被氧化燃烧，最后形成空洞，这不仅影响陶器的观感，还直接降低其硬度。故用砂粒替代植物茎叶或稻壳做掺和料是一种技术进步。在新石器时代的中后期，使用的掺和料主要是砂粒，根据陶器品种的不同，掺入的砂粒的量也有所区别。例如制作炊具类陶器使用的掺和料就较多，有的甚至达到了30%。

正是对制陶原料（主要是黏土）的选择、淘洗、陈放，对掺和料的选择及用量的调整，特别是对烧成温度的提高和控制，逐渐引导了制陶工艺的发展，还为金属冶炼工艺的产生和发展做了技术上的铺垫。正是通过制陶工艺的实践，帮助人们认识了许多与泥土同存的矿物无机化合物及其在高温烧烤下的化学变化。