古代陶瓷材料的物理性能浅析

易伊丽

摘要：用物理的方法和原理对古陶瓷作一些研究、探讨和扼要的综述！

关键词：古代；陶瓷材料；物理性能

引言

陶瓷的物理性能主要包括显气孔率、吸水率、体积密度、色度、白度、硬度、光泽度等。在古陶瓷的科学技术分析中，显气孔率、吸水率、体积密度、色度及白度等指标是重点研究内容，这是因为显气孔率和吸水率是陶瓷致密程度的体现，也是区分陶瓷和瓷器的重要标志，色度和白度分别是研究颜色釉瓷和白瓷的重要表征指标。

1.1显气孔率、吸水率及体积密度

显气孔率、吸水率及体积密度等是古陶瓷科技研究中的常规测试内容，也是在古陶瓷科技研究中应用得比较早的分析内容之一。一般要求瓷器瓷胎的吸水率要小于1%。因此显气孔率、吸水率及体积密度是在陶瓷研究中重要的物理性能。

陶瓷材料难免含有各种大小不同、形状各异的气孔。这些气孔中的一部分浸渍时能被液体填充。将材料样品排除液体的体积，便可计算出材料的密度。当材料的闭气孔全部破坏时，所测密度即为材料的真密度。

为此，堆密度、吸水率和显气孔率的测定所使用浸液的要求是：密度要小于被测物体，对物体或材料的润湿性好，不与样品发生反应，不使样品溶解或溶胀。最常用的浸液有水、乙醇和火果油等。下面简要介绍一下古陶瓷显气孔率、吸水率及体积密度的测定。

古陶瓷坯体显气孔率、体积密度和吸水率的测定主要有煮沸法和抽真空法。

为减少误差，一般测试需样品三件。从三件样品中取大小基本相同的测片6块，每块测片的质量为5-20g，其质量差不超过2g。

制好的样品在105-110℃的温度下烘2h，放入干燥器中冷却至室温，称其质量（m），精确至0.001g，然后再烘30min，称量，两次称量质量之差，不超过0.020g，否则，重新干燥。

分别采用煮沸法或者抽真空法测量样品的保水质量。

1、煮沸法

样品放入用有线框隔开的容器内，再注入蒸馏水，使样品完全置于蒸馏水中，煮沸3h，煮沸过程中，液面应保持超过样品（20±5）mm。冷却至室温，用饱含蒸馏水的棉巾轻轻拭去样品表面多余的水，立即称量（m1），精确至0.001g。

2、抽真空法

样品放入用线框隔开的容器内，置于真空装置中，在不低于0.095mPa的真空度下抽真空10min，注入蒸馏水，直至液面超过样品（20±5）mm为止。在真空度下抽真空10min，注入蒸馏水，直至液面超过样品（20±5）mm为止。在真空度不低于0.095mPa下保持30min，打开真空装置，取出样品，用饱含蒸馏水的棉巾轻轻拭去样品表面多余的液体，立即称量（m1），精确至0.001g。

将线框悬挂于天平一端，沉没在盛水的容器中，校准天平零位；然后将饱含水的样品放入线框内，并不与容器的任何部位相接触，液面应保持超过样品约（60±5），称量（mz）精确至0.001g。

显气孔率按式（A3）进行计算，体积密度按式（B4）进行计算。

对于陶瓷的吸水率，分为磨釉样品两种情况，磨釉样品按式（Dg）进行计算。

式中：Pa为显气孔率；Pb为体积密度，g/m3jW为样品饱吸浸液后的质量，gjm2为样品沉没在浸液中的质量，gjdm为浸液的真密度，g/m3jk为换算分数，根据不同资料，日用白瓷为4.0，日用育瓷为2.5，日用火石器为2.0，日用精陶为1.2。

1.2色度

1.颜色的基本概念

颜色都可以用明度、色调（色相）和饱和度（色纯度）这三个属性来描述。

明度是表示物体表面明亮程度的一种属性，在非彩色中最明亮的颜色是白色，最暗的颜色是黑色，其间分布着不同的灰色。也就是说，白色明度最高，黑色明度最低，而灰色的明度介于白色和黑色之间。饱和度的高低可以从光谱色和白光的混合来理解。任意一个颜色都可以看成是白光与光谱色混合后得到的。白光的成分越多，则饱和度越低；白光的成分越少，则饱和度越多。

2. CIE标准色度学系统

CIE是国际照明委员会的缩写。CIE标准色度学系统是以视觉心理为基础的，能较为精确确定颜色的。目前被国际上普遍采用的一种颜色标定方法。它是基于CIE-XYZ1931年标准色度观察者光谱三刺激值而建立的一种色度学系统。光谱三刺激值是对380-780nm范围内的可见光波长进行等能光譜匹配的需要的红绿蓝三原色的数量，CLE在1931年通过了317位标准色度观察者进行颜色匹配实验，测定和统计出光谱三刺激值的平均数据x（λ）、y（λ）、z（λ），将它们称为标准色度观察者光谱三刺激值。

由光谱三刺激值平均数值x（λ）、y（λ）、z（λ）按下列公式转换成光谱刺激色度坐标x、y、z。

x=x（λ）/（x（λ）+y（λ）+z（λ）

y=y（λ）/（x（λ）+y（λ）+z（λ）

x+y+z=1

由x、y确定在平面直角坐标系中的色度点，再将各色度点连接起来，即为CIE1931标注色度学系统的色度图，如图所示。

3.基于CIE标准色学系统的陶瓷釉色的颜色测量与评价

基于CIE的规定，一个物体的颜色可用其三刺激值来表示。三刺激值的计算基本公式是：

式中Xo、Yo、Zo为颜色样品的三刺激值，x（λ）、y（λ）、z（λ）为CIE标准色度观察者光谱三刺激值，K为因数。

由于Yo表示光源的绿原色对人眼的刺激值，同时又表示光源的亮度，为了便于比较，常将Yo调整为100，因此调整因数可以通过下式求得：

式中，S（λ）为待测颜色样品的颜色刺激值函数。对于陶瓷颜色样品，它属于反射体，则

S（λ）=E（λ）R（λ）（Fg）

式中，E（λ）为照明光源相对光谱功率分布，R（λ）为陶瓷光谱反射率。

因此，只需测量出陶瓷样品的光谱反射率R（λ），代入式（E），式中（Fg）中可得出该陶瓷样品的三刺激值Xo、Yo、Zo值，再代入式（Eg）中求出它的色度坐标，据此在CIE色度图上可以标出对应陶瓷样品颜色的色度点。

x=Xo/（Xo+Yo+Zo）

y=Yo/（Xo+Yo+Zo）（Gg）

1.3 白度

1.白度的基本理论

与其他颜色一样，白色也是三维空间的量，大多数色觉正常的观察者可以将一定范围内的光反射比、色饱和度和主波长不同的白色，按其白度的高低排成一维的白度序列，从而进行定量和评价。从色知觉角度讲，白度的评价和测量与高等色度学有关。实践证明，白度标可以与已确立的色度参数和色知觉参数联系起来。

2.白度的定量评价

一般来说，当物体表面对可见光谱所有波长的反射比在80%以上，可认为该物质的表面为白色。另外，也有专家用三刺激值Y（明度）和兴奋纯度（Pe）来表示白色。Bergen认为，当样品的表面Y>70、Pe<10%时可看做白；MaoAdam的实验数据则为，Y为70-90，Pe为0%-10%；而Gnum等则认为物质表面的纯度在0%-12%和高反射比就看做白。

国际照明委员会（CIE）在1986年制定了白度測量应遵循的共同规范：

①应该使用同样的标准光源（或照明体）来进行视觉的仪器的白度测量，推荐用D65照明体为近似的CLE标准光源。

②在与①不一致的条件下得到的实验数据不能确定或检验白度公式。

③推荐使用白度W=100的完全反射体（在可见波段谱反射比都等于1的理想漫射体，简称PRD）作为白度公式的参照标准。确立或检验白度公式时都必须为-或PRD的白度值等于100。

根据以上规范，任何白色物体的白度是表示它对于PRD白色程度的相对值。因此，此PRD为参照基准而标定的标准白板的标准反射比标准以及由此而确定的三刺激值X、Y、Z，或者由此而确定的三刺激值反射比因数RX、RY、RZ等都可以作为计量白度标的基础。

后记：

21世纪是科学技术迅猛发展，世界经济日益繁荣昌盛，通过研究古代陶瓷材料的物理性能，提升了研究古代陶瓷研究交流平台，促进和推动考古的发展！相信，古陶瓷考古必将有一个灿烂的明天。

参考文献：

[1]刚玉强化日用保持的理论分析 李文超 王俭 刘建华《中国陶瓷》

[2]光照作用对古陶瓷热释光年代的影响

[3]李盛华、苗建民、《中国科学、地球科学：中国科学》

[4]宋代瓷器科技分析浅论 王洪敏-中国科学技术大学

[5]模糊聚类分析在古陶瓷研究中的应用

[6]陈金强 关永、冯金花《计算机工程与设计》