描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787559646491
◎中科院科学史家写给大众的科普读物
本书作者周嘉华先生是中国科学院自然科学史研究所研究员，长期从事中国化学、化工史等研究，已出版著作四十余部，在其研究领域影响甚广。作者剔除复杂化学方程式与繁杂的理论，将专业的知识通俗化，用化学知识看文物，呈现给大众不一样的文物世界。
◎解锁文物中的黑科技，真正看懂文物背后的奥秘
文物的价值远不止于历史、艺术，还隐藏着当时的高科技。当古代文物遇见现代科学，就能真正理解缘何该文物能出现在这一时期，以及该文物蕴藏了怎样的科技原理、承载了古人怎样的智慧，从而知道它为何至今仍被人们赞叹不已。
◎一览领跑世界的古代科技，探索古人的发明创造与生活智慧
历经千年却没有生锈的越王勾践青铜剑，饱经沧桑却依旧鲜艳如新的敦煌石窟壁画，以色泽优美、工艺精湛而闻名于世的宣德炉……领略影响世界文明的中国古代科技成就，探索古人的发明创造与生活智慧。
大家常从历史与艺术的角度欣赏文物，却忽略了其中隐藏的科技密码。
本书则通过文物，从烧制陶瓷、冶炼金属、酿酒等人类的实践活动入手，探讨古人对化学知识的认识与应用：青花瓷颜色的深浅取决于氧化钴的含量，造纸术的改进是因为采取了碱液蒸煮制浆……
挖掘文物背后的科学原理，了解古人在科技方面的创造与智慧，展现中国古代科技的高光时刻，让文物在化学中活起来。
第一章 硅酸盐化学 1
一、最早的人工材料制品——陶器 3
二、陶与瓷的化学异同 10
三、在色瓷中作祟的铁离子 15
四、唐三彩釉陶的化学内涵 22
五、青花瓷中的钴颜料 25
六、五彩瓷器的烧制工艺 32
七、珐琅彩瓷器和粉彩瓷器中引入的化学物质 36
八、中国古代的玻璃 42
九、从秦砖汉瓦到琉璃建筑 46
第二章 金属化学 51
一、从红铜到青铜的炼铸 53
二、从商周青铜器看六齐规律 57
三、人类最早接触的铁——陨铁 62
四、从出土的早期铁器看中国冶铁业的崛起 65
五、中国古代炼钢工艺的明证 72
六、从文物看早期对铅锡的认识和利用 81
七、宣德炉和锌黄铜及锌的冶炼 84
八、从古代金银饰品看金银的冶炼与加工 90
九、长信宫灯和鎏镀工艺 98
十、从一次文物鉴定所得到的教诲 101
第三章 酿造化学 107
一、从出土谷物谈酿酒起源 109
二、从出土的古酒谈先秦时期的酒 115
三、“竹林七贤”所喝的酒 119
四、对与酒相关的汉代画像砖的探讨 125
五、蒸馏技术的演进和蒸馏酒 128
六、从出土的酒史资料谈葡萄酒 138
七、从酒具的演进看饮酒风尚的变化 142
第四章 日用化学 147
一、古纸的发现与造纸术的发明 149
二、留存的古代墨锭与中国传统的制墨工艺 156
三、“漆器可能是人类所知最古老的工业塑料” 162
四、秦兵马俑和敦煌壁画上的颜料 168
五、漫话古代的化妆品和洗涤剂 176
六、从出土的古代革制品谈古代的制革工艺 181
第五章 药物化学 187
一、从出土的药物谈药学的发展 189
二、泉州沉船中的药物与中国古代的香料 195
三、出土的医药古籍中的药酒方及其发展 200
四、从出土的炼丹器具、药料谈炼丹术 205
五、炼丹中发明的火药及火药武器 212
后 记 221
出版后记 223
两本书的作者是科学史界的耆宿。他们从现代化学、物理学知识体系出发，通过精选的文物回顾古代中国技术发展的历程，既阐释了文物的科学价值，而且还向公众普及了现代科学知识。
——首都师范大学历史学院研究员 闫志
五、中国古代炼钢工艺的明证
1930年在山东滕县（现滕州市）宏道院出土了一块汉代的描绘冶炼的画像石（见图2-10）。从画面上可以看到人们运用皮囊鼓风的炒钢炉或锻造加热炉进行炼钢的过程。随着冶铁技术的进步，中国先民前后掌握了多种方法来炼钢，炒钢仅是其中的一种。
概括而言，中国古代炼钢方法主要可分两类：一类是以块炼铁为原料，采用渗碳技术使其成钢；另一类是以生铁为原料，采取脱碳技术使其成钢。
最早出现的大量钢制品，大多是块炼渗碳钢。春秋战国时期块炼渗碳钢的获取方法有两种。一种是把块炼铁直接放在炽热的木炭上加热，表面渗碳，再经反复锻打，就制得了渗碳钢。河北易县燕下都第44号墓曾出土钢剑、钢戟、钢矛等，经冶金史家鉴定，它们就是渗碳钢产品。从金相检验中可以看到，碳是从表面向内渗进去的，所以呈现表层碳多、内层碳少的现象。锻打后钢片延伸为长条，工匠们又把它折叠起来继续锻打，并把若干片锻接起来而成长剑，因此剑的横截面就显现出含碳量高低不同的分层现象。有含碳量在0.5%~0.6%的高碳层，也有含碳量为0.15%~0.20%的低碳层，它们多层相间，各层有厚有薄，分界有时十分明显，有时有较厚的过渡层。其中所含的夹杂物分布不均，大块的夹杂物形状不规则，这是因为原料铁的基体没有经过溶化成液态的阶段，即是块炼铁。而大块夹杂物是条状的氧化亚铁（FeO）-铁橄榄石型硅酸铁（2FeO·SiO2）的共晶组织，表明在冶炼或锻炼中温度一度达到或略超过生成共晶组织所需的1175℃。易县燕下都出土的战国时期的钢制品文物为我们了解当时的炼钢方法提供了很好的帮助。
生产块炼渗碳钢的另一种方法是将块炼铁与配入的渗碳剂和催化剂（例如干木材、植物茎叶等含碳物质都可做渗碳剂）放在一起，密封加热，使之渗碳成钢。这种方法制得的钢又称为“焖钢”。有人推测，《吴越春秋》所记载的干将莫邪在冶炼中断发剪爪投入炉中所炼的钢，可能就是“焖钢”。
1968年在河北满城西汉中山靖王刘胜及其妻窦绾两座大型汉墓中，出土了大量的文物，其中有许多水平相当高的铁器。从种类上看，包括兵器、农具、工具和生活用具；从材质上看，包括生铁、块炼铁和各种不同含碳量的钢；从工艺上看，包括铸、锻、柔化、渗碳、淬火等技术，尤其是出现了经过反复锻打块炼钢改进钢质的新工艺，它使其组织比战国时期一般的块炼钢均匀，含碳不均匀的分层现象明显减少，钢的质量达到了较高的水平。墓中出土的刘胜佩剑（见图2-11）、错金书刀都是高质量的渗碳钢制品。通过检测研究，有人认为它们在制作中，由于反复加热锻打，减少了含碳不均匀的分层现象。夹杂物减少了，钢的组织更加细密，成分均匀，这是渗碳钢技术提高的结果。也有人认为，这是焖钢的精品。但有一点可以肯定，后来在河南、湖北、江苏等地，焖炉炼钢的技术长期在民间流传，工匠们熟练地应用焖钢技术扩大了产品的种类。明代宋应星在《天工开物·锤锻》中绘制了密封渗碳炼制钢针图（见图2-12），很形象地说明了这种焖炉渗碳炼钢的方法。
块炼铁虽然冶炼容易，但质量差，产量低，而且需毁炉取铁后再进一步锻制成器和钢材，既费时又费力，显然难以适应日益增长的社会需求。这就促使人们去探索利用产量大、来源丰富的铸铁为原料来炼钢。为此从战国后期开始，工匠们又发明和掌握了多种铸铁脱碳钢的生产方法。
在将生铁柔化处理加工成展性铸铁的实践中，工匠们发现将那些比较薄的铸铁板，在加热脱碳退火中，只要温度、时间控制得当，在固态状况下进行比较充分而适当的氧化脱碳，既能使白口组织消失，又能做到基本不析出或只析出少量的石墨，就能得到性能不同于韧性铸铁的“铸铁脱碳钢”。1977年在河南登封告城战国遗址中出土的一批铁器文物，经检验是目前所知的我国最早的铸铁脱碳钢制品。到了西汉，这种铸铁脱碳钢的技艺得到进一步推广。北京市大葆台西汉墓中就出土了由铸铁脱碳钢制成的环首刀、箭镞、扒钉等。1976年在河南渑池县汉魏窖藏发现的大批铁器中有宽窄不一的长方形或方形铁板范5种152件，以及用它铸成的方铁板和有铭铁板—当是准备用来制作铸铁脱碳钢的，厚度为3~6毫米—铸得如此薄，显然是为了使退火处理进行得更彻底。同时还出土了许多铸铁脱碳钢的制品，包括斧、镰等工具和兵器。从外形看它们似乎是铸件，但从化学成分和金相组织看，则基本是钢。在高倍显微镜下，可在其晶柱间界发现少量微细的石墨析出，与铸铁中的石墨截然不同，显然是在白口铁脱碳过程中生成的。
郑州博物馆曾在东史马发掘到6件东汉时的钢剪（见图2-13）。金相检验观察到剪刀的整个断面都是含碳量1%的碳钢，组织均匀，碳素体成匀称的球状，几乎看不到夹杂物，只能在断面较厚的部位上见到微小的石墨，这都表明它们是先用白口铁铸造出成形的铁条，再经脱碳退火成钢材后，磨砺刃部，而后加热弯曲成交股式的“8”字形。这些文物充分说明东汉时铸铁脱碳钢的工艺已趋成熟。这一工艺在六朝以前曾被广泛采用，但是由于不易控制器件的含碳量，特别是难以加工器形较大或较厚的器件，在应用中有一定的局限性。不过，目前已发现的铸铁脱碳钢器件都比较薄，一般不超过1厘米。
滕县宏道院那块描绘冶炼的画像石所展示的炒钢炉，考古工作者在河南巩县铁生沟汉代冶铁遗址中发现了一座，在河南南阳市瓦房庄汉代铸铁遗址中也发现了几座。可见由于炒钢工艺操作较简便，生产效率高，原料易得而在汉代得到推广。
炒钢工艺是先将铸铁锤成碎块，和木炭一起放在炒炉内，点火加热，并从上往下鼓风，把铸铁加热到半熔融状态，通过不断搅拌（即炒），增加铁和空气的接触面，可使铸铁中的碳逐渐氧化，随着温度升高，硅、锰、磷等杂质氧化后，和氧化铁生成硅酸盐和磷酸盐夹杂物。随着碳分降低，铁熔点增高，铸铁凝聚成疏松的团块，再经锻打，排挤出夹杂物，便成钢料。由于古代的知识和技术条件所限，工匠们在炒钢过程中主要凭经验来控制其氧化脱碳的程度，即控制铁中含碳量来获得钢料，而这一技术一般比较困难，在多数情况下，工匠们都是先将铸铁干脆炒成熟铁，再用渗碳法来炼制成钢。
炒铁、炒钢工艺的应用能提供更多更好的熟铁和钢料，因而促进了铁兵器取代青铜兵器，同时使优质的钢铁工具、农具得到进一步推广。炒铁技术的发明打破了原先生铁不能转化为熟铁的界限，连接了原先各行其是的两个工艺系统，这对于社会从早期铁器时代向完全铁器时代的转变具有关键的意义。从化学角度来看，人们初步了解了生铁、熟铁及钢之间的变化和联系。
炒铁、炒钢工艺一直沿用到近代，其间，在明代人们将炼铁炉与炒钢炉串联起来，使铁水直接炒炼成钢或熟铁，免去了生铁再熔化的过程，降低了能耗，提高了生产率。宋应星的《天工开物·五金》对此绘有一幅完整的炒钢图（见图2-14）。
1974年在山东苍山县东汉墓中出土了一把环首钢刀，全长111.5厘米，刀身宽3厘米，刀身上有错金火焰纹和铭文“永初六年（112年）五月丙午造卅湅大刀吉羊（祥）宜子孙”。经检验，其刃部含碳量为0.6%~0.7%，夹杂物呈细长形，细薄分散，变形大，分布均匀，以硅酸盐为主，有明显的分层现象。据此可以判断它是用炒铁（熟铁）为原料经反复叠打而成的。
1978年在徐州曹山汉墓出土一把钢剑（见图2-15），通长109厘米，剑身长88.5厘米，剑把正面有错金铭文“建初二年（77年）蜀郡西工官王愔造五十湅□□□孙剑□”，内侧阴刻铭文“直（值）千五百”。
以上钢刀和钢剑铭文上的“卅湅”“五十湅”应是有明确含义。所谓“卅湅”，大概是指经过三十次左右的反复锻炼，每加热锻打或折叠锻打一次称“一火”或“一炼”。那么这两把钢剑都是古代百炼钢的产品。
在西汉前期，工匠们在红热的炭火上通过锻打对块炼铁进行加工，使它成为渗碳钢。这可能是百炼钢的源起和初始状态。反复加热锻打的次数增多，钢件就变得更加坚韧，于是加热锻打成为加工某些铁制品的正式工序。炒铁工艺的出现，为熟铁的来源提供了更好的途径，工匠们一方面改用炒铁为原料，另一方面不断增加锻打的次数，从而促使百炼钢的技术发展到成熟阶段。在三国时期工匠们普遍采用百炼钢工艺来生产刀剑。曹操曾令工匠为他制作“百辟利器”，据说花了三年才造成五把宝刀。近代冶金史家几乎普遍认为：在古代的钢铁材料中，百炼钢可以说是质量最好的产品。1961年从日本奈良栎本东大寺山出土的钢刀刀身细长而平直，稍稍内曲，全长103厘米，背厚1厘米，青铜环首，背部有金错铭文，笔法工整，刀身虽锈，却形迹可辨。铭文清楚表明，这是东汉中平年间（184—189年）的百炼钢产品，应是从中国传去的。
在炒铁、炒钢的实践中，工匠们至迟在南北朝又掌握了一种炼钢的新工艺——灌钢。生铁含碳高，熔点较低，质地硬而脆，熟铁含碳量低，熔点较高，质地柔软。这是工匠们在冶铁实践中已掌握的基本经验。针对这一状况，工匠们将熔融的生铁与熟铁（一般采用炒铁）一起加热，保温合炼，使碳分由生铁向熟铁渗透、扩散，趋于均匀，成为含碳适中的钢材，再经反复加热锻打，使其组织进一步纯化、均匀，就能获得优质的高碳或中碳钢，这种钢就是灌钢。
北魏、北齐时期，有一位名叫綦母怀文的人，曾炼制过一种“宿铁刀”，这“宿铁”即灌钢。《北史·艺术列传》里说：“怀文造宿铁刀，其法：烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚（钢）。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十扎也。”这里的柔铤当是熟铁，其意是生铁在加热下泄出精液，灌注到熟铁中，经过几宿交配就成钢了。宿铁由此而得名。在南朝也流行这种炼钢法。陶弘景（约452—536年）在《本草经集注》中说：“钢铁，是杂炼生镰作刀者。”可见在当时江南一带已利用宿铁来制造农具。
灌钢法较之以前各种炼钢法，操作简便，劳动强度小，生产率高，火候、配料的掌握也较容易，所以很快被推广开来。到了宋代它便成为全国普遍流行的一种炼钢法。到了明代，这种灌钢法所形成的生铁→炒成熟铁→灌钢→锤锻的工艺路线似乎成为最通行的炼钢法。对此宋应星在《天工开物·五金》中做了较详细的介绍。
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