“显微技术在古代陶瓷工艺研究中的应用”讲座纪要—中国社会科学院考古研究所2019年度考古学研究系列学...

“显微技术在古代陶瓷工艺研究中的应用”讲座纪要—中国社会科学院考古研究所2019年度考古学研究系列学...

2019年4月24日下午,中国社会科学院考古研究所2019年度考古学系列学术讲座第7讲在考古所八层多媒体会议室举行。讲座由考古所刘国祥研究员主持,法国国家科学院空间结构与材料分析研究中心(CEMES-CNRS)研究员Pilippe Sciau带来了题为“显微技术在古代陶瓷工艺研究中的应用”的学术报告。陕西大发1分快三大学硅酸盐质文化遗产研究院王甜副教授承担本次讲座的翻译。

主讲人 Pilippe Sciau研究员

Philippe Sciau研究员首先对透射电镜(TEM)技术进行了简单介绍。TEM是可在纳米尺度上对多种材料进行表征的有力工具,是目前获取微米尺度上结构信息的最佳技术之一,已在众多科学领域得到广泛应用。文物研究涉及的材料种类繁多,包括有机和无机材料,具有和现代材料一样的多样性,但它们状态往往更加多元和复杂。以青花瓷为例,仅其彩料部分就是一个相当复杂的体系,可区分出许多不同的结构区域,将TEM与其他光谱和同步辐射技术(SR)结合,可以有效表征这种复杂区域的结构特征。对于TEM而言,虽然其样品制备并不比其他先进技术更困难,然而,透射电镜对样品厚度要求更高,并且分析区域也更小,这也是将其应用到文化遗产材料中的主要难点。因此,如何有效利用透射电镜,使其更好为考古研究服务,是学界所关注的问题。如前所述,文化遗产涉及材料非常多样,Philippe Sciau研究员重点讲解古陶瓷材料研究,介绍一些使用各种TEM模式的研究案例。

讲座现场

第一个例子是关于古罗马红陶器(terra sigillata)的研究。南高卢产古罗马红陶器的陶衣是只有几十微米厚的异质层结构。由于其产量非常大,可以收集到许多残片,因此研究选择了一种标准方法来获得样品的薄截面。透射电子显微镜中最常用的模式是基于衍射对比度的明场模式,采用透射光来形成图像。由于衍射光束不参与图像的形成,因此衍射区会显得很暗。TEM分析表明,古罗马红色陶器的陶衣主要由玻璃体构成,而玻璃体中含有赤铁矿晶体和较小的刚玉晶体。通过分析透射光束中电子的能量,由典型的电子能量损失谱(EELS)可知,光谱中包含弹性峰、等离子体峰和在较高能量下的核心电子吸收边。EELS结果表明,赤铁矿晶体中除了含有铁,还有钛和铝;而刚玉晶体中除了含有铝,还含有铁。为了更全面的分析陶衣结构,研究利用ASTAR纳米晶体取向分析技术去重构相分布图和取向图。在分析区域中,刚玉是主要的晶相,同时还含有少量的镁铝尖晶石。X射线衍射(XRD)定量分析证实了刚玉的高含量,同时对石英的含量进行了评估。这一结果确认了铝在赤铁矿和铁在刚玉中的存在。相对而言,在意大利出土的同类陶器,其微观结构却非常不同,其中含有许多多种取向的微小镁铝尖晶石而没有发现刚玉。这种结构特征是由于粘土含有更多的镁,并在较低的温度下烧成所导致的。因此,这两类古罗马红陶器,颜料都源自于赤铁矿,陶衣的特定红色是由赤铁矿晶体的大小、分布和组成决定的。同时,由于铝在赤铁矿结构中的掺杂使得陶衣的红色更加鲜艳。二者的不同在于较早的意大利产古罗马陶器中含有更多的镁铝尖晶石和较高的镁含量,而较晚的南高卢产古罗马陶器中含有更多的刚玉和较低的镁含量。可以推测,sigillata技术在高卢地区的传播与其利用含镁低的黏土从而降低烧成温度的工艺有关。这种变化对陶器外观并没有什么影响但是对其力学性能有较大的影响。南高卢的陶衣玻璃化程度更高,其陶体也有一定程度的玻化,陶体和陶衣结合的程度更好。除此以外,南高卢地区和意大利地区生产的古罗马红陶器外观上十分相近,较难区分产地,但利用刚玉和尖晶石结构的分析可以帮助我们很好的对其产地进行辨别。

讲座内容

第二个案例是对一个由法裔美国艺术家Fance Franck创作的牛血红釉瓷的研究。对这一碎片的透射电镜研究,选择了与之前介绍的样品制备方法相似的制备方法。在明场下对瓷胎观察,可见许多针状析晶。通过选区电子衍射,可以鉴定晶体的种类,但需要耗费较长时间。因此选择更大范围进行电子衍射以判断是否存在其它物相结构,结果最终确认了胎中只有莫来石晶体存在。之后通过扫描透射电镜(STEM)观察莫来石结构并记录元素分布,以获得三维的元素分布信息。研究发现由于莫来石结构的存在使得器物在玻璃化的过程中可以保持器形不发生变化。通过对瓷釉部分进行TEM观察,并发现一个有趣的现象,即瓷釉结构从表面到深处是变化的。瓷釉表面为单纯的分相结构,铜的含量随着深度而增加,并在釉的核心深度区域可见较大的纳米级铜单质颗粒。因此,可推测为使瓷釉获得一个较好的牛血色调,铜晶体不应分布在釉层表面且需要较低的晶体密度。

讲座内容

综合以上案例,TEM是一种很适合古代文物材料的微观结构分析方法。随着TEM样品制备技术的发展,降低了样品的制备的难度,几乎所有材料都可以制备成TEM所需样品。因此,我们可以更加便捷广泛的应用,并深入发掘显微结构中所蕴藏的潜在信息。

刘国祥研究员为Philippe Sciau研究员颁发讲座嘉宾聘书

讲座结束后,主持人刘国祥研究员对Philippe Sciau研究员到考古所为与会者带来了一场前沿与专业的讲座表示感谢。来自中国社会科学院考古研究所、中国国家博物馆、故宫博物院、北京大学、中国科学院大学、北京大发1分快三大学等多个单位的与会者就透射电镜在古代材料研究中存在的一些技术问题展开了热烈讨论。最后,中国社会科学院考古研究所刘国祥研究员向Philippe Sciau研究员颁发了讲座嘉宾聘书。

执笔:栗媛秋

摄影:王海燕

审核:朱剑

责编:荼荼

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