文化财产科学分析

对金属、玻璃、陶器和颜料等多种材质的文化遗产成分及细微组织实施分析,推测制作初期的原料成分、制作技法及产地。还应用生物科学(Bio Technology)领域中的分子生物学技术,正在对出土的人骨及动物骨骼的DNA、古生物遗体的稳定同位素以及出土的有机样本实施科学分析研究。



古代金属文物的材质分析及冶金技术研究

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对金属文物实施科学分析,调查其成分、细微组织及硬度,可推测制作技法及产地。

分析过程

金属文物的分析过程

image 1. 用环氧树脂制作组织观察所需的试片。
image 2. 用显微镜将试片的表面研磨为硬面。
image 3. 用分析显微镜观察其细微组织。
image 4. 用荧火X射线分析机分析其成份。
image 5. 用细微硬度分析仪器测定各部分硬度。
image 6. 用X射线折射分析仪对结晶结构进行分析。

金铜文物:金铜镀金文物

金铜文物的材质分析,用图像分析编辑工具,对镀金层与内部组织进行观察,用荧X射线分析机,对各部分的成分实施分析。如下是对感恩寺遗址东三层石塔(国宝第112号)出土的舍利盒文物实施的遗物细部摄影结果。


舍利瓶盖子细部状态摄影

image 用幅度0.25毫米左右的金线以及0.3~0.5毫米的金粒进行 焊接,加以装饰。(总长1.3厘米)

舍利瓶盖钮细部状态扩大摄影

image 中心有7个金粒,其周边7处各用3个金粒加以装饰。(总长0.4厘米)

金粒使用技术的日常化

image 将0.3毫米大的金粒用作里面接合的基准点。

风铃整理状况

image 米粒大风铃整理状况在5毫米大的钟身,装饰了0.3毫米的金粒

金粒的内部组织状态

image 使用纯度98%的纯金

金粒焊接技术的奥秘

用焊接技术(加10%银的合金焊接)使0.3毫米大的小型金粒紧紧地相贴在一起。纯金、风铃(金94%)与加10%银的黄金焊接的熔融温度分别为1063℃、1055℃和1046℃。银的含量不同,熔融温度就不同。基于此,古代人实施了焊接。这证明,新罗匠人的冶金技术达到高峰。

image 将焊接面积最小化,可以说是神奇的焊接技术。→接合面长0.18毫米

青铜文物:铜锡文物

不同青铜器的组成分布

如下是三大类青铜文物的主要成分分布图。青铜勺子及用具类1不含有铅,以约550℃温度,进行了锻造和水淬火。主要用作生活用具中的餐具类。青铜用具类2及青铜剑添加了适当量的铅,提高了铸造性,便于制造。此类青铜用具类多数用作餐具与祭祀用具等。以青铜剑为例,添加了少量的锡与铅,略微提高了硬度和韧性。

image 青铜遗物平均造性表

青铜文物的细微组织

对青铜文物的成分与细微组织进行分析,会发现其制作方法,如铸造还是锻造。铸造品呈像树枝那样的枝晶结构(dendrite);以锻造品为例,由于热处理,呈整齐的晶粒结构。但是,虽然是铸造品,加热时间过长,枝晶结构就消失,变为晶粒。铅与铜、锡不太混合,大部分呈圆形,以凝固状态分散在枝晶间(偏析),其含量若10%以上则呈共沉积特征(α+δ)。


青铜勺子

image 青铜勺子
image 青铜勺子的细微组织(锻造品、200x)

武具类

image 青铜盒
image 细微组织(锻造品、200x)

青铜剑

image 青铜剑
image 青铜剑的细微组织(铸造品、200x)

高丽梵钟

高丽梵钟是1999年11月日本人高原日美子赠予我国的文物。它是属71CM,下口直径50CM的中型梵钟。如下表是捐赠梵钟及其他高丽梵钟的成分分析结果。

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铁器文物:用铁制作的文物

铁的性质由铁含碳(C)量所决定。碳含量为零——纯铁的熔点为1538℃。Fe-Fe3C状态图中的固体类型大约有4种包括:α铁素体(ferrite)、奥氏体(austenite)、渗碳体(cementite)和δ铁素体。以碳含量1%的铁为例,如果铁从液体状态L降温到1430℃就产生奥氏体γ的晶粒,再到1360℃变为γ。温度到810℃就产生渗碳体(Fe3C)的析出相后,其量日益增多。温度再到727℃,γ完全消失就产生α铁素体和渗碳体。但是,实际上,若碳含量为0.8%,就产生珠光体,在其上面析出渗碳体。珠光体是α铁素体与渗碳体(Fe3C)重叠而成的析出物。尤其,若碳含量为4.3%,不会产生晶粒,到1130℃就凝固。因此,这用来进行铸造。

image Fe-C 状态图实线:Fe-Fe3C状态图,点线:FeㆍㆍㆍC状态图

铁种

铁的碳含量越多,硬度就越增加,难以锻造。因此,铁种类的区分,就按照碳含量来进行。
1.锻铁(wrought iron):又称纯铁,其碳含量为0.1%以下。它非常软,能用手折弯。锻造处理后,会制成餐具之类,而其硬度太低,不适合用来制作刀和斧等利器。
2.钢铁(steel):碳含量为0.1~1.7%。其硬度和韧性大,锻造处理后,会制成各种物 品,予以广泛使用。在韩国国内,从铁器时代初期开始广泛使用。
3.铸铁(cast iron):也称为生铁。其碳含量为1.7~4.5%以上。硬度过高,不能锻造,只用铸造方法。在韩国铁器时代,用该方法制造了斧子等。


铁制文物的细微组织

铸造品

image 铁部
image 铁部的细微组织(200x)

锻造品

image 铁制凿子
image 铁制凿子的细微组织(200x)

查明陶器的制作技术及推断其产地

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陶器的科学分析是指对矿物成分构成、化学成份、烧制温度及细微构造进行观察,对制作技法进行研究,并根据采取地段的地质学特点,分析其微量元素,以推断出其产地。

分析过程

陶器分析过程

image 1. 将各窑址的陶器收集起来进行分类
image 2. 用蒸馏水对分类后的陶器表面进行清洗,以清除异物
image 3. 将分类的陶器磨成粉末
image 4. 用等离子体制导结合发光分析机,分析陶器的主要成分
image 5. 用中子放射式分析机分析陶器的微量成份
image 6. 用偏光显微镜对陶器中的矿物质进行调查

陶器科学分析

陶器分析目的

陶器是指,烤粘土而制的用具。按照粘土质量、制作方法和装饰,其质量和形态有很大变化。陶器反映出生活文化,在任何堆积环境,都不会发生腐蚀,维持良好的保存状态,作为考古文物,为考古学研究提供了基础资料。然而,现有陶器研究以形态分类和年表为主,只注重分析形态与纹样等外观因素。而近来,积极采用自然科学方法,把握住关于陶器的更多信息。陶器的科学分析,主要目的有二:第一,对制作方法与制作技术的研究;第二,推断产地。陶器制作技术,对矿物组成、化学组成、烧制温度以及结构角度上的组织进行分析,予以把握。此外,根据陶器原料采集地区的地质特性,对其微量元素进行分析,推断其产地。基于此,会表明古代交易及交流关系,以及生产地和消费地之间的政治、经济与文化关系,并会观察当时社会生产样式与阶层化问题。


陶器分析方法

粘土为陶器原料之一,含有Si、Fe、Al、Mg、Ca、Na等元素。将之含有的矿物种类及含量影响着粘土的性质。因此,粘土矿物及这些次要矿物种类、结构与相互关系研究,需要采用自然科学方法进行分析。陶器科学分析方法大约有矿物学分析、化学分析与热分析三种:矿物学分析方法主要使用偏光显微镜、扫描电子显微镜之类;化学分析方法主要用X射线折射分析、原子吸收分析、X射线荧火分析、中子激活探测分析与电感耦合等离子发射光谱分析等;热分析方法用示差热分析、热重量分析与热膨胀分析等,推断陶器的烧制温度。


用陶器的产地分类

陶器用粘土制成,粘土的采集集中在地质学角度上的一个地区——粘土层。该粘土是从地质学或地球化学角度看的产物,经过岩石的风化过程而产生。岩石即使遭到风化变为粘土,也具有岩石的化学特性。因此,粘土会反映出该地区地盘中岩石的化学特性。这表明,陶器粘土的化学特性反映出地区特性。粘土成分主要有Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等。在每个产地采集粘土后,进行成分分析,有不少含量分布范围相互重叠。按照产地对粘土进行分类是不太适合的。因此,陶器产地的推断,与主要成分相比,微量成分的分析效果还要大。而用微量成分含量对产地进行分类,哪个元素最为有效,无法作出先验性判断。因此,需要对多数微量成分进行定量分析,并进行产地分类。尤其是,陶器呈非均质性,受添加剂影响,其微量成分的浓度发生变化。其解决方法之一是,对多数元素进行分析。多数元