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蔡伦和造纸术的改革发展
《后汉书·蔡伦传》记载：“蔡伦字敬仲，桂阳（今湖南耒阳）人也……永元九年（97），监作秘剑及诸器械，莫不精工坚密，为后世蔡伦像法。自古书契多编以竹简，其用缣帛谓之为‘纸’，缣贵而简重，并不便于人。伦乃造意用树肤、麻头及敝布、渔网以为纸。元兴元年（105）奏上之。帝（汉和帝）善其能，自是莫不从用焉。故天下咸称‘蔡侯纸’。”据考《后汉书》这一记载是来自《东观汉纪》的“蔡伦传”，该传是汉桓帝元嘉元年（151）延笃等人根据汉桓帝的指示撰写的。蔡伦卒于汉安帝建光元年（121），时代相去不远，所以延笃等人的记载是可信的。
晋张华（232~300）的《博物志》亦云：“蔡伦始捣故渔网造纸。”董巴（3世纪人）的《舆服志》云：“东京有蔡侯纸，即伦也，用故麻，名麻纸，木皮名谷纸，用故渔网，名网纸也。”南朝刘宋的盛弘之在《荆州记》中写道：“伦始以渔网造纸，县人今犹多能作纸，盖伦之遗业也。”这些记载一再表明蔡伦其人其事是有充分根据的。
蔡伦在明帝永平十八年（75）入宫为太监，建初中为小黄门，汉和帝永元元年（89）升中常侍，永元九年（97）兼少府尚方令。东汉时少府下属的尚方相当于皇室的手工工场，专门制作御用器物。在蔡伦主持下，尚方制造了大量精美的御用器物。而使蔡伦名垂青史的是，在他任尚方令期间，总结了零散的民间造纸术，加以革新，利用尚方的有利条件，造出了一批质地良好的纸，于汉和帝永元十七年（105）献给了汉和帝刘肇，受到了表彰和重视，纸和造纸术从此为人们所推崇。汉安帝元初元年（114），蔡伦被封为“龙亭侯”，人们称尚方所造的纸为“蔡侯纸”。汉安帝建光元年（121），蔡伦因卷入宫廷斗争而被迫服毒自杀。根据以上的史料，蔡伦作为一个造纸专家，其贡献有：
第一，扩充了造纸用的原料。除大麻、苎麻外，还充分利用了其他废旧的麻制品——麻头、麻布、渔网等，特别是树皮。树皮的来源不亚于麻类。以树皮为原料的纸中又以楮皮纸为最重要，在东汉以后，楮皮纸是大量生产和使用的纸张品种之一。
第二，改进并发展了造纸技术。麻绳头、渔网、麻布等旧麻制品都需捣碎，颜色较深的还需脱色。树皮中木素、果胶等杂质含量远较大麻、苎麻高。所以在脱胶制浆中，对技艺的要求就较高，据分析当时可能采用灰水或灰水与石灰水混合液来制浆。因为石灰水中含有氢氧化钙，而灰水中含有较多碳酸钾。使用灰水或灰水与石灰水的混合液，碱性适中，既可成浆，又不破坏纤维素。蔡伦能够利用麻绳、麻布、渔网和树皮制造出质量较好的纸张，必定是在制浆工艺上做了重大改进，很可能是首先采用了碱液蒸煮制浆。
第三，推广纸的运用和造纸技术。古代技术往往秘不示人，只在少数工匠师徒间秘密传承，造纸技术应不例外。加上造纸术发明之初，所造的纸质量欠佳，难登大雅之堂，直到东汉中叶，还有不少文人学士鄙视纸张。虞世南（558~638）汇编的《北堂书钞》里写了一个崔瑗赠书的故事。崔瑗是一个东汉文人，他给朋友葛元甫（即葛龚，生于1世纪末至2世纪初）写信，大意是：送上《许子》十卷，由于经济不宽裕，买不起帛，只好用纸写，表示十分抱歉。这件事反映了当时一些文人对纸张的认识。蔡伦则不同，他认识到纸的重要，因而总结民间的经验，改进和发展了造纸技术，使纸和造纸术广为人知，引起了全社会的重视。
蔡伦造出的质量较高的纸，使人们开始认识到，纸有竹木之廉，而体轻层薄，兼有帛之柔，却无其贵，有金石之久而无其笨重。纸是廉价而又轻便的最理想的书写材料。造纸业作为一种社会需求，伴随着社会文化的发展而稳步地发展。东晋末年豪族桓玄于晋安帝元兴三年（404）废晋安帝，改国号为“楚”，并下令以纸代简：“古无纸，故用简……今诸用简者，皆以黄纸代之。”简牍文字从此基本绝迹。纸不仅在民间通用，而且成为官方文书的载体。
出土的西汉古纸都是麻纸，东汉仍以麻纸为主。蔡伦发明了以树皮为原料的皮纸，主要是楮皮纸。楮就是枸树，也叫谷树，系落叶乔木，开淡绿色花，果实呈红色，皮部纤维强韧。贾思勰在《齐民要术·种谷楮》中有专章介绍楮的种植方法和情况，并指出“其皮可以为纸者”，“煮剥卖皮者，虽劳而利大。其柴足以供热，自然造纸，其利又多”。由此可见种楮在农业中的地位，它为造纸业提供了一种充裕的原料，所以楮皮纸在社会流行起来。
现存于故宫博物院的一件文物——《平复帖》，是用晋代麻纸写的，它比1942年在内蒙古额济纳河岸旁汉代烽火台出土的写有汉隶字的东汉麻纸要好得多，表明晋代的麻纸在质量上又有明显的提高。相传东晋著名的书法家王羲之有一次送给谢安的麻纸就达9万张，可见当时造纸业的兴旺。
既然大麻、苎麻及其制品和树皮都可用做造纸原料，人们便试用更多的植物纤维来造纸。东晋的范宁（339~401）在浙江做官时，发出通告说：“土纸不可作文书，皆令用藤角纸。”土纸即用稻、麦秆为原料所造的纸，即今南方的草纸。因其纤维较短，所以制成的纸张质地较粗，不耐用。藤纸是用藤皮为原料所造的纸，藤皮具有强韧的长纤维，所以用它制成的纸，质量较高。这条文献表明：在公元4~5世纪的东晋，已采用稻草、麦秆等草类作物来造纸了，同时，质量较高的藤纸也已开始流行。
唐代经济文化的全面发展，使造纸业成为欣欣向荣的一个手工业部门。造纸生产遍及全国各地。
铜的冶炼技术
硫铜矿的冶炼
孔雀石由于颜色醒目，容易识别，又属于氧化型矿，冶炼简便，所以很早就被利用。但这种矿物在地壳中储量较少，因为它是含铜硫化物经空气氧化所产生的易溶硫酸铜与碳酸盐矿物（如方解石）相互作用的产物，所以一般只存在于含铜硫化物矿床的氧化带中，虽处于地表，容易采掘，但矿层一般较浅，采集难以持久。
在自然界中铜主要以硫化铜存在，主要是辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿。辉铜矿的主要成分是Cu2S，呈铅灰色；斑铜矿的主要成分为Cu5FeS4，呈暗铜红色，常与黄铜矿、辉铜矿共生，实际成分变动很大；黄铜矿主要成分为CuFeS2，呈黄铜的黄色，常与黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、斑铜矿、辉铜矿、方解石、石英共生。这些铜矿的冶炼，较孔雀石、蓝铜矿要复杂，难度也较大，因此实现冶炼相对要晚很多。在古代，其冶炼工艺一般至少要分两步走，首先得通过氧化焙烧，除去其中的一部分硫和铁（生成FeO，SiO2炼渣和SO2），使硫化铜大部分转化成Cu2S及一些Cu2O，即在此过程中会生成冰铜，也就是工XCu2S—yFeS的烧结物，反应大致如下：
2CuFeS2=Cu2S+2FeS+S
Cu2O+FeS=Cu2S+FeO
2FeS+3O2+SiO2=2FeO2+2SO2+Si
2FeO+SiO2=2FeO·SiO2
第二步则是冰铜吹炼，在竖炉中以木炭热还原上述氧化焙烧料，而得到金属粗铜。反应大致如下：
2C+O2=2CO
2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2↑
2Cu2O+2CO=4Cu+2CO2↑
Cu2S+2Cu2O=6Cu+SO2↑
2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑
2FeO+SiO2=2FeO·SiO2（炼渣）
在古代的技术条件下，用硫化铜所冶炼出的金属铜中，往往会含有明显量的铁和硫，及由共生矿物引入的砷、铅、锡、锌、银、锑等以及残余的冰铜和氧化焙烧的中间产物。另外在焙烧炉的烧渣中还会检验到冰铜残渣及以上共生元素。因此，目前就是通过对古炼铜遗址出土的铜锭、炼渣和遗址附近的残剩矿石，来判断该遗址当年所采用的矿石及冶炼工艺。
我国古代的冶铜技术究竟在什么时候已进步到能冶炼硫化矿，至今还没有明确的定论，随着冶炼遗址的考古发掘工作不断取得新进展，这个时期也逐步在提前。从迄今取得的资料看，我国大约在距今2700多年的春秋时代，个别地区的冶炼技术已经进步到这个阶段。
1987年，李延祥等对内蒙古昭乌达盟赤峰市林西县大井古矿冶遗址的发掘和研究表明，它属于夏家店上层文化，相当于春秋早期。在该遗址，当年的工匠曾用石质工具较大规模地开采了铜、锡、砷共生硫化矿石，矿石经焙烧后直接还原熔炼出了含锡、砷的金属铜合金。该遗址在赤峰市林西县官地乡，铜矿区的矿石主要类型为含锡石、毒砂（FeAsS）的黄铁矿黄铜矿，少量为黄锡矿。遗址发掘中出土了多座炼炉以及炉渣（炼渣）、炉壁、矿石，对当时的冶炼技术提供了相当丰富的实物资料。在8个炼区中，发现4座多孔窑式炼炉和8座椭圆形炼炉。
前一种当是焙烧炉，距采矿坑很近。采集到的炉渣中发现有白冰铜Cu2S的颗粒，推测焙烧的过程是这样的：首先在山坡较平坦处挖一个直径约为2米的炉坑，坑内先铺一层木炭，其上堆放矿石，再以草拌泥将矿石堆封起来（目的是减少热量损失）。在封泥上留有若干圆形排烟（SO2）孔和鼓风口。点燃木炭并鼓风入内后，焙烧反应即开始进行。由于焙烧反应是放热反应，因此当矿石热到起火温度后就无需再补充燃料，焙烧反应便可持续下去。
后一种则是还原熔炼炉，有拱形炉门，以排放铜液和炼渣。炼炉周围发现有炼渣、木炭，表明木炭是作为燃料和还原剂的。炼渣中SiO2、FeO和CaO的含量总和占到80%~90%，可以推断出这种炼渣的熔点在1100~1200℃，炼渣里夹有石灰石颗粒，表明冶铜时可能已利用了石灰石做助熔剂。在炼渣中残余的金属颗粒已形成合金，一些有代表性的合金颗粒经化学分析，含铜约70%，锡约20%，砷约5%。这是我国迄今发现的最早的开采、冶炼硫铜矿的遗址。
迄今发现的另一个先秦冶炼硫化铜矿石的地区是春秋时的楚地，今安徽铜陵地区。自20世纪70年代以来，曾在该地区的贵池县徽家冲、铜陵市木鱼山和凤凰山、繁昌县孙村乡犁山、南陵县江木冲等处的古铜矿冶遗址出土过数量相当多的铜锭以及一些炼炉和炼渣，冶炼时间都在西周到春秋晚期。铜锭皆菱形，表面粗糙，多呈铁锈色。最近陈荣等对其中铜陵、繁昌出土的铜锭进行了检测，它们都含有冰铜白硫体（2Cu2S·FeS）、氧化焙烧的中间产物以及Sn、CuFeO2等；对一些炼渣也进行了检测，发现其含有20%~30%的铁及10%~20%锡，并含明显量的银和铋，可初步证明这些铜锭是用冰铜冶炼的，即早在春秋时期那里已开采冶炼硫化铜矿。
再者，据悉考古与冶金史学者还发现了新疆地区战国铜矿冶炼遗址、山西中条山战国冶铜遗址。从这两处遗址中采集到了炉渣，经研究初步判定，都使用了硫化矿冶铜技术。但详细的研究报告尚未见发表。此外，从安徽贵池战国青铜器窖藏所出的板状铜锭，经检验，其中含铁量达30%以上，含硫量约为2%，估计那时硫化铜矿在该地区也已经开始冶炼。但是以目前所掌握的资料，做全面的考察，在春秋战国时代已能冶炼硫铜矿的地区还不多，而普遍开采、冶炼，当在汉代。
古籍中关于开采、冶炼硫铜矿的记载出现得很晚，而且非常有限。明代人陆容（1436~1494）所撰《菽园杂记》（卷十四）有一段有关当时炼铜的记述，是一份很难得的资料。原文如下：
每火平铜一料，用矿二百五十箩（每三十余斤为一小箩。虽矿之出铜多少不等，大率一箩可得铜一斤），炭七百担，柴一千七百段，雇工八百余。用柴炭装叠烧两次，共六日六夜。烈火亘天夜，则山谷如昼，铜在矿中既经烈火，皆成茱萸头，出于矿面。火愈炽，则熔液成驼（砣）。候冷，以铁锤击碎，入大旋风炉，连烹三日三夜，方见成铜，名日生烹。有生烹亏铜者，必碓磨为末，淘去龙浊，留精英，团成大块，再用前项烈火，名日“烧窖”。次将碎［块］连烧五火，计七日七夜。又依前动大旋风炉，连烹一昼夜，是谓成“釽”（原注：原嘲）。釽者，粗浊既出，渐见铜体矣。次将釽碎，用柴炭连烧八日八夜，依前再入大旋风炉，连烹两日两夜，方见生铜。次将生铜击碎，依前入旋风炉烀炼，如烀银之法。以铅为母，除滓浮于面外，净铜入炉底如水，即于炉前逼近炉口铺细砂，以木印雕字，作处州（按：处州相当于今浙江丽水、青田、龙泉一带）某处铜，印于砂上，旋以砂壅印，刺铜汁入砂匣，即是铜砖，上各有印文。
这是作者在浙江任参政时的实录，所记当为处州的铜冶情况。文中名曰“生烹”及“钒”者，皆为焙烧产物，其中当包含冰铜。将它们击碎，连柴炭一起入大旋风炉，即进行还原冶炼，初所成“生铜”当是粗铜，再数次入旋风炉冶炼，才得到成品铜，再铸为铜砖。所以陆氏说：“得铜之艰，视银盖数倍云。”我国古代有所谓“三十炼铜”、“百炼铜”之说，看来就是反复精炼的过程。
铜砂冶炼宋应星在其《天工开物》中也述及铜的开采与冶炼，虽较简略，但着重提到铜铅、铜银共生矿的冶炼，并附有精美插图，今亦摘录如下：
凡铜砂，在矿内形状不一，或大或小，或光或暗，或如鍮石（指黄铜矿），或如姜铁（大概指黄铁矿石）。淘洗去土滓，然后入炉煎炼，其熏蒸旁溢者为自然铜（即还原出的金属铜），亦曰“石髓铅”。凡铜质有数种：有全体皆铜，不夹铅、银者，洪炉单炼而成；有与铅同体者，其煎炼炉法，傍通高低二孔，铅质先化，从上孔流出，铜质后化从下孔流出。东夷铜（指日本国的铜矿）又有托体银矿内者，入炉炼时，银结于面，铜沉于下。
我国自汉代以后，炼铁、炼钢技术发展很快，制造工具、兵器的金属为钢铁所取代。而商业的发展，要求铸造更多的货币，因此青铜大量转而用于制造货币。此外，战国以后，青铜还多用于制作供王公贵族享用和欣赏的小型礼器、明器、铜镜、工艺品和乐器等，其工艺朝着精巧、美观、艺术化的方向发展，其中多有镏金、错金、错银的装饰，是我国文物中的珍品。而最迟从唐代以后，炼铜的原料也逐步以资源较丰富的硫铜矿为主了。宋代时曾把以矿石为原料、用火法冶炼的称为“黄铜”，就是因为所用矿石为黄色硫铜矿的缘故。
中国首创的“胆水炼铜”
在我国的冶铜史上，除了火炼法以外，还有一种独创的“胆水炼钢法”曾盛行于两宋时期。这种方法的原理就是利用化学性质较活泼的金属铁从含铜离子的溶液中将铜置换出来，再经烹炼，制得钢锭。所利用的原料是天然的胆水。原来在自然界中的硫化铜矿物经大气中氧气的风化氧化，会慢慢生成硫酸铜，我国古代称之为胆矾或石胆，因为它色蓝如胆。再经雨水的浇淋、溶解后便汇集到泉水中，这种泉水就是所谓的“胆水”。当泉水中的硫酸铜浓度足够大时，便可汲来，投入铁片，取得金属铜，所以也叫“浸铜法”。这种方法的采用以我国为最早，在世界化学史上是一项重大的发明，可谓现代水法冶金的先声。
浸铜法的渊源很早。对于这一化学变化的观察和认识可追溯到西汉初期。西汉淮南王刘安（前179~前122）所主撰的《淮南万毕术》（今仅存残篇辑录本）已提到“白青得铁，即化为铜”。“白青”就是孔雀石类矿物，化学组成是碱式碳酸铜。东汉时期编纂成书的《神农本草经》也记载：“石胆……能化铁为铜。”这一“奇特”现象此后便受到历代炼丹家的注意，东晋炼丹家葛洪（283~343）在其所著《抱朴子·内篇·黄白》中也提到：“以曾青涂铁，铁赤色如铜……而皆外变而内不化也。”“曾青”大概是蓝铜矿石，也有人认为就是石胆。葛洪对这个化学变化的观察便又深入了一步。梁代陶弘景在其《本草经集注》中又指出：“鸡屎巩（大概是一种含硫酸铜的黄矾，所以黄、蓝相杂）……投苦酒（即醋）中涂铁，皆作铜色。”但当时人们对这个化学反应普遍有一个错觉，误以为是铁接触到这些含铜物质后会转变为金属铜，因此在炼丹家们的心目中，这些物质就成了“点铁成金”的点化药剂了。
唐代时炼丹家们把这种“点化”的铜美其名曰“红银”，在炼丹术中正式出现了浸铜法。唐明皇时的内丹家刘知古曾上《日月玄枢论》，其中便说道：“或以诸青、诸矾、诸绿、诸灰（按即前述白青、曾青、石胆之类含铜物质）结水银以为红银。”这种“以诸青结水银以为红银”的方法在唐代后期炼丹家金陵子（可能为金陵人）所撰炼丹术专著《龙虎还丹诀》中有翔实的记载，他曾利用了15种不同的含铜物质炼制“红银”，其中“结石胆砂子法”的操作要领如下：将水银及少量水放在铁制平底锅中加热，到水微沸，投入胆矾，于是铁锅底便将硫酸铜中的铜取代出来，而在搅拌下生成的铜便与水银生成铜汞齐，而使铁锅底重新裸露出铁表面，得以使置换反应持续进行下去。当生成的铜足够多时，铜汞齐便会凝固而成砂粒状，被称为“红银砂子”。将“砂子”取出，置于炼丹炉中加热，蒸出水银，就得到“红银”了。因资料难得，兹将此要诀的原文中结红银砂子部分节录如下。
结石胆砂子法：句容（含江苏句容县）石胆子一斤、水银一斤。右先取一平底铛，受五六升或一斗已（以）下者，以瓦石尽日揩磨铛内底上，令白净。就中拣取铛底平细者，即易揩磨，切忌油腻，如用旧铛，即需烧过，与火色同止。磨洗亦中。水没汞半寸已来（左右），令容得汞药即得，不可令深。即下药一两颗块，投.于汞上。以文火鱼沸已（以）下。如水少，以匙抄热水散泻于铛缘，令散流入，煮两炊久一度纟戾（以粗麻布过滤），计得一两砂子，已（以）上须着气力紧纟戾为佳，遍遍如此，以尽为限，所结一炊久即可纟戾，大抵不多时。其句容［石胆子］每度下二两亦得，药多结［砂］亦校［较］多。口诀是：水须浅，火须文为妙。入此法只用一味清水，不兼诸药。结时成不同诸方，甚是。上法结，以口次水面开，当见水银自遍散如煎饼状，满铛底。加火，药临时更秤，意其水银直上铛四缘来，故知药力气感化也。收砂子时每度须以瓷片于铛底熟刮下，令净收之，遍遍如此，以尽为度。如用铫子中结亦得。
金陵子对这个化学变化居然做过定量研究，他说：“余曾各称诸色，分明记录。一度煮结，铛欠五两，红银只得四两半，故都是铁，不虚也。”然而他仍错误地认为红银是铁受“药力气感化”而变成的“上上精华铁”——红银。金陵子还引述了天目山徐真人对“石胆红银法”的赞歌，其前四句是：“白珠（水银）碧水（胆水）平铛中，文武微微声渐雄。一伏（一伏时即一昼夜）三时成半死，再烹经宿变成铜。”看来唐代炼丹家们对这种新颖的浸铜法已普遍有所了解。
至五代时（也可能在唐代后期），这种浸铜法发展成为一种生产铜的方法，当时南汉人轩辕述在其所撰《宝藏畅微论》已提到：
铁铜，以苦胆水浸至生赤煤，熬炼而成黑坚。
到了北宋时期，逐步出现了规模相当宏大的胆水冶铜工场。宋太平兴国年间成书的《太平御览》（卷九八八）“药部·白青”条中已提到：“取矾石、白青分等冶炼台铁，即成铜矣。”在哲宗元祐、绍圣及徽宗崇宁年间这种生产达到了高峰。据《宋会要辑稿·食货三四之二五》记载，北宋徽宗建中靖国元年负责江南炼钢业的官员（提举江淮荆浙福建广南诸路铜事）游经曾统计当时胆水浸铜的地区，主要有11处，即韶州岑水（在今广东翁源县）、潭州浏阳（在今湖南浏阳县）、信州铅（音沿）山（今江西铅山县）、饶州德兴（今江西东北德兴县）、建州蔡池（在今福建北部建阳附近）、婺州铜山（今浙江永康县）、汀州赤水（在今福建长汀县附近）、邵武军黄齐（在今福建西北邵武市附近）、潭州矾山（当在今湖南浏阳附近）、温州南溪（在今浙江南部永嘉县附近）、池州铜山（在今安徽铜陵市附近）。不过规模较大，生产持久的是信州铅山、饶州德兴和韶州岑水三处。《宋会要辑稿·食货三三之十八》记载了崇宁年间东南潼川府、湖南、利州、广东、浙东等九路的铜产情况，谓“铜场岁收租额（当指崇宁二年）总七百五万七千二百六十三斤八两（以火法冶炼为主）。［内计］饶州兴利场胆铜五万一千二十九斤八两；信州铅山场胆铜三十八万斤；池州铜陵县胆铜一千三百九十八斤；韶州岑水场胆铜八十万斤；潭州永兴场（在浏阳，参见《宋史·食货志》）胆铜六十四万斤；婺州永康县胆铜二千斤”。也就是说崇宁初六个胆铜场的定额为1874427斤，占到当时东南诸路、州铜产量的25.84%，约占当时全国铜产量的12%，已是相当可观了。
在北宋元丰、元祐年间，在江西饶州府有一位生产胆铜的技术能手，名叫张潜，总结了这种经验，写成《浸铜要略》一书。据宋·王象之《舆地纪胜》记载：“饶之张潜通方伎，得变铁为铜之法，使其子（按名张甲）诣阙献之，朝廷行之。饶之兴利、韶之岑水，皆其法也。”。可见这部书对宋代胆铜业的兴起、发展曾产生了巨大的促进作用，可惜它已佚传。至元代时，他的后人张理于至正十二年“献其先世《浸铜要略》于朝，宰相认其书之有益绝费，为复置兴利场”。于是张理被“授理为场官”，并请危素写了一篇《浸铜要略序》，使我们今日才得以知该书缘由之大略。
现将北宋年间三个规模较大的胆铜场的基本情况略作说明：
信州铅山场据清·顾祖禹《读史方舆纪要》（卷八十三）记载：“信州铅山县铜宝山……县治西南，石窍中胆泉涌出，浸铁成铜。天久晴有矾可拾。一名七宝山，宋建隆三年（962）置铜场。”但该铜场还不是胆水浸铜场。北宋时的著名科学家沈括在其所著《梦溪笔谈》（撰于1086~1093）中已记载：“信州铅山县有苦泉，流以为涧。挹其水熬之，则成胆矾，烹胆矾则成铜。熬胆矾铁釜，久之亦化为铜。”所以至迟在元祐年间那里已经试行浸铜法生产，大概已有了小型的作坊了。而在“绍圣元年，其利渐兴”（《读史方舆纪要》卷八十五）。在绍圣三年（1096年）或四年正式建成胆水浸铜场（《皇宋中兴两朝圣政》卷十二：“绍圣三年又置信州铅山场。”《读史方舆纪要》卷八十五：“广信府铅山县锁山门……宋时为浸铜之所，有沟漕七十七处，兴于绍圣四年。”）。据《宋会要辑稿·食货三四之二五》记载：“崇宁元年（1102）户部言：游经申，白兴置信州铅山场胆铜以来，收及八十九万八千八十九斤八两。”于是在次年规定其岁额为三十八万斤。
（2）饶州兴利场。在今江西东北，景德镇与上饶之间。《读史方舆纪要》（卷八十五）谓：“饶州府德兴县大茅山……铜山在县北三十里，唐置铜场处。山麓有胆泉，土人汲以浸铁，数日辄类朽木，刮取其屑，煅炼成铜。”据《浸铜要略序》对当时兴利场的情况有过一些介绍，谓：“盖元祐元年（1086）或言取胆泉浸铁，取矿烹铜。其泉三十有二，五日一举洗者一，七日一举洗者十有四，十日一举洗者十有七。”说明了兴利场的泉数及各泉所含胆矾浓度的相对差异。据《皇宋中兴两朝圣政》（卷十二）记载：“元祐（1086~1094）中始置饶州兴利场，岁额五万余斤。”它大概是兴建最早的胆水浸铜场。
韶州岑水场据《读史方舆纪要》（卷一百）记载：“翁源县，岑水在县北，源出羊迳，一名铜水，可浸铁为铜，水极腥恶，两旁石色皆赭，不生鱼鳖、禾稼之属，与曲江县胆矾水同源异流。”故知岑水场在今翁源县。如前文所说，岑水场也是在张甲建议下，并依其父张潜推荐的浸铜法兴建的。建场亦当在元祐至绍圣年间，崇宁中岁产胆铜额为八十万斤。
关于宋代的浸铜工艺，也有一些记载，表明各铜场因地制宜，各有创新，并不断在改进。明代谈迁所撰《枣林杂俎》（中集）记载了铅山场在初时所采用的方法，谓：
铅山县西七里铜宝山，有貌平坑，石窍中胆泉流出，浸铁可为铜。又鹅湖乡，去县治七十里，有沟漕七十所，取本地水积为池，随地开沟，碎铁铺之，浸染色变，锻则为铜。
《读史方舆纪要》的记载则更为翔实些，谓：
有沟漕七十七处，各积水为池，随地形高下深浅，用木板闸之，以茅席铺底，取生铁击碎，入沟排砌，引入通流浸染，候其色变，锻之则为铜，余水不可再用。用这种方法让还原出的铜沉积在茅席上，将席取出，即可收集“铜煤”，似乎很方便。但实际不然，因为必然有残余碎铁与“铜煤”混在一起，“锻之为铜”时，铁将混入铜中，影响了铜的质量，而且从草席上刮取下“铜煤”也并不省事。《宋会要辑稿·食货一一之三》则介绍了另一种工艺。
浸铜之法：先取生铁打成薄片，目为锅铁，入胆水槽，排次如鱼鳞，浸渍数日，铁片为胆水所薄，上生赤煤，取出刮洗，钱（赤）煤入炉烹炼，凡三炼方成铜。其未化铁，却添新铁片，再下槽排浸。这种方法较少地使碎铁引入赤煤，有益于胆铜质量的提高，当是对前法的改进。《宋史·食货志》（卷一三三）说：采用这种方法，在绍兴十三年（1143）时“大率用铁二斤四两得铜一斤”，并指出是根据饶州兴利场和信州铅山场的记录，表明这是铅山场后期（南宋时）采用的工艺。
据南宋人张端义的《贵耳集》（下卷）记载，乾道年间韶州岑水场每年用百万斤铁，浸得二十万斤铜，即每斤铜需耗铁五斤，与饶州、信州相比，要超出一倍了。不过这时岑水场已是采用下文所说的“淋铜法”了。
除了浸铜法以外，游经还在崇宁元年提出（见《宋会要辑稿·食货三四之二五》）利用胆土的煎铜法：
古矿有水处为胆水，无水处为胆土。胆水浸铜工少利多，其水有限；胆土煎铜，工多利少，其土无穷……胆水浸铜，斤以钱五十为本；胆土煎铜，斤以钱八十为本，比之矿铜（采掘铜矿石，以火法冶炼），其利已厚。
由于浸铜法需依赖胆泉，在天旱之年无法生产，所以才发展出煎铜法，即所谓“水有限，土无穷”。胆土当是开采铜矿时的碎矿渣及硫铜贫矿经风化氧化后而变成的硫酸铜与土质的混合物，即金陵子所说的“土绿”之类。因此，为取得胆土，则先开采硫铜贫矿，堆积起来，使之风化氧化，然后再置于盆中，用水浸出胆水，再浸渍铁片。当然，在经开采过的老铜矿区，想必也常可直接掘到这类胆土。宋人洪咨夔曾作《大冶赋》，对此法也有所描述。据《宋会要辑稿·食货三四之二八》记载，“韶州岑水场措置创兴是法”，始于政和五年，到了乾道八年（1172年）时，那里“增置淋铜盆槽四十所，得铜两万斤”。可估算出每所盆槽平均年产铜500斤左右。
在金人南侵，赵宋偏安江南以后，铜坑冶从此一蹶不振，到了绍兴末年（1162）南宋所领江南十州岁产铜仅263000余斤，才及元丰元年1.8%，即使与崇宁初年江南地区产铜额比较，也只有3.7%。而乾道元年胆铜产量为212770.3斤（见《宋会要辑稿·职官四三》），也只及崇宁初年的11.4%，但若相对地看，它却占到当时南宋铜产量的80.8%，可见胆铜生产在南宋时期具有至关重要的意义。
胆铜在南宋时期主要用来铸币。从南宋钱币的检测来看，其中含铁量高达1%以上，较北宋铜钱中含铁高出一二十倍，说明胆铜质量是不高的。《宋史·食货志》也说：“［端平］元年（1234）以胆铜所铸之钱不耐久，旧钱之精致者泄于海舶。申严下海之禁。”
到了南宋后期，胆水浸铜便完全没落了。在元代时，据《元史·顺帝本纪》记载，至正十二年曾恢复饶州德兴三处的胆铜生产，但此后的胆铜生产始终规模不大，浸铜之所，逐渐废弃，淋铜生产法也渐趋终结。及至明代，胆铜生产又曾一度有所恢复，《明史·地理志》说：“［江西］德兴县北有铜山，山麓有胆泉，浸铁可以为铜；铅山县西南有铜宝山，涌泉浸铁，可以为铜；［浙江］上杭县有金山，上有胆泉，浸铁能为铜。”又据《明史·食货志》记载：“宣德三年九月，免江西德兴、铅山浸铜丁夫杂役。二县铜产岁浸铜五十余斤。”但总的来看，明代胆铜生产在铜冶中仍不占重要地位，所以《天工开物》对此法已不再介绍。胆铜业衰退，究其原因，有资源枯竭的问题，但含铁过多，质地虚脆，精炼又费时费工，在经济上也不大合算，这恐怕也是重要的原因。所以我们对宋代的胆铜生产也当有一个全面的评价。
名窑林立的宋代瓷艺
在唐、五代瓷业大发展及瓷艺显著进步的基础上，宋代瓷业出现一派繁荣。据考古发现，宋代瓷窑遗址遍布今全国17个省、自治区的134个市县。其瓷业虽然没有完全改变唐代“南青北白”的局面，但是各地瓷窑所生产的瓷器在造型、釉色及装饰上各有特色，形成了人们通常所说的六大窑系：定窑系、耀州窑系、钧窑系、磁州窑系、龙泉青瓷窑系和景德镇青白瓷窑系。市场的激烈竞争使各瓷窑系都创造出一批有特色的名瓷，争奇斗艳。上述六大窑系都是民窑，产品主要满足社会各阶层人们的需求。此外还有专门为宫廷生产，产品一般不作为商品的官窑。官窑的工匠来自民窑，但往往集中了一批有才华绝技的工匠，所以烧出来的瓷器有许多属于精品，体现了当时制瓷工艺所达到的精湛水平。瓷业市场上繁花争艳的壮景足以反映宋代瓷业的发达兴旺。
下文我们仅从陶瓷科技史和陶瓷化学的角度，择宋瓷中别具特色的名瓷进行探讨。
定窑的牙白瓷器
定窑是宋代著名的瓷窑之一，据考古发现，定窑的窑址在今河北曲阳县涧磁村及东西燕山村。曲阳县宋属定州，故定窑因地而得名。定窑烧白瓷是受邻近邢窑的影响，当时邢窑早巳盛名满天下，定窑仿烧是很自然的。在晚唐时，它开始烧造瓷器。唐、五代时期烧制的白瓷在外观上与邢窑白瓷十分相似。到了北宋，定窑逐渐形成了自己独特的工艺技术，以大量烧制别具风格的刻花、印花白瓷而著称于世，开创了我国日用白瓷装饰的先声，影响极为深广。
根据对出土定窑瓷器的观察和测试，可以看到定窑的早期产品胎质较粗，呈灰黄色，略带褐色，铁斑甚密，而靠在胎釉之间敷一层化妆土来改善它的白度。到了五代，质量有所提高，胎质已呈致密细白，不再需要化妆土的遮掩，其釉色白里泛青，不次于近代的一般白瓷。北宋时定窑白瓷在釉色上略带牙黄，这主要是在氧化焰中烧成。釉薄而透明，胎上的印花、刻花明显透露，有的连胎色亦显现在外。
宋代定窑白瓷除其釉色有独特风格外，新颖的装饰艺术也是使它闻名的重要因素。其装饰方法有三种：刻花、划花、印花。它吸取了越窑的浮雕技法，又以刻花结合篦状工具划刻复线来装饰图案，更增强了纹饰的立体感。印花装饰也具有线条细密、层次分明的特点，不仅美观，而且也提高了加工效率。此后定窑的装饰技巧被推广到其他名窑，促进了各地陶瓷装饰艺术的发展。
定窑在烧制工艺上的一项创造是采用覆烧的方法，即将盘、碗、碟之类器皿反扣地装入支圈式匣钵内烧成。这种方法达到密排套装的效果，提高了窑室空间的利用率，既节约了燃料，还可防止器皿变形。这种方法也很快被推广开来。但是覆烧工艺也有不足之处，器皿的边沿往往出现无釉的芒口。当时为了弥补这一缺陷，工匠们又创造了运用合金镶包边沿的方法，从而增添了新的装饰手段。
总之，从制造技术水平和装饰艺术来看，北宋定窑白瓷都属于高水准的，被列为宋代名窑之一，当之无愧。
磁州窑的铁锈彩绘
磁州窑在宋代文献中不见记载。明代初期文献才开始提到，此后文献记载日渐增多。这是因为它是民间窑系，初时未受官方重视，一些文人对它的评论也不大公允。明人曹昭的《格古要论》说：“古磁器，出河南彰德府磁州，好者与定器相似，但无泪痕，亦有划花、锈花，素者价高于定器，新者不足论也。”其实磁州窑瓷器在装饰技巧上的创新和质朴豪迈的艺术风格，对制瓷工艺的发展产生过深远的影响，在中国瓷器装饰艺术上具有划时代的意义。
根据文献和考古发掘资料，磁州窑位于今河北邯郸的观台镇和彭城镇附近以及东艾口村、冶子镇一带。宋属磁州，故名之。磁州窑创始于北宋，但延续时间最久，在民窑系中也最著名。已发掘的几处遗址，出土了数以千计的瓷器，大多是日常生活必需的盘、盆、罐、碗、瓶、枕、壶、灯之类。品种除白釉、黑釉外，还有白釉画花、白釉剔花、白釉绿斑、白釉褐斑、白釉釉下黑彩、白釉釉下酱彩、白（黑）釉釉下黑（白）彩剔（划）花、白（酱）釉釉下酱（白）彩剔（划）花、珍珠地划花、绿釉釉下黑彩、白釉红绿彩和低温铅釉三彩等。其中以白釉釉下黑彩和白釉釉下酱彩的装饰为主流。磁州窑瓷器不仅装饰手法众多，而且绘画题材大多来源于民间生活，笔调简练，格调清新，表现出民间艺术所共有的乡土气息，形成了自己独特的风格。
磁州窑以白釉、白色化妆土、黑釉、黑色绘料（当地一种铁锰高含量的斑花石）、红色矾、红色料以及黄、绿、蓝等玻璃釉为主要装饰材料，更通过画花、剔花、划花等工艺手段，创造出俗称为“铁锈花”的装饰，发展了刻、划花技艺，发明了红绿彩以及窑变黑釉等技艺，从而构成了磁州窑装饰艺术的多种特征。铁锈花是将中国民间绘画剪纸技巧开始运用于陶瓷装饰的一种创造，常见的有白地铁锈花，即在敷有白色化妆土的坯体上用斑花石色料绘画，敷釉料后烧成，由于烧成温度的高低不同，会在白地上呈现出黑花或酱色花，实际是一种釉下彩；黑釉铁锈花，即在已施黑釉的坯体上绘彩，烧成后呈现黑地褐彩；彩釉铁锈花，即在敷有白色化妆土的坯体上绘花，经素烧后，再施各色玻璃釉，二次烧成，所以也属釉下彩；铁锈花加彩则是在白地铁锈花基础上，加上点画不同配比的斑花石和白色化妆土的混合料，烧成后呈现出黑花和不同深浅的酱彩。
磁州窑的剔（刻）划装饰是在青瓷刻画技法基础上发展起来的，它通过剔、划、填等技巧，使纹样的局部与整体、纹饰与底色形成对比，更鲜明地反衬出纹样的形象，取得立体的美感效果。这类瓷是磁州窑中的高档品，其技艺后来为南宋时的建窑和吉州窑所继承。红绿彩是一种釉上彩，它是在施白化妆土的素白瓷器上，加彩绘后再经低温烧烤而成。它是我国最早的釉上彩，为宋以后的五彩瓷绘的出现奠定了基础。窑变黑釉宋代磁州窑的“铁锈”彩绘则是采用当地含铁量较高的黄土为釉料，烧成后釉层一般呈黑褐色，但是由于施釉的厚薄、窑温的高低及火焰的气氛不同，还会产生赭褐、黑红、黑蓝、墨绿等多种色调，而且往往在同一炉窑内烧出多种色泽的瓷品，变化多端，耐人寻味。
磁州窑的制瓷工匠勇于探索，在工艺上广采博收，在工艺和装饰艺术上更是别具匠心，有许多创新，为后来彩瓷的发展提供很多经验和借鉴。如果说白瓷的烧制成功在陶瓷工艺发展上具有划时代的意义，那么磁州窑在白瓷装饰上的探索为陶瓷工艺的发展开创了崭新的境界。