铜的使用和发展一直贯穿人类文明始终。1991年发现的史前人类奥兹冰人(Ötzi)的随身物品是一把锋利的铜斧。20 24年我们爱不释手的手机中也有铜做成的电路板。古老的铜,在历经三次工业革命之后,依然是离我们人类最近的工具。
自然铜,化学符号Cu(源自拉丁语"Cuprum"),是一种具有显著特性的金属元素,位于元素周期表中的第29位,分子量63.546。通常,铜以铜矿石的形式存在,表现为多样的化合物状态。自然铜以其鲜明的红棕色著称,并以其卓越的导电性和导热性而受到重视,是已知的最好的几种导体之一。其结构为面心立方晶体,在纯净状态下展现出较高的塑性。然而,由于硬度较低(约在2.5到3之间),自然铜表面容易被常见硬物划伤。在物理特性方面,自然铜的熔点达到1357.77K(1083.4℃),而沸点为2835K(2562℃),表明它在极高温度下仍能保持稳定的物理状态。此外,自然铜具有良好的耐腐蚀性,使其在多种环境下均不易生锈或腐蚀。
在中国,大多数铜矿床是通过热液解决作用形成的。这些热液矿床通常与岩浆活动相关,尤其是花岗岩侵入体相关的热液活动(倪培 et al.),这类矿床在中国东部的许多地区尤为常见。斑岩铜矿是另一种重要的矿床类型,也与岩浆活动有关,特别是与大型的火山-侵入岩复合体相关。虽然斑岩铜矿是全球范围内最主要的铜矿资源之一,但在中国,这种类型的矿床相对较少,主要分布在西藏、云南等地区。
全球自然铜的主要产区包括南美洲秘鲁和智利境内的安第斯山脉西麓、美国西部的洛杉矶和大坪谷地区、非洲的刚果和赞比亚等地区。特别是作为世界主要铜生产国的智利和秘鲁,其国内的矿业罢工事件甚至会导致全球铜价短期内波动。
约在9000年前的新石器时代晚期,人类开始认识到自然铜的存在,并加以利用。这一时期,自然铜被加工成各种工具,如刀剑、匕首、镰刀等,成为了当时人类工具制作的理想材料。在美索不达米亚、埃及、印度河流域等早期文明中,自然铜的使用推动了农业和手工业的发展。特别是在美索不达米亚地区,自然铜的利用不仅改善了农业生产工具,还促进了城市的兴起和文明的发展。
随着时间的推移,人们开始意识到单一的自然铜材料的局限性,尤其是其较低的硬度和耐磨性。为了改善这一情况,人们开始尝试混合自然铜与其他元素,尤其是锡。这一时期被称为铜锡并用时期,标志着青铜时代的开始。
青铜是铜与锡的合金,锡与铜形成了固溶体,使得合金的晶格结构发生了变化,从而改变了其物理和机械性质。经现代科学测定,红铜的硬度为布林氏硬度的35度,加锡5%,其硬度就提高为68度,加锡10%,其硬度会进一步提高为88度,如果经过锤炼,其硬度可继续提高。
同时,锡的添加可以使得合金表面形成一层致密的氧化物膜,这种膜可以防止进一步的氧化,从而提高了青铜的抗腐蚀性。此外,青铜合金的特性还受到了热处理和工艺技术的影响。人们发现通过合适的热处理可以进一步改善青铜的性能,比如通过退火或淬火可以调整合金的晶粒大小和结构,从而影响其力学性能和耐久性。
这一时期的铜石并用技术逐渐发展,人们掌握了混合不同比例铜和锡的方法,并且开始生产更加精细的青铜器物。在中东、中国、地中海地区等地,青铜器物的生产达到了顶峰,成为了当时文明发展的象征。
例如,在古埃及,青铜器物的制作技术达到了相当高的水平,人们制造了精美的青铜工艺品,如雕像、饰品、器皿等,这些作品不仅在美学上十分出色,还反映了古埃及文明的宗教和社会价值观。在中国,青铜器物的制作技术也达到了巅峰,青铜器的铸造技术、表面处理技术等方面都取得了很大进展,为当时的社会和文化生活增添了光彩。在地中海地区,青铜器物成为了古希腊和古罗马文明的重要组成部分,展现了当时社会的繁荣和发展。总的来说,早期文明时期的自然铜利用不仅促进了工具制造和手工业的发展,还对文明的进步产生了深远的影响。
在改变人类命运的石头中,自然铜的存在渗透于文明的每一个角落。从奥兹冰人的手中铜斧——那古朴的“凿云霞于万石”,到现代城市的铜缆——如“织细云于碧空”,这静默的守望者,以其独特的光泽承传了历史的重压,也悄然铺就了未来的径路。