制作：李俞桥、邵颖峰（中国科学院力学研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
或许你曾在故宫博物馆中看到过这尊清雍正仿哥窑弥勒佛鎏金像。
图1 清雍正仿哥窑弥勒佛鎏金像（图片来源参考文献【1】）
佛像的僧衣袈裟上的纹路自然，特点鲜明，这其实运用了一种名叫“开片”的技术。
“开片”又名冰裂纹，是指瓷器釉面的一种自然开裂现象，被广泛运用在烧制瓷器上。自然情况下，瓷器历年既久，表面釉层会渐渐内裂形成裂纹，或呈鱼子纹，或呈牛毛纹。
图2 牛毛纹开片（图片来源：搜狐新闻）
冰裂纹独一无二、变化多样，人们开始想主动控制瓷器釉面的开片。人为开片始于宋代“哥窑”。“哥窑”名列宋代五大名窑，在陶瓷史上有举足轻重的地位。哥窑瓷器釉面润泽如酥，颜色有炒米黄、青灰等。釉层较厚，釉面开有大小各异的纹片，俗称“金丝铁线”，这也是传世哥窑的主要特征之一。
图3 哥窑青釉葵瓣口盘(图片来源：故宫博物院)
“金丝铁线”的发现，竟然是一场醋意引发的“乌龙”
关于金丝铁线曾有一个传说。相传，宋代龙泉县有两兄弟，章生一、章生二，他们的父亲因擅长制青瓷而闻名遐迩。生一、生二兄弟俩自小随父学艺，老大章生一厚道、肯学、吃苦，深得其父真传，章生二亦有绝技在身。
章父去世后，兄弟分家，各开窑厂。老大章生一所开的窑厂即为哥窑，老二章生二所开的窑厂即为弟窑。兄弟俩都烧造青瓷，各有成就。但老大技高一筹，烧出“紫口铁足”的青瓷，一时名满天下，其声名传至皇帝，龙颜大悦，钦定章生一为其烧造青瓷。烧制过程中，老二心眼小，心生妒意，趁其兄不注意，打开窑门使冷空气进入，造成满窑瓷器的表面的釉面全都开裂了。
裂纹有大有小，有长有短，有粗有细，有曲有直，且形状各异，有的像鱼子，有的像柳叶，有的像蟹爪。老大欲哭无泪，痛定思痛之后，他重新振作精神，他泡了一杯茶，把浓浓的茶水涂在瓷器上，裂纹马上变成茶色线条，他又把墨汁涂上去，裂纹立即变成黑色线条，这样，不经意中形成“金丝铁线”。
传说是否真假我们不知，冰裂纹原本是瓷器的缺陷，但它的自然天成、变幻无穷和独一无二，让人们为之着迷，至今仍然受到许多人追捧。
图4 哥窑青釉弦纹瓶（图片来源：故宫博物院）
如何烧制出带冰裂纹的瓷器？
上文中提到章生二打开窑门使冷空气进入，造成其兄满窑瓷器釉面都开裂了，这是因为：当冷空气进入窑内，瓷器表面的釉面受冷，由于热胀冷缩，釉面快速收缩，但是此时内部坯体的温度下降得很少，这样釉面就会受到坯体阻止釉面收缩的拉力（如图5）。当釉层表面产生拉应力超过釉层的强度，釉面就会开裂。
或许你会想问，烧窑时瓷器随炉冷却为什么不会造成釉面开裂呢？那是因为随炉冷却时虽然也是釉面开始冷却，但是冷却的速度比较慢，使得冷却过程中受到的拉应力比较小，达不到釉层的强度，也就不会开裂了。
同样如果在炉温较高的时候打开窑门，使得釉面受冷更迅速，那么釉面开裂的纹路会更细一些。这是因为釉面受冷越迅速，釉面的收缩就会越大，表面产生的拉应力就越大，这样在很小的面积上釉层表面的拉应力就会超过釉层的强度，从整体来看产生的纹路就更细。
现如今瓷器制作者可以通过设计坯体和釉面的热膨胀系数，使得釉面的热膨胀系数比坯体的大一些，这样即使烧窑随炉冷却时，釉层也会因为收缩率大，使得其表面产生更大的拉应力超过本身的强度而出现开裂。
图5 陶瓷表面受冷时应力场和温度场的有限元模拟（图片来源：作者提供）
裂纹形成的实时研究
裂纹是从釉层表面开始开裂还是从内部开始开裂呢？为了弄清楚这个问题，我们做了一个试验。
我们通过高速相机拍摄了水冷冲击下半透明陶瓷片上的裂纹扩展（类似于瓷器表面的釉面受冷），发现裂纹会从受到冷冲击的表面生成裂纹往陶瓷片内部扩展（图6）。慢慢地，一些裂纹会停止扩展，而其他的继续扩展，根据裂纹的总垂直长度的长短，可以将它分为不同级别。
图6 陶瓷在冷冲击下的热震裂纹扩展（图片来源：作者提供）（动图）
那么如果表面是受热的话，会否开裂呢？同样我们也做了一个试验。我们通过高速相机拍摄了火焰热冲击下半透明陶瓷片上的裂纹扩展（类似于瓷器表面的釉面受热），发现从陶瓷内部开始产生裂纹开裂，向两侧扩展（图7）。
图7 陶瓷在热冲击下的热震裂纹扩展（图片来源：作者提供）（动图）
这与冷冲击时的扩展方式不同，是由于陶瓷的应力状态不同所造成的：冷冲击时表面产生拉应力，热冲击时同样根据热胀冷缩的原理内部产生拉应力。我们用有限元软件模拟了陶瓷受到热冲击的过程，计算出的应力分布（陶瓷内部应力最大）也支持这一点。图中，从蓝色到红色表示应力逐渐变大的过程（图8）。
图8 陶瓷表面受热时应力场的有限元模拟（图片来源：作者提供）
已有裂纹存在的情况下，陶瓷会如何开裂呢？
由于陶瓷固有的脆性，使得它在制备或使用的过程中或多或少都会产生一些孔洞或者微裂纹等缺陷，我们通过用激光器切割预制缺陷的方式研究了预制缺陷对冷冲击和热冲击下裂纹扩展的影响。
图9 含有预制缺陷的陶瓷在冷冲击下的热震裂纹扩展（图片来源：参考文献【2】）（动图）
结果表明，陶瓷表面受到冷冲击时，热震裂纹从受到冷冲击的表面开始产生向陶瓷内部扩展，根据裂纹的总垂直长度可以将它分为三级，其中三级是最长的一级。
裂纹在扩展过程中遇到预制缺陷后，会出现两种情况：被预制缺陷捕获停止扩展，或者在预制缺陷的下端再一次出现向下扩展的裂纹，这种裂纹叫做次生裂纹。次生裂纹的总垂直长度通常短于其他未与预制缺陷相交的三级裂纹。当预制裂纹捕获热震裂纹使其停止扩展时或产生总垂直长度变短的次生裂纹时，都在一定程度上提高了陶瓷的抗热震性（抵抗热震开裂的性质）（图9）。
图10 含有预制缺陷的陶瓷在热冲击下的热震裂纹扩展（图片来源：自制）（动图）
而陶瓷表面受到热冲击时，裂纹则从内部预置缺陷处开始产生，向两侧扩展（图10）。
中国制陶技艺的产生可追溯到纪元前4500年至前2500年的时期，可以说，中华民族发展史中的一个重要组成部分是陶瓷发展史。无论是对美的追求与塑造或是在科学技术上的成果，陶瓷都占据了重要地位。
现在，多种多样的先进陶瓷材料层出不穷，关于陶瓷性质的研究也日渐深入，未来，陶瓷材料将继续活跃在工业制造以及文化艺术的舞台上，为我们的生活增添便利，为艺术以及科技的繁荣与发展作出巨大贡献。
参考资料：
- 古瓷开片机理及艺术效果.(2008-08-30)
- li yq, liu by, wang xh, shao yf*, li l, wei jc, song f. the effect of a prefabricated crack on the crack growth in ceramics during quenching, 2020, ceram. int. doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.215