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    我裂開了,卻被更多人追捧了
    發布時間:2020-12-28
    出品:科普中國
    制作:李俞橋、邵穎峰(中國科學院力學研究所)
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

      或許你曾在故宮博物館中看到過這尊清雍正仿哥窯彌勒佛鎏金像。

      

      圖1 清雍正仿哥窯彌勒佛鎏金像(圖片來源參考文獻【1】)

      佛像的僧衣袈裟上的紋路自然,特點鮮明,這其實運用了一種名叫“開片”的技術。

      “開片”又名冰裂紋,是指瓷器釉面的一種自然開裂現象,被廣泛運用在燒制瓷器上。自然情況下,瓷器歷年既久,表面釉層會漸漸內裂形成裂紋,或呈魚子紋,或呈牛毛紋。

      

      圖2 牛毛紋開片(圖片來源:搜狐新聞

      冰裂紋獨一無二、變化多樣,人們開始想主動控制瓷器釉面的開片。人為開片始于宋代“哥窯”?!案绺G”名列宋代五大名窯,在陶瓷史上有舉足輕重的地位。哥窯瓷器釉面潤澤如酥,顏色有炒米黃、青灰等。釉層較厚,釉面開有大小各異的紋片,俗稱“金絲鐵線”,這也是傳世哥窯的主要特征之一。

      

      圖3 哥窯青釉葵瓣口盤(圖片來源:故宮博物院)

    “金絲鐵線”的發現,竟然是一場醋意引發的“烏龍”

      關于金絲鐵線曾有一個傳說。相傳,宋代龍泉縣有兩兄弟,章生一、章生二,他們的父親因擅長制青瓷而聞名遐邇。生一、生二兄弟倆自小隨父學藝,老大章生一厚道、肯學、吃苦,深得其父真傳,章生二亦有絕技在身。

      章父去世后,兄弟分家,各開窯廠。老大章生一所開的窯廠即為哥窯,老二章生二所開的窯廠即為弟窯。兄弟倆都燒造青瓷,各有成就。但老大技高一籌,燒出“紫口鐵足”的青瓷,一時名滿天下,其聲名傳至皇帝,龍顏大悅,欽定章生一為其燒造青瓷。燒制過程中,老二心眼小,心生妒意,趁其兄不注意,打開窯門使冷空氣進入,造成滿窯瓷器的表面的釉面全都開裂了。

      裂紋有大有小,有長有短,有粗有細,有曲有直,且形狀各異,有的像魚子,有的像柳葉,有的像蟹爪。老大欲哭無淚,痛定思痛之后,他重新振作精神,他泡了一杯茶,把濃濃的茶水涂在瓷器上,裂紋馬上變成茶色線條,他又把墨汁涂上去,裂紋立即變成黑色線條,這樣,不經意中形成“金絲鐵線”。

      傳說是否真假我們不知,冰裂紋原本是瓷器的缺陷,但它的自然天成、變幻無窮和獨一無二,讓人們為之著迷,至今仍然受到許多人追捧。

      

      圖4 哥窯青釉弦紋瓶(圖片來源:故宮博物院

    如何燒制出帶冰裂紋的瓷器?

      上文中提到章生二打開窯門使冷空氣進入,造成其兄滿窯瓷器釉面都開裂了,這是因為:當冷空氣進入窯內,瓷器表面的釉面受冷,由于熱脹冷縮,釉面快速收縮,但是此時內部坯體的溫度下降很少,這樣釉面就會受到坯體阻止釉面收縮的拉力(如圖5)。當釉層表面產生拉應力超過釉層的強度,釉面就會開裂。

      或許你會想問,燒窯時瓷器隨爐冷卻為什么不會造成釉面開裂呢?那是因為隨爐冷卻時雖然也是釉面開始冷卻,但是冷卻的速度比較慢,使得冷卻過程中受到的拉應力比較小,達不到釉層的強度,也就不會開裂了。

      同樣如果在爐溫較高的時候打開窯門,使得釉面受冷更迅速,那么釉面開裂的紋路會更細一些。這是因為釉面受冷越迅速,釉面的收縮就會越大,表面產生的拉應力就越大,這樣在很小的面積上釉層表面的拉應力就會超過釉層的強度,從整體來看產生的紋路就更細。

      現如今瓷器制作者可以通過設計坯體和釉面的熱膨脹系數,使得釉面的熱膨脹系數比坯體的大一些,這樣即使燒窯隨爐冷卻時,釉層也會因為收縮率大,使得其表面產生更大的拉應力超過本身的強度而出現開裂。

     

      圖5 陶瓷表面受冷時應力場和溫度場的有限元模擬(圖片來源:作者提供

    裂紋形成的實時研究

      裂紋是從釉層表面開始開裂還是從內部開始開裂呢?為了弄清楚這個問題,我們做了一個試驗。

      我們通過高速相機拍攝了水冷沖擊下半透明陶瓷片上的裂紋擴展(類似于瓷器表面的釉面受冷),發現裂紋會從受到冷沖擊的表面生成裂紋往陶瓷片內部擴展(圖6)。慢慢,一些裂紋會停止擴展,而其他的繼續擴展,根據裂紋的總垂直長度的長短,可以將它分為不同級別。

      

      圖6 陶瓷在冷沖擊下的熱震裂紋擴展(圖片來源:作者提供)(動圖)

      那么如果表面是受熱的話,會否開裂呢?同樣我們也做了一個試驗。我們通過高速相機拍攝了火焰熱沖擊下半透明陶瓷片上的裂紋擴展(類似于瓷器表面的釉面受熱),發現從陶瓷內部開始產生裂紋開裂,向兩側擴展(圖7)。

      

      圖7 陶瓷在熱沖擊下的熱震裂紋擴展(圖片來源:作者提供)(動圖)

      這與冷沖擊時的擴展方式不同,是由于陶瓷的應力狀態不同所造成的:冷沖擊時表面產生拉應力,熱沖擊時同樣根據熱脹冷縮的原理內部產生拉應力。我們用有限元軟件模擬了陶瓷受到熱沖擊的過程,計算出的應力分布(陶瓷內部應力最大)也支持這一點。圖中,從藍色到紅色表示應力逐漸變大的過程(圖8)。

      

      圖8 陶瓷表面受熱時應力場的有限元模擬(圖片來源:作者提供

    已有裂紋存在的情況下,陶瓷會如何開裂呢?

      由于陶瓷固有的脆性,使得它在制備或使用的過程中或多或少都會產生一些孔洞或者微裂紋等缺陷,我們通過用激光器切割預制缺陷的方式研究了預制缺陷對冷沖擊和熱沖擊下裂紋擴展的影響。

      

      圖9 含有預制缺陷的陶瓷在冷沖擊下的熱震裂紋擴展(圖片來源:參考文獻【2】)(動圖)

      結果表明,陶瓷表面受到冷沖擊時,熱震裂紋從受到冷沖擊的表面開始產生向陶瓷內部擴展,根據裂紋的總垂直長度可以將它分為三級,其中三級是最長的一級。

      裂紋在擴展過程中遇到預制缺陷后,會出現兩種情況:被預制缺陷捕獲停止擴展,或者在預制缺陷的下端再一次出現向下擴展的裂紋,這種裂紋叫做次生裂紋。次生裂紋的總垂直長度通常短于其他未與預制缺陷相交的三級裂紋。當預制裂紋捕獲熱震裂紋使其停止擴展時或產生總垂直長度變短的次生裂紋時,都在一定程度上提高了陶瓷的抗熱震性(抵抗熱震開裂的性質)(圖9)。

      

      圖10 含有預制缺陷的陶瓷在熱沖擊下的熱震裂紋擴展(圖片來源:自制)(動圖)

      而陶瓷表面受到熱沖擊時,裂紋則從內部預置缺陷處開始產生,向兩側擴展(圖10)。

      中國制陶技藝的產生可追溯到紀元前4500年至前2500年的時期,可以說,中華民族發展史中的一個重要組成部分是陶瓷發展史。無論是對美的追求與塑造或是在科學技術上的成果,陶瓷都占據了重要地位。

      現在,多種多樣的先進陶瓷材料層出不窮,關于陶瓷性質的研究也日漸深入,未來,陶瓷材料將繼續活躍在工業制造以及文化藝術的舞臺上,為我們的生活增添便利,為藝術以及科技的繁榮與發展作出巨大貢獻。

      參考資料:

    1. 古瓷開片機理及藝術效果.(2008-08-30) http://www.wenwu.org/showArticle1asp?anclassid=1&nclassid=222&Articleid=30795.
    2. 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
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