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△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。
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△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）。
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△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。
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△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）。
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△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：
- 1. 古瓷开片机理及艺术效果.(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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