各項異性材料

常稱“各向異性材料”。如果材料在各個方向上全部或部分物理、化學等性質隨方向的不同而各自表現出一定的差異的特性，即在不同的方向所測得的性能數值不同，我們就說這種材料為各向異性材料。

常見的各向異性材料有竹子、碳纖維複合材料、玻璃纖維複合材料等。

基本介紹

• 中文名：各向異性材料、各項異性材料
• 外文名：Anisotropicmaterial
• 特徵：不同方向特性不同
• 常見類型：竹子、複合材料

簡介

各向異性材料，是指在不同的方向，其物理、化學性質表現出不同特徵的材料。

舉例來說，比如金屬良導體，你無論是正接，反接，還是各個角度的側接，它都導電，電導的物理常數也沒有很大的變化，那么這個材料的導電性上我們就說它是各向同性。但是有的材料，比如一些電阻原件，正接是良導體，反接就是絕緣體或者電阻很大，他各個方向上的電導的物理常數差異很大，這種材料，在導電性上就是各向異性。

向異性或者各向同性，是物質材料的自身的屬性，跟材料的尺度大小，內部原子排列結構，分子相互作用等等密切相關。

成因

從微觀材料學角度來解釋各向異性材料的成因，是由於晶體內的原子定向排布所引起的。

晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同。

而非晶體處於無定形狀態，原子排布雜亂無章，所以處於長程無序的狀態，所以從非晶體的內部往各個方向觀察，都沒有明顯的區別，所以其不同方向上的物理化學性質也相同，所以是各向同性的。

舉例

3.1 包紮帶抗拉強度的各向異性

包紮帶是聚丙烯的結晶性塑膠，聚丙烯為結晶性高聚物，它的縱、橫向的拉伸強度相差特別大，因此，有很好的成纖性，適宜做纖維、生產編織袋、繩索、魚網、生產輸送管道、包紮帶、收縮包裝薄膜等．它的縱、橫向的拉伸強度的各向異性現象，可以非常方便地用實驗來驗證：用一根包紮帶可以提起十塊磚頭，約20 千克（力），難怪許多人很難沿縱向拉斷包紮帶，這都說明包紮帶在縱向抗拉強度比較大，但是包紮帶在橫向的抗拉強度非常差，就是小孩也能輕鬆地把包紮帶在橫向撕拉成若干細條，撕拉開來的細條都是等寬的，這說明包紮帶纖維的排列很有規律，纖維都是平行排列的，稍有生活經驗的人都有這種體驗．實驗表明，包紮帶是各向異性材料。

3.2 衛生紙浸潤的各向異性

衛生紙是日常生活當中最常見的用品之一，它在不同方向上的浸潤性能不一樣，衛生紙在縱、橫方向上的浸潤存在明顯的差別，在縱向上的浸潤性能明顯強於在橫向上的浸潤性能，而餐巾紙、報紙等在各個方向上的浸潤性能是一樣的．將一張餐巾紙、一張衛生紙放在同一張桌面上，分別滴一滴藍鋼筆水，鋼筆水在兩張紙上都發生浸潤現象，但是兩張紙對液體的浸潤有明顯差異．等它們浸潤完畢後發現，餐巾紙上水滴浸潤的形狀接近圓形（如圖1左所示）， 而衛生紙上水滴浸潤的形狀是長條形的（如圖1右所示）．用其他液體做實驗，只要衛生紙的質量合格，實驗的結果都是一致的。衛生紙浸潤的各向異性也是檢測衛生紙是否達標的一項重要判斷標準。

圖1：衛生紙浸潤的各向異性

3.3 木材抗拉強度的各向異性

木材由於生長方向的不同產生了其材質上的各向異性，簡單的說，樹木生長包括兩個方面：一是胸徑增大；二是高度增加．二者一為軸向，一為徑向，故而形成了木材縱向並列的生長紋路，這種生長紋路進一步影響了木材受力時的變形程度．例如，劈柴時我們總是順著木柴的“絲”（即紋路） 來劈，因為這樣要比橫向截斷更省力，這種在一個方向上“省力” 而另一個方向上費力的特點就可以作為“各向異性” 的通俗理解．木材纖維的排列很有規律，在平行於纖維方向的抗拉強度比較高，在垂直於纖維方向的抗拉強度非常低，屬於非常典型的各向異性材料．木材順紋受壓，每個細胞都好像一根管柱，壓力大到一定程度細胞壁向內翹曲然後破壞．故順紋各向異性抗壓強度比橫紋抗拉強度小．橫紋受壓，管形細胞容易被壓扁，所以強度僅為順紋抗壓強度之1/8 左右，彎曲強度介於抗拉，抗壓之間．木材因含水量減少引起體積收縮之現象叫作乾縮，乾縮也是木材各向異性的一個顯著特性．例如從纖維飽和點降到含水率0% 時，順紋乾縮甚小，為0．1 ～0．3%，橫紋徑向乾縮為3．66%，弦向乾縮最大竟達9．63%，體積乾縮為13．8%，所以當木材紋理不直不勻，表面和內部水分蒸發速度不一致，各部分乾縮程度不同時，就出現彎、扭等不規則變形、乾縮不勻就會出現裂縫．我們經常看到許多木材出現的裂紋（如圖2所示），其實就是木材的乾縮各向異性．

圖2：木材抗拉強度的各向異性

3.4 碳纖維複合材料

碳纖維布

由碳纖維和環氧樹脂結合而成的複合材料，由於其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業中爭相採用先進複合材料。有一種垂直起落戰鬥機，它所用的碳纖維複合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。據報導，美國太空梭上3隻火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX飛彈發射管等，都是用先進的碳纖維複合材料製成的。

可以明顯的看到0°鋪層的碳纖維布，在沿著纖維方向和垂直纖維方向的抗拉強度是不同的，是一種典型的各向異性材料。

套用前景

各向異性材料具有豐富的套用範圍，如碳纖維複合材料正在國防、航空、航天、汽車、船舶等領域發揮著重要的作用。人們使用各向異性的材料通常採取“揚長避短”的方式，即在正確的方向使用次方向的特性，使其發揮最佳的性能。