簡便明了演示材料的各向異性

吳國勇

如果材料在各個方向上全部或部分物理、化學(xué)等性質(zhì)隨方向的不同而各自表現(xiàn)出一定的差異的特性，即在不同的方向所測得的性能數(shù)值不同，我們就說這種材料各向異性.材料的各向異性，亦稱“非均質(zhì)性”， 常見的各向異性材料有竹子、木材、纖維板、酚醛層壓板、環(huán)氧玻璃布棒、硅鋼片、衛(wèi)生紙、包扎帶等等.本文用簡便明了的方法把幾種材料各向異性直觀地展示出來.

1包扎帶抗拉強度的各向異性

包扎帶是聚丙烯的結(jié)晶性塑料，聚丙烯為結(jié)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(chǎn)編織袋、繩索、魚網(wǎng)、生產(chǎn)輸送管道、包扎帶、收縮包裝薄膜等. 它的縱、橫向的拉伸強度的各向異性現(xiàn)象，可以非常方便地用實驗來驗證：用一根包扎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扎帶，這都說明包扎帶在縱向抗拉強度比較大，但是包扎帶在橫向的抗拉強度非常差，就是小孩也能輕松地把包扎帶在橫向撕拉成若干細條，撕拉開來的細條都是等寬的，這說明包扎帶纖維的排列很有規(guī)律，纖維都是平行排列的，稍有生活經(jīng)驗的人都有這種體驗.實驗表明，包扎帶是各向異性材料.

2衛(wèi)生紙浸潤的各向異性

衛(wèi)生紙是日常生活當(dāng)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(wèi)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于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(wèi)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(fā)生浸潤現(xiàn)象，但是兩張

紙對液體的浸潤有明顯差異.等它們浸潤完畢后發(fā)現(xiàn)，餐巾紙上水滴浸潤的形狀接近圓形（如圖1左邊所示），而衛(wèi)生紙上水滴浸潤的形狀是長條形的（如圖1右邊所示）.用其他液體做實驗，只要衛(wèi)生紙的質(zhì)量合格，實驗的結(jié)果都是一致的.衛(wèi)生紙浸潤的各向異性也是檢測衛(wèi)生紙是否達標的一項重要判斷標準.

3衛(wèi)生紙抗拉強度的各向異性

衛(wèi)生紙不僅在浸潤上各向異性，而且在抗拉強度上也是各向異性.從一張衛(wèi)生紙的縱、橫向上撕拉時，縱向撕非常容易，并且撕開的形狀像用刀裁開的一樣成整齊的條形；當(dāng)橫向撕時，不僅所用的力比縱向撕開需要的大，而且撕開的形狀很不規(guī)則.這如同劈木材、毛竹、拉包扎帶一樣，縱向較容易，橫向費力又不成形.

上述案例實驗說明，衛(wèi)生紙的纖維結(jié)構(gòu)與包扎帶、毛竹的纖維結(jié)構(gòu)似，縱向纖維強度比橫向纖維強度大得多，衛(wèi)生紙在浸潤、抗拉強度的各向異性，可能有些人還不了解，要驗證它還是很方便的.衛(wèi)生紙也必須有這個特性.

4二極管直流電阻各向異性

二極管實質(zhì)上就是一個PN結(jié)（如圖2所示），PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小.這就是二極管直流電阻的各向異性.演示二極管直流電阻的各向異性的實驗如圖3所示.

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場.于是，內(nèi)電場對載流子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大.擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性（如圖3甲所示）.

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場.內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小.此時PN結(jié)區(qū)的少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性（如圖3甲所示）.

5木材抗拉強度的各向異性

木材由于生長方向的不同產(chǎn)生了其材質(zhì)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并列的生長紋路，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(guī)律，在平行于纖維方向的抗拉強度比較高，在垂直于纖維方向的抗拉強度非常低，屬于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(nèi)翹曲然后破壞.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，彎曲強度介于抗拉，抗壓之間.

木材因含水量減少引起體積收縮之現(xiàn)象叫作干縮，干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，順紋干縮甚小，為0.1～0.3%，橫紋徑向干縮為3.66%，弦向干縮最大竟達9.63%，體積干縮為13.8%，所以當(dāng)木材紋理不直不勻，表面和內(nèi)部水分蒸發(fā)速度不一致，各部分干縮程度不同時，就出現(xiàn)彎、扭等不規(guī)則變形、干縮不勻就會出現(xiàn)裂縫.我們經(jīng)?？吹皆S多木材出現(xiàn)的裂紋（如圖4所示），其實就是木材的干縮各向異性.