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各向同性

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各向同性指物體的物理、化學等方面的性質不會因方向的不同而有所變化的特性,即某一物體在不同的方向所測得的性能數值完全相同,亦稱均質性。物理性質不隨量度方向變化的特性。即沿物體不同方向所測得的性能,顯示出同樣的數值。如所有的氣體、液體(液晶除外)以及非晶質物體都顯示各向同性。
中文名
各向同性
外文名
isotropic
別    名
均質性
學    科
科學
類    別
物理術語

各向同性各向同性定義

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亦稱均質性。物理性質不隨量度方向變化的特性。即沿物體不同方向所測得的性能,顯示出同樣的數值。如所有的氣體、液體(液晶除外)以及非晶質物體都顯示各向同性。例如,金屬和岩石雖然沒有規則的幾何外形,各方向的物理性質也都相同,但因為它們是由許多晶粒構成的,實質上它們是晶體,也具有一定的熔點。由於晶粒在空間方位上排列是無規則的,所以金屬的整體表現出各向同性。當然,大氣也是各項同性的均質體。你所提的是不同區域內的大氣,由於壓強等多方面因素,性能會不同,但是在一個點上各個方向的性質是相同的。 [1] 

各向同性相關知識

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正交各向異性
Orthotropic,如果彈性體內每一點都存在這樣一個平面,和該面對稱的方向具有相同的彈性性質,則稱該平面為物體的彈性對稱面。(彈性對稱面是指彈性模量的對稱面,比如各向同性,彈性模量在一點沿各個方向相等,橫觀各向同性,彈性模量在一點繞着軸旋轉任意角度,保持不變。既然各向同性和位置無關,那麼對稱也和位置無關)
垂直於彈性對稱面的方向稱為物體的彈性主方向。若設yz為彈性對稱面,則x軸為彈性主方向。
正交各向異性材料是指通過這種材料的任意一點都存在三個相互垂直的對稱面。
木材是典型的正交各向異性材料,材料在三個方向(軸向、徑向、周向)上的性質不同。
典型的正交各向異性材料 典型的正交各向異性材料
對於具有一個彈性對稱面的彈性體,其彈性常數由21個將減少為13個。
對於具有二個彈性對稱面的彈性體,其彈性常數由13個將減少為9個。
假如彈性體有3個彈性對稱面,本構方程不會出現有新的變化。因此,如果相互垂直的3個平面中有兩個彈性對稱面,則第三個必為彈性對稱面。
二個彈性對稱面的彈性體本構方程表明:如果座標軸與彈性主方向一致時,正應力僅與正應變有關,切應力僅與對應的切應變有關,因此拉壓與剪切之間,以及不同平面內的剪切之間將不存在耦合作用。這種彈性體稱為正交各向異性彈性體,其獨立的彈性常數為9個。 [2] 
二個彈性對稱面的彈性體本構方程 二個彈性對稱面的彈性體本構方程
各向異性
anisotropic,各向異性是對於各向同性而言的。例如對於單晶體,從微觀角度來分析,它是由一個晶粒組成,其晶格位向完全一致,但由於其不同晶面和晶向上的原子排列情況不同,故其在不同方向上的性能不同,稱之為各向異性。對於多晶體,它是由許多晶粒組成,每個晶粒的內部,晶格位向完全一致,而各個晶粒之間,彼此的位向各不相同,其性能是各個晶粒性能的統計平均值,故其在各個方向上的性能大致相同,稱之為各向同性。例如純鐵的的彈性模量,若為單晶體,其沿晶胞空間對角線方向的數值是290000MPa,而沿晶胞稜邊方向的數值135000MPa;若為多晶體,無論從哪個部位取樣所測得的數值均在210000MPa左右。
各向異性的單晶 各向異性的單晶
固體力學中,如果彈性體的沿個方向的性質均相同,或者説材料關於任意平面對稱,這時的彈性體稱為各向同性材料(isotropic materials [3]  )。

各向同性差別

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物理性質可以在不同的方向進行測量。如果各個方向的測量結果是相同的,説明其物理性質與取向無關,就稱為各向同性。如果物理性質和取向密切相關,不同取向的測量結果迥異,就稱為各向異性。造成這種差別的內在因素是材料結構的對稱性。
在氣體、液體或非晶態固體中,原子排列是混亂的,因而就各個方向而言,統計結果是等同的,所以其物理性質必然是各向同性的。而晶體中原子具有規則排列,結構上等同的方向只限於晶體對稱性所決定的某些特定方向。所以一般而言,物理性質是各向異性的。
例如,α-鐵的磁化難易方向如圖1所示。
圖1 α-鐵的磁化難易方向 圖1 α-鐵的磁化難易方向
鐵的彈性模量沿[111]最大(7700kgf/mm),沿[100]最小(6400kgf/mm)。對稱性較低的晶體(如水晶、方解石)沿空間不同方向有不同的折射率。而非晶體(過冷液體),其折射率和彈性模量則是各向同性的。晶體的對稱性很高時,某些物理性質(例如電導率等)會轉變成各向同性。當物體是由許多位向紊亂無章的小單晶組成時,其表觀物理性質是各向同性的。一般合金的強度就利用了這一點。倘若由於特殊加工使多晶體中的小單晶沿特定位向排列(例如金屬的形變“織構”、定向生長的兩相晶體混合物等),則雖然是多晶體其性能也會呈現各向異性。
硅鋼片就是這種性質的具體應用。介於液體和固體之間的液晶,有的雖然分子的位置是無序的,但分子取向卻是有序的。這樣,它的物理性質也具有了各向異性。 [1] 

各向同性應用

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從不同物質的不同方向探測時,物質的物理性質或化學性質可能相同,可能不同。如果各方向相同,這種物質稱為各向同性材料,這種性質稱為各向同性;如果不同,這種物質稱為各向異性材料,這種性質稱為各向異性。 [1] 
參考資料
  • 1.    無機化學 冶金工業出版社 孫挺張霞 2011
  • 2.    分析化學 第七版 人民衞生出版社 李發美 2012
  • 3.    唐國金 李海洋 申志彬 唐海利.固體力學原理:國防科大出版社,2012