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，我們就說這種材料各向異性.材料的各向異性，亦稱“非均質性”， 常見的各向異性材料有竹子、木材、纖維板、酚醛層壓板、環氧玻璃布棒、硅鋼片、衛生紙、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晶性塑料，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，包扎帶是各向異性材料.

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.等它們浸潤完畢后發現，餐巾紙上水滴浸潤的形狀接近圓形（如圖1左邊所示），而衛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.

3衛生紙抗拉強度的各向異性

衛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，衛生紙的纖維結構與包扎帶、毛竹的纖維結構似，縱向纖維強度比橫向纖維強度大得多，衛生紙在浸潤、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

二極管實質上就是一個PN結（如圖2所示），PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區流到N區，PN結呈低阻性，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結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場.于是，內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結呈現低阻性（如圖3甲所示）.

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場.內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結區的少數載流子在內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結呈現高阻性（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，各部分干縮程度不同時，就出現彎、扭等不規則變形、干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4所示），其實就是木材的干縮各向異性.