晶體結構

異向性(各向異性)

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木材沿紋理容易劈開,橫向卻頑強抗拒——它的強度取決於你往哪個方向拉。異向性正是如此:一種性質的數值隨你量測的方向而變。它的反面是等向性,即性質在各方向都相同。

在單晶中,原子沿不同方向的堆積方式不同,因此剛度、強度、導電率,甚至熱膨脹都可能隨方向而異。鐵是個鮮明的例子:沿 [100] 立方邊量得的楊氏模數約 125 GPa,沿 [111] 體對角線卻約 273 GPa——在同一顆晶體中,僅僅改變施力方向,數值就相差一倍以上。

晶粒取向隨機的多晶會平均成近乎等向性,這很方便。但使晶粒或纖維排列一致的加工——輥軋薄板、抽拉線材、或把碳纖維朝單一方向鋪疊——則刻意讓性質具方向性。纖維複合材料沿纖維方向強、橫向弱,因此良好的設計會讓材料方向配合受力。異向性既常是麻煩,也常是工具。

鐵的剛度具方向性:沿 [100] 立方邊的楊氏模數約 125 GPa,沿 [111] 體對角線卻達 273 GPa——在同一顆晶體中,僅僅改變施力方向,數值就相差一倍以上。

同一顆鐵晶體,因方向不同而有兩種截然不同的剛度。

異向性並非缺陷——常被刻意設計(矽鋼片、碳纖維疊層)。但它也會給人意外:一塊「強」的複合材料,在不受青睞的方向上可能很弱。

又稱
directional dependence異向性各向異性