Изотропный материал что это

Изотропия — это что такое, в чем ее важность? Какие материалы являются изотропными, а какие — анизотропными. В этой статье мы ответим на эти вопросы и приведем для вас несколько примеров каждого из таких материалов.

Разница между изотропной и анизотропной

Изотропный и анизотропный — два важных термина, широко используемых для объяснения свойств материала в материаловедении и морфологии кристаллов в базовой кристаллографии. В некоторых материалах, таких как кристаллы, ориентация атомов очень важна, поскольку она влияет на их физические и механические свойства. Исходя из ориентации атомов, материалы в целом делятся на два класса, а именно: изотропные материалы и анизотропные материалы. Основное различие между изотропным и анизотропным состоит в том, что свойства изотропных материалов одинаковы во всех направлениях, в то время как в анизотропных материалах свойства зависят от направления.

Эта статья смотрит на,

1. Что такое изотропный

— определение, свойства, примеры

2. Что такое анизотропный

— определение, свойства, примеры

3. В чем разница между изотропным и анизотропным

Анизотропия (Что это такое и чем интересно)

Что такое изотропный

Если свойства (механические, физические, термические и электрические свойства) материала не изменяются при разных кристаллографических ориентациях или, другими словами, свойства не зависят от направления, этот материал называется изотропным. Изотропные кристаллы имеют один показатель преломления во всех направлениях. Кристаллы с кубической симметрией и аморфные материалы, такие как стекла, рассматриваются как изотропные материалы. Примеры кубических кристаллов включают каменную соль и хлорид натрия. Однако не все свойства кубических кристаллов являются изотропными. Обычно кубические кристаллы изотропны по своей электропроводности и пироэлектрическому эффекту. Однако кубические кристаллы не являются независимыми от направления в отношении их упругих свойств, таких как жесткость, сдвиг и объемные модули. Изотропные кристаллы часто используются для окон и линз. Стенки растительных клеток считаются изотропными, поскольку они более или менее одинаковы везде.

Рисунок 01: Стекло является примером изотропного материала.

Что такое анизотропный

Термин анизотропный используется для обозначения материалов, которые имеют атомные расположения, которые зависят от направления; другими словами, физические свойства изменяются вдоль различных направлений в материале. Обычно анизотропные материалы очень распространены в природе, чем изотропные материалы, из-за большого изменения ориентации атомов. Почти все кристаллы, кроме кубических, считаются анизотропными. Анизотропные кристаллы имеют много показателей преломления. Из-за этого анизотропные кристаллы влияют на двулучепреломление, оптическую активность, дихроизм и дисперсию кристаллов. Двойное лучепреломление известно как разница в светопропускании кристалла. Некоторые кристаллы, такие как кварталы, вращаются, когда через них проходит поляризованный свет. Такие кристаллы называют оптически активными кристаллами. Способность поглощать электромагнитное излучение вдоль двух разных осей колебаний называется дихроизм, Когда один и тот же кристалл имеет дифференциальное преломление с различной длиной волны света, это называется дисперсией. Анизотропные кристаллы используются для многих оптических применений, таких как поляризаторы, оптические волновые пластины, клинья и т. Д. Древесина и композиты являются общими примерами анизотропных материалов. В растительных клетках внутренняя часть или цитоплазма считается анизотропной из-за присутствия внутриклеточных органелл.

Рисунок 02: Древесина является примером анизотропного материала.

Разница между изотропной и анизотропной

Определение

Изотропные материалы: Некоторые свойства материала не изменяются в соответствии с его атомным расположением

Анизотропные материалы: Свойства материала варьируются в зависимости от его атомного расположения.

свойства

Изотропные материалы: Свойства изотропных материалов не зависят от направления.

Анизотропные материалы: Свойства анизотропных материалов зависят от направления.

Примеры

Изотропные материалы: Примеры кристаллов с кубической симметрией и аморфных материалов, таких как стекла.

Анизотропные материалы: Все кристаллы, кроме кубических, дерева и композиционных материалов, являются примерами анизотропных материалов.

Индекс РИ

Изотропные материалы: Изотропные материалы имеют единый показатель преломления.

Анизотропные материалы: Анизотропные материалы имеют более одного показателя преломления.

Характеристики

Изотропные материалы: Изотропные кристаллы не имеют таких характеристик, как двулучепреломление, оптическая активность, дихроизм и дисперсия из-за различных показателей преломления.

Анизотропные материалы:Анизотропные кристаллы показывают двойное лучепреломление, оптическую активность, дихроизм и дисперсию из-за различных показателей преломления.

Приложения в оптической области

Изотропные материалы: Изотропные кристаллы используются для окон и линз.

Анизотропные материалы:Анизотропные кристаллы используются для поляризаторов, оптических волновых пластин и клиньев.

Резюме

Изотропный и анизотропный — два термина, которые широко используются в материаловедении и кристаллографии для объяснения атомной ориентации, структуры и морфологии материалов. В изотропных материалах, таких как кубические кристаллы и аморфные материалы (например, стекло), свойства не изменяются вдоль направления материала. В анизотропных материалах, таких как дерево и композиты, свойства изменяются вдоль направлений материала. Это основное различие между изотропным и анизотропным.

Рекомендации:

1. Hammond, C. & Hammond, C. (2009). Основы кристаллографии и дифракции (т. 12). Оксфорд: издательство Оксфордского университета.

2. Фурукава, Y. & Накадзима, К. (2001). Достижения в исследованиях роста кристаллов. Elsevier.

3. Белл С. и Моррис К. (2009). Введение в микроскопию. CRC Press.

4. Сивасанкар, Б. (2008). Инженерная химия (с. 499). Нью-Дели: Тата МакГроу-Хилл.

Композиционные материалы подразделяются на анизотропные и изотропные композиты в зависимости от геометрии армирующих компонентов и их взаимного расположения изотропные – имеющие одинаковые свойства во всех направлениях; анизотропные, свойства которых зависят от направления; К макроскопически изотропным КМ относят: дисперсно-упрочненные сплавы, псевдосплавы и хаотично армированные композиты, к анизотропным композитным материалам – материалы, волокна которых ориентированы в определенных направлениях.

Почему карандаши пишут? Изотропия — это что такое? Определение и материалы

Изотропия — это что такое, в чем ее важность? Какие материалы являются изотропными, а какие — анизотропными. В этой статье мы ответим на эти вопросы и приведем для вас несколько примеров каждого из таких материалов.

Почему карандаши пишут?

Вы когда-нибудь задумывались, почему карандаши так хорошо пишут? Если вы попытаетесь написать на листе бумаги с помощью компьютерного стилуса, то он не будет писать. Так в чем же дело с карандашом? Причина в том, что карандаш сделан из многослойного материала под названием графит. Каждый слой графита имеет атомы углерода, которые сильно связаны друг с другом. Эти крепкие связи очень трудно разорвать. С другой стороны, связи между самими графитовыми слоями очень слабые, поэтому слоям очень легко скользить мимо друг друга.

Карандаш пишет так хорошо, потому что слои графита могут легко скользить мимо друг друга и оставить след графита на бумаге. Атомы углерода прочно связаны друг с другом в слое графита, который силен в одних направлениях и слаб в других. Иные материалы, такие как стекло, имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Поэтому мы можем классифицировать эти материалы по их изотропии.

Понятие

Термин "изотропия" происходит от греческих слов isos ("равный") и tropos ("путь") и означает равномерное во всех направлениях. Изотропные материалы, например стекло, показывают такие же материальные свойства во всех направлениях, тогда как анизотропные материалы (графит) показывают различные материальные свойства в зависимости от направления.

Одним из материальных свойств графита является прочность, но есть и другие свойства, которые можно рассмотреть. Например, теплопроводность, электрическое сопротивление и поглощающая способность (мера того, сколько света поглощает материал).

Изотропные материалы

Два распространенных типа изотропных материалов — это металл и стекло. В металлах электроны разделены многими атомами во всех направлениях, поэтому металлические связи являются неориентированными. В результате свойства металлов часто очень похожи во всех направлениях, это означает, что металлы, как правило, являются изотропными.

Стекловидные материалы также изотропны. Атомы, из которых состоит стекло, плохо организованы в любом направлении, поэтому свойства материала, как правило, одинаковы во всех направлениях. Важно помнить, что даже если материал имеет анизотропные области, то в целом может быть изотропным, если анизотропные области случайным образом ориентированы так, что могут отменить друг друга.

Изотропия

Изотропия — это однородность во всех ориентациях. Точные определения зависят от предметной области.

Изотропные материалы: Изотропные кристаллы не имеют таких характеристик, как двулучепреломление, оптическая активность, дихроизм и дисперсия из-за различных показателей преломления. Анизотропные материалы:Анизотропные кристаллы показывают двойное лучепреломление, оптическую активность, дихроизм и дисперсию из-за различных показателей преломления. Приложения в оптической области. Изотропные материалы: Изотропные кристаллы используются для окон и линз. Анизотропные материалы:Анизотропные кристаллы используются для поляризаторов, оптических волновых пластин и клиньев. Резюме.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, анизотропные — разные. К числу изотропных композитов относятся псевдосплавы и хаотично армированные материалы. Упрочнение хаотично армированных композитов осуществляется короткими ( дискретными) частицами игольчатой формы, ориентированными в пространстве случайным образом. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы ( усы), при этом композиты получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в макрообъеме всего изделия. [1]

Изотропный материал обладает полной ортогональной группой симметрии, содержащей всевозможные повороты и отражения в плоскостях. [2]

Изотропный материал можно рассматривать как частный случай ортотропного и трансверсально изотропного материалов, иллюстрированных выше. Ему отвечает случай, когда три системы стержней в решетке имеют одинаковые размеры. [4]

Изотропные материалы допускают изготовление сердечников путем штамповки Ш — образных и П — образных пластин или шайб. [6]

Нелинейно-упругий изотропный материал кроме перечисленных параметров характеризуется диаграммой растяжения материала о ( е), задаваемой в восьми точках. [7]

Изотропными материалами являются металлы, камни, бетон, некоторые пластмассы. [8]

Многие изотропные материалы, будучи помещены в электрическое поле, ведут себя подобно одноосным кристаллам, оптическая ось которых совпадает с направлением поля. В этом случае наведенное двойное лучепреломление является функцией квадрата напряженности электрического поля, а само явление называется эффектом Керра или квадратичным электрооптическим эффектом. [9]

У изотропных материалов остаточная намагниченность обычно равна 0 5 — 0 8 от значения намагниченности насыщения. [11]

Для изотропных материалов между модулем упругости G при сдвиге и модулем упругости Е при растяжении существует определенная зависимость. [12]

Для изотропных материалов, разрушающихся хрупко, лучше всего использовать гипотезу максимального нормального напряжения. [13]

Для изотропных материалов, которые разрушаются при наступлении текучести или путем пластического разрыва, лучше всего использовать гипотезу удельной энергии формоизменения. [14]

Для изотропных материалов, которые разрушаются при наступлении текучести или путем пластического разрыва, гипотеза максимального касательного напряжения почти так же хороша, как и гипотеза удельной энергии формоизменения. [15]

Изотропия — это что такое, в чем ее важность? Какие материалы являются изотропными, а какие — анизотропными. В этой статье мы ответим на эти вопросы и приведем для вас несколько примеров каждого из таких материалов. Почему карандаши пишут? Вы когда-нибудь задумывались, почему карандаши так хорошо пишут? Если вы попытаетесь написать на листе бумаги с помощью компьютерного стилуса, то он не будет писать. Так в чем же дело с карандашом? Причина в том, что карандаш сделан из многослойного материала под названием графит. Каждый слой графита имеет атомы углерода, которые сильно связаны друг с другом. Эти крепкие связи очень трудно разорвать.

Армированные композиты

Армированные композиты это наиболее интересные и перспективные материалы современной техники. Их разработкой занимаются сотни лабораторий во всем мире. Идея, положенная в основу этих разработок, проста и понятна.

Чтобы упрочнить какой-то материал (матрицу), нужно ввести в него волокна, имеющие большую, чем матрица, прочность. При этом они должны быть надежно связаны с матрицей и расположены таким образом, чтобы воспринимать основную нагрузку, действующую на материал. Эту идею никак нельзя признать новой. Если вспомнить о кирпичах с соломой, известных тысячи лет, о железобетоне, изобретенном более 100 лет назад, о полимерах, упрочненных натуральными волокнами, которые были созданы в начале XX века, и др. Но сейчас идея армирования предстала в новом свете.

Свойства армированных материалов

Армированные материалы раньше не рассматривались как сверхпрочные, сверхжесткие, сверхвязкие, сверхпроводящие и т. п. А теперь именно от них ожидают всех этих «сверх. » И не только ожидают, но и получают свойства, недостижимые в обычных материалах.

Армированные композиты с каждым годом завоевывают новые области применения — от теннисных ракеток и лыж до самолетов и космических кораблей. Поставьте себя на место конструктора, который всю жизнь проектировал детали из сплавов, а тут ему говорят, чтобы он сконструировал их из углепластика.

Ни уголь, ни смола не могут внушить доверия человеку, знающему, как хрупки, непрочны и ненадежны они. И непросто убедить его, что композиция из углеродных волокон и смолы — это совсем не то, что уголь и смола в отдельности. Нет у него в этом уверенности.

Она приходит только как результат опыта, а чтобы опыт появился, нужно решиться на применение нового материала там, где его применять опасаешься. Вот и получается замкнутый круг, разорвать который иногда труднее, чем самый прочный материал. Для материаловедов армированные композиты тоже были непривычны, поэтому до поры до времени занимались ими не очень активно. Но начиная с 60-х годов ХХ ст. положение резко изменилось.

Причина была достаточно веской, чтобы накалить интерес к армированным материалам до предела. Эта причина — важная особенность армированных композитов, отличающую их от традиционных материалов — их резко выраженная анизотропия.

Анизотропия и изотропия

Анизотропия — зависимость свойств материала (среды) от направления. А есть еще понятие изотропия — независимость свойств от направления. Следовательно, у изотропного материала свойства во всех направлениях одинаковы, а у анизотропного — различны.

Изотропными являются кирпич, мел, воск, стальная отливка, кусок глины; анизотропными — дерево, слюда, кость, фанера, (подробнее: Биокомпозиты). Одиночные кристаллы (монокристаллы) всегда анизотропны.

В них атомы расположены упорядоченно, и это приводит к тому, что в разных направлениях между атомами различные расстояния, различная величина силы взаимодействия, а следовательно, и различные свойства.

Металлы изотропны

Большинство металлов и сплавов, с которыми обычно приходится иметь дело, практически изотропны, хотя они имеют кристаллическое строение. В чем здесь противоречие, ведь только что утверждалось, что кристаллы анизотропны. Противоречия нет. Обычные металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение.

Это означает, что они состоят из большого числа маленьких кристалликов (зерен), имеющих размеры от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, каждый из которых может занимать любое положение в пространстве. Такое хаотическое расположение зерен приводит к усреднению свойств поликристалла по всем направлениям, и он приобретает изотропию.

Если же зерна сориентировать в каком-то направлении (с помощью прокатки, прессования, волочения и т. п.), поликристалл становится анизотропным. Но эта анизотропия сравнительно слабо выражена, она получается как следствие пластической деформации материала.

Армированные композиты анизотропны

В армированных композитах анизотропия является конструкционной, то есть она закладывается в материал специально, исходя из условий его будущей работы. И выражена она обычно очень резко. Это хорошо или плохо?

Все зависит от конкретных обстоятельств. В одних случаях нужны изотропные материалы, в других — анизотропные. Но если хорошо разобраться, то окажется, что часто изотропные материалы применяются там, где изотропия не нужна.

Материал для лопаток газовой турбины

Предположим, нужно разработать материал для лопаток газовой турбины. Эти лопатки вращаются очень быстро, и инерция создает в них большие растягивающие напряжения, направленные вдоль радиуса вращения. Назовем это направление радиальным.

В других направлениях, в частности, в окружном (вдоль касательной к окружности вращения) напряжения маленькие. Мы, естественно, должны рассчитывать лопатку на самые большие напряжения, иначе она разрушится. Если лопатка изготовлена из изотропного материала и рассчитана на радиальные нагрузки, то в окружном направлении у нее получается большой излишек прочности. Такая прочность в этом направлении совершенно не нужна, но ничего не поделаешь, излишек заложен в самой природе используемого материала.

Создание анизотропного материала

А вот создавая анизотропный материал, можно регулировать его свойства в разных направлениях в соответствии с действующими в нем напряжениями. В том направлении, где они больше, сделать его более прочным, а где малые — менее. Как это осуществить практически? Довольно просто — путем армирования. В одном направлении уложить больше волокон, в другом — меньше.

Столь привычный для традиционного материала вопрос — какова его прочность (жесткость, электросопротивление, теплопроводность и т. п.) — сам по себе для армированных композитов лишен смысла. Он обязательно требует ответного вопроса: а в каком направлении? Потому что армированные композиты — это материалы анизотропные, и их свойства в разных направлениях могут отличаться в десятки раз.

Например, эпоксидная смола, упрочненная параллельными волокнами бора, имеет вдоль волокон предел прочности более 1000 МПа, а в поперечном направлении — менее 100 МПа. В одном направлении армированный композит может быть проводником, а в другом — диэлектриком (например, углепластики).

Для характеристики анизотропного материала нужно больше показателей, чем для изотропного. Это зависит от характера анизотропии.

Модуль Юнга

Рассмотрим этот вопрос на примере одной из характеристик материала — модуля упругости или модуля Юнга. Для начала разберемся, что это такое. Хотя в школьной программе модуль Юнга числится, суть его почему-то плохо запоминают. То, что прочность — это напряжение, при котором материал разрушается, усваивается легко.

А вот что в математической записи закона Гука (σ = Еε), устанавливающего пропорциональность напряжения σ и упругой относительной деформации материала ε, имеется коэффициент пропорциональности Е, называемый модулем упругости, или модулем Юнга, помнят далеко не все.

Этот коэффициент — очень важная характеристика материала, которая определяет его поведение под нагрузкой. Чем больше Е, тем более жестким является материал, тем меньше он деформируется при заданной нагрузке. Величина Е входит во многие формулы, определяющие предельно допустимые нагрузки конструкций.

Она определяет жесткость материала. Для многих конструкций наряду с абсолютной величиной Е важна величина удельного модуля—отношения Е/γ (γ — плотность материала). Вроде бы несложно. А теперь попробуйте понять следующее:

Модуль упругости любого вещества есть столб этого вещества, способный производить давление на свое основание, которое так относится к весу, вызывающему определенную степень сжатия, как длина вещества к уменьшению этой длины.

После прочтения этой головоломки у самого любознательного человека наверняка пропадет желание иметь дело с модулем упругости и понять, что это такое. Между тем, определение дано в 1807 году самим Юнгом — он впервые ввел эту характеристику материала. Инженеры начали пользоваться ею примерно спустя полстолетия.

Не исключено, что столько времени им понадобилось, чтобы прийти в себя после прочтения юнговского определения. Сложность изложения Юнгу легко простить. В его время еще не существовало понятий напряжения и деформации, а попробуйте определить, что такое Е без этих понятий. Кроме того, он был великим ученым, а великим многое прощается, в том числе и запутанность формулировок.

Если материал изотропен, то у него один модуль Юнга (как и один предел прочности, одно электросопротивление, один коэффициент термического расширения и т. д.). А если материал анизотропен — то как минимум два, а может быть, и больше. Возьмем простейший случай анизотропного армированного материала, когда все волокна ориентированы в одном направлении.

Такой композит относится к трансверсально-изотропным (или транстропным) материалам. Если модуль Юнга волокон больше, чем матрицы, то вдоль волокон жесткость композита будет выше, чем в поперечном направлении.

Для характеристики такого композита нужно ввести два модуля упругости: один, учитывающий зависимость деформации от напряжения в направлении, параллельном волокнам (Е ‖) другой — в перпендикулярном направлении (Е perp). В любом другом направлении величина Е может быть рассчитана по известным значениям Е perp и Е ‖.

Другие характеристики анизотропных материалов

Кроме модуля Юнга к числу упругих постоянных материала относятся модуль сдвига, коэффициент объемного сжатия, коэффициент Пуассона. И все, что говорилось о модуле Юнга, применимо к этим характеристикам тоже.

Изотропные материалы имеют всего три независимые упругие постоянные, трансверсально-изотропные — пять, орто-тропные (к которым относятся композиты, армированные в двух взаимноперпендикулярных направлениях) — девять. В самом общем случае анизотропного материала число его упругих характеристик может доходить до 21. Все вышесказанное относится и к прочности.

При описании теплопроводности, термического расширения, электропроводности и других физических свойств анизотропных материалов также нужно вводить для разных направлений свои показатели.

Анизотропные системы

Понятно, что решать задачи, связанные с поведением анизотропных систем, намного сложнее, чем изотропных. Для их решения пришлось разрабатывать специальные методы, создавать теорию анизотропных сред. Появление новых армированных материалов стимулировало проведение этих разработок.

При определении свойств анизотропных материалов приходится испытывать намного больше образцов, чем при испытаниях изотропных. Например, для выявления всех упругих постоянных ортотропного материала нужно испытать на растяжение шесть разных образцов, для изотропного — достаточно одного. При испытаниях анизотропных композитов нужно учитывать особенности их поведения, у обычных материалов отсутствующие. Так, при растяжении в них могут появляться сдвиговые деформации, и стержень, имевший форму прямоугольного параллелепипеда, деформируясь, станет косоугольным параллелепипедом.

Изгиб круглого цилиндрического образца из анизотропного композита может сопровождаться потерей формы круга, искривлением и закручиванием его оси и пр. Все эти особенности требуют внимания при расчете конструкций из анизотропных материалов.

А такие конструкции все шире используются в технике. Огромные цистерны для хранения различных жидкостей, корпуса подводных лодок и ракет, сферические сосуды разнообразного назначения, лопасти винтов вертолетов, лопатки авиационных турбин, кузова автомобилей, несущие конструкции солнечных батарей и другие изделия самых разнообразных форм и размеров сегодня изготавливают из анизотропных материалов.

Причем изготавливают рационально, конструируя одновременно и изделие, и материал. Пожалуй, это одно из самых главных достоинств анизотропных композитов — возможность конструирования материала под заданное изделие, с учетом условий работы этого изделия.

Например, если известно, что в цилиндрическом сосуде напряжения в окружном направлении будут в два раза больше, чем в осевом, то, разместив по окружности в два раза больше волокон, чем по оси, мы обеспечим примерную равнопрочность армированного композита в этих направлениях. Это и будет рациональное проектирование сосуда для данного случая.

Часто изделие и композиционный материал под него не только проектируются совместно, но и одновременно изготавливаются. Это очень важно в экономическом отношении, поскольку исключаются операции обработки давлением и резанием, сварки и т. п., которые необходимы для изготовления деталей из обычных изотропных материалов.

Причиной которая пробудила столь острый интерес к армированным композитам, послужило осознание того факта, что на тонких волокнах можно получить гораздо большие значения прочности, чем на массивных материалах.

Изотропные материалы имеют всего три независимые упругие постоянные, трансверсально- изотропные — пять, орто-тропные (к которым относятся композиты, армированные в двух взаимноперпендикулярных направлениях) — девять. В самом общем случае анизотропного материала число его упругих характеристик может доходить до 21.