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各向异性

各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化,在不同的方向上呈现出差异的性质。各向异性是材料和介质中常见的性质,在尺度上有很大差异,从晶体到日常生活中各种材料,再到地球介质,都具有各向异性。值得注意的是,各向异性与非均匀性是从两个不同的角度对物质进行的描述,不可等同。

当物体内部存在一个对称轴时,在垂直于对称轴的平面内(横观方向)物体的性质在各个方向都相同,也就是说不具有方向性,这样的性质称为横观各向同性。横观各向同性介质内的各向同性面都相互平行。

物体内部存在无限多个对称轴时,任意方向上的性质均相同,在整个介质内部均不具有方向性,这样的性质称为各向同性。例如几何学中常用的简单均质球体即为各向同性体。各向同性既可以看做是各向异性的对立性质,也可以看做是各向异性的特殊情况。

晶体的各向异性即沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度 不尽相同,由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。

晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量硬度、断裂抗力、屈服强度热膨胀系数导热性电阻率电位移矢量电极化强度磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。常用晶向来标志晶体内的不同取向。

晶体矿物学中物理上可实现的各向异性对称系统有 8 个,即三斜晶系单斜晶系斜方晶系、正方晶系、三方晶系六方晶系立方晶系和各向同性晶系。 以立方晶系为例,晶体的<100>晶向族为快速凝固方向,物质会沿此方向优势排列。此外晶体内原子排列的各向异性有时在宏观上也会有所表现,例如石英晶体的柱状生长形态。

晶体内部由原子组成的晶面是不能直接观测到的,因此需要借助于其他光学手段。检测晶体内部结构常用的方法为衍射技术,分为X射线衍射技术和电子衍射技术,常用的仪器为扫描电镜

各向异性导电胶(ACA,Anisotropic Conductive Adhesive)是一种只在一个方向导电,而在其他方向电阻很大或几乎不导电的特殊导电胶。主要用于电子零件制造和装配过程,已逐渐成为绿色环保电子封装材料的主流。

ACA在X、Y轴方向上导电填料的体积分数很小,因导电填料密度小而无法形成连续的导电通道,故在这两个方向上是不导电的,需要通过沿Z轴方向施加一定的压力来实现Z轴方向上的导电。

ACA主要分为两种基本类型:一种是膜状各向异性导电胶(ACF,AnisotropicConductiveFilms),也称为各向异性导电膜;另一种是膏状各向异性导电胶(ACP,AnisotropicConductivePastes)。这两种导电胶的主要区别在于,ACF在工艺实施前就具有各向异性导电性,ACP则需要通过一定的工艺过程才能体现出各向异性导电性。

常见的多晶陶瓷如氧化铝陶瓷、钽钛系陶瓷、铌钛系陶瓷和铌钽系陶瓷等的介电性都具有明显的各向异性。 改性

对于地下介质来说,各向异性是普遍存在的。地球物理中应用的各向异性有时仅限于观测到的“视各向异性”,以与晶体里具有的点各向异性相区别。

在地震学研究中,地震各向异性指的是在地震波场的尺度上任何包含内部结构(旋回性薄互层或定向排列的裂隙)的均匀性材料,其弹性特征随方向发生变化。 通常是指平行于地层面的速度与垂直于地层面的速度之间的差别。

地震学家根据晶体对称性的分类体系,按照地下介质中波动物理可实现的 对称性,将实际地球介质各向异性基本对称性分为 10 类,主要表现为弹性系数矩阵的差异,分别为:

三斜各向异性介质、

单斜各向异性介质、

正交各向异性介质、

三方各向异性介质Ⅰ、

三方各向异性介质Ⅱ、

四方各向异性介质Ⅰ、

四方各向异性介质Ⅱ、

六方各向异性介质( TI 介质)、

立方各向异性介质、

各向同性介质。

其中六方各向异性介质又称为横向各向同性(Transverse Isotropy)介质,是地球介质中最为常见的各向异性介质,也是地震勘探中使用最广的介质,由于TI 介质具有一个无限次的对称轴,表现出一定程度上的各向同性性质,所以它的这种性质被称为弱各向异性。 具有垂直对称轴的 TI 介质称为 VTI 介质,具有水平对称轴的 TI 介质称为 HTI 介质, HTI 介质可以看成是 VTI 介质的对称轴旋转 90°得到的。

地下岩石的地震各向异性成因主要来源于三个方面:固有各向异性、裂隙诱导各向异性和长波长各向异性。固有各向异性是由岩石的固有结构和特性产生的,其形成的物理机制包括晶体各向异性、直接应力作用导致各向异性和岩性各向异性。 片状矿物颗粒及裂隙平行于地层排列而使垂直于和平行于地层的物理性质不同表现为微观各向异性,长波长各向异性使所观测的地质体中薄层的物性显著区别于其他部分则表现为宏观各向异性。

各向异性介质中横波和纵波的振动方向不再与弹性波的传播方向正交,而是有一定的交角,这时在介质中有三种体波传播,准纵波(qP波)、准横波(qS波)和纯横波(SH波)。横波在各向异性介质中遇到裂隙会发生横波分裂,分裂为快横波和慢横波。

电各向异性主要指电阻率在地下介质中各个方向上的不同,通常由电阻率各向异性系数表示。电阻率各向异性系数是指垂直于地层测得的电阻率与平行测得的电阻率比值的平方根,它的值常在1与2之间。

岩石中激发极化的各向异性小于电阻率的各向异性。在片理状岩石中,平行于片理的真电阻率小于垂直于片理的真电阻率。

硅钢的 [100] 方向,磁感应强度

深冲压钢的(111)面,深冲压性能

超导镍带的(100)面,超导薄膜的外延生长

电容器铝箔的(100)面,比电容水平

AIN压电效薄膜 的[001] 方向,高超声波传播速度

InSb磁阻材料的(111)面,灵敏的物理磁阻效应

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