Акустическая релаксация в нематических жидких кристаллах при высоких давлениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

§ 1.1. Молекулярно-статистическая теория нематических жидких кристаллов

§ 1.2. Феноменологическая теория нематических жидких кристаллов

§ 1.3. Распространение ультразвуковых волн и акустическая спектроскопия нематических жидких кристаллов

§ 1.4. Механизмы релаксационных процессов в нематических жидких кристаллах

§ 1.5. Обзор экспериментальных исследований акустических свойств, вязкости и плотности нематических жидких кристаллов.

§ 1.6. Постановка цели и задач, обоснование выбора объектов и методов исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

§ 2.1. Требования к установкам и методикам измерений

§ 2. 2. Автоматизированная установка для измерений скорости распространения ультразвуковых волн и плотности НЖК.

§ 2.3. Установка для измерения вязкости НЖК

§ 2.4. Установка для определения поглощения и скорости ультразвука

§ 2.5. Оценка погрешностей измерения скорости и поглощения ультразвуковых волн, плотности и вязкости НЖК.

§ 2. 6. Объекты исследования.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

§ 3.1. Плотность НЖК.

§ 3.2. Вязкость НЖК

§ 3.3. Скорость ультразвука

§ 3.4. Поглощение ультразвука

§ 3.5. Концентрационные зависимости исследованных свойств

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

§ 4.1. Тепловое расширение НЖК.

§ 4.2. Сжимаемость НЖК.

§ 4.3. Свойства смесей НЖК на базе теории соответственных состояний

§ 4.4. Объемная вязкость и акустическая релаксация в нематических жидких кристаллах

§ 4.5. Оценка дисперсии скорости ультразвука

Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям акустических, вязкоупругих и релаксационных свойств нематичес-ких жидких кристаллов (НЖК) МББА, ЭББА и их эвтектической смеси Н-8 в широких интервалах давлений, температур и частот ультразвука (УЗ).

Среди множества методов «изучения свойств конденсированных сред акустический метод отличается высокой-точностью, простотой и надежностью. Скорость и поглощение УЗ относятся к характеристикам, позволяющим получить большой объем информации о вязкоупругих и релаксационных свойствах, структуре вещества, процессах теплового движения, характере и интенсивности межмолекулярного взаимодействия.

Деформации сжатия (растяжения) и сдвига, возникающие при распространении упругих волн, приводят к изменению порядка в расположении молекул и их комплексов, т.е. к перестройке структуры, а, следовательно, к изменению всех структурно чувствительных свойств. Особенно плодотворно использование акустических методов для изучения жидких кристаллов (ЖК) в области фазовых переходов.

Необходимо, однако, отметить, что акустический метод является лишь одним из методов, используемых для исследования ЖК. Полное представление о ЖК состоянии и создание строго обоснованной теории возможно только путем использования результатов исследования ЖК различными методами: акустическим, оптическим, рентгеноструктурным, диэлектрической спектроскопии, рассеяния нейтронов, ядерного магнитного резонанса, вискозиметрии и многими другими.

Актуальность работы. В последнее время ЖК нашли широкое применение в приборостроении и новых технологиях. Они используются в качестве элементов буквенно-цифровых индикаторов, матричных экранов, преобразователей изображения, модуляторов и дефлекторов излучения в оптических системах передачи и обработки информации, логических и запоминающих устройств, оптических фильтров и т. п.

Устройства на основе НЖК функционируют в режиме переходов между различными ориентациями и из неориентированного состояния в ориентированное. Это делает актуальным исследование как ориентированных, так и неориентированных НЖК.

ЖК занимают промежуточное положение между изотропными жидкостями (ИЖ) и твердыми кристаллами (ТК), поэтому исследования ЖК могут дать ценный материал как для теории твердокристаллического, так и жидкого состояния.

Изучение двойных систем НЖК способствует определению условий расширения области существования мезофазы, что увеличивает перспективы практического использования НЖК.

Недостаточность и противоречивость существующих экспериментальных данных, особенно о частотных зависимостях скорости и поглощения УЗ при высоких давлениях, и, рассчитанных на их основе, вяз-коупругих и релаксационных свойств НЖК также предопределяют актуальность настоящей работы.

Цель работы. Проведение исследований акустических, вязкоупру-гих и релаксационных свойств НЖК в широком интервале термодинамических параметров состояния и частот УЗ, изучение механизмов релаксационных процессов.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- создание и модернизация экспериментальных установок и камер для измерений, скорости и поглощения УЗ, плотности и вязкости НЖК;

- получение массива экспериментальных данных указанных величин;

- расчет на основе экспериментальных данных вязкоупругих и релаксационных свойств НЖК и изучение их поведения в зависимости от давления, температуры и частоты УЗ;

- анализ экспериментальных данных и рассчитанных свойств на основе существующих теорий НЖК.

Научная новизна. Разработаны и созданы экспериментальные установки и камеры для измерений скорости и поглощения УЗ, плотности и вязкости НЖК в широкой области давлений, температур и частот УЗ. Впервые

- получены экспериментальные данные о скорости и поглощении УЗ в интервалах давлений 0.1 . 200 МПа, температур 293 . 403 К, частот 1 . 50 МГц в МББА, ЗББА и Н-8; плотности и вязкости Н-8 в том же интервале давлений и температур 293 . 373 К;

- рассчитаны вязкоупругие (энергия активации вязкого течения, изобарный коэффициент теплового расширения, изотермическая и адиабатическая сжимаемости, отношение сжимаемостей) и релаксационные (поглощение, обусловленное сдвиговой вязкостью, объемная вязкость, отношение объемной и сдвиговой вязкостен, поглощение УЗ на длину волны, энтальпия активации эффективной реакции, частота и время релаксации) свойства НЖК в указанных интервалах термодинамических параметров состояния и частот УЗ;

- исследован характер и возможные причины поведения вышеназванных свойств НЖК в зависимости от давления, температуры и частоты УЗ в рамках существующих теорий;

- получены эмпирические соотношения, описывающие значения акустических (скорость и поглощение УЗ), вязкоупругих (плотность, изобарный: коэффициент теплового расширения, изотермическая сжимаемость, сдвиговая вязкость) и релаксационных (объемная вязкость, частота и время релаксации) параметров НЖК в зависимости от давления, температуры, частоты УЗ и концентрации компонентов смеси;

- изучено влияние давления на частотно-энергетические характеристики механизмов релаксационных процессов в исследованных НЖК;

- проведена оценка дисперсии скорости УЗ при высоких давлениях.

Практическая ценность. Разработанные измерительные камеры и экспериментальные установки могут быть использованы для проведения высокоточных и надежных измерений акустических, Р-р-Т и вязкостных свойств веществ в жидком состоянии в научных и прикладных целях.

Полученные экспериментальные данные, рассчитанные свойства НЖК и сделанные выводы представляют интерес для различных отраслей промышленности, проектирования технических устройств на основе НЖК. Результаты исследований могут быть использованы для расширения банка данных теплофизических свойств технически важных веществ и дальнейшего анализа существующих теорий ЖК состояния вещества. Автор защищает:

- созданные экспериментальные установки для измерений: скорости УЗ и плотности НЖК в интервалах частот УЗ 1 . 6 МГц, температур 293 . 423 К, давлений 0.1 . 600 МПа; вязкости в интервалах температур 293 . 403 К, давлений 0.1 . 200 МПа; скорости и поглощения УЗ в интервалах частот 1 . 100 МГц, температур 293 . 403 К, давлений 0.1 . 200 МПа;

- полученный массив экспериментальных данных о скорости и поглощении УЗ, плотности и вязкости МББА, ЗББА и Н-8 в интервалах частот 1 . 50 МГц, температур 293 . 403 К и давлений 0.1 . 200 МПа;

- результаты расчетов вязкоупругих (энергия активации вязкого течения*: изобарный коэффициент теплового расширения, изотермическая и адиабатическая сжимаемости, отношение сжимаемостей) и релаксационных (поглощение, обусловленное сдвиговой вязкостью, объемная вязкость, отношение объемной и сдвиговой вязкостей, поглощение УЗ на длину волны, частота и время релаксации, энтальпия активации эффективной реакции) свойств исследованных НЖК;

- обнаруженные зависимости в поведении вышеназванных свойств от давления, температуры, частоты УЗ и концентрации компонентов смеси;

- результаты анализа экспериментальных данных и рассчитанных свойств в рамках существующих теорий;

- полученные эмпирические соотношения, описывающие значения акустических (скорость и поглощение УЗ), вязкоупругих (плотность, изобарный коэффициент теплового расширения, изотермическая сжимаемость, сдвиговая вязкость) и релаксационных (объемная вязкость, частота и время релаксации) параметров НЖК в зависимости от давления, температуры, частоты УЗ и концентрации компонентов смеси.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях: 3-м международном совещании "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, 1994), 1-ой научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 3994), 4-ом международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, 1996), 2-ой международной научно-технической конференции "Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники" (Егорьевск, 1997), 5-ом международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, 1998), 5-ой Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1998), 3-ей международной научно-технической конференции "Чкаловские чтения - инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники" (Егорьевск, 1999) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа в виде научных статей и тезисов докладов на Всероссийских и международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 162 наименований и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста и включает 53 рисунка и 30 таблиц. Приложение состоит из .39 таблиц.