Акустические исследования динамики нематических жидких кристаллов в меняющихся магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Типяков Олег Алексеевич

2 7 АО» 2Ьоа

АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ВМЕНЯЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

КУРСК 2009

003475808

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Курский государственный университет»

Научный ру ководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент

Мелихов Юрий Филиппович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Родионов Александр Андреевич;

кандидат физико-математических наук, профессор

Насонов Алексей Дмитриевич

Ведущая организация: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Защита состоится «24» сентября 2009 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КурскГТУ Автореферат разослан «АО » СиМи^ Сто. 2009 г.

Объявление о защите и автореферат диссертации размещены на сайте КурскГТУ: http://wvm.kstu.kursk.ru

Учёный секретарь диссертационного

совета Д 212.105.04, кандидат /7,

физико-математических наук, доцент Ом^Ьс*'^-' Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Уникальные свойства жидких кристаллов (ЖК) находят широкое применение в современном приборостроении и новых технологиях. Наиболее широко ЖК используются в качестве элементов буквенно-цифровых индикаторов, матричных экранов, преобразователей изображения, модуляторов и дефлекторов излучения в системах обработки, хранения и отображения информации. Асимметрия строения молекул нематических жидких кристаллов (НЖК) и своеобразие межмолекулярного взаимодействия, приводящие к анизотропии физических свойств, вызывают повышенную чувствительность НЖК не только к воздействию электрических и магнитных полей, но и к изменению их термодинамических параметров состояния.

Поскольку большинство устройств с жидкокристаллическим рабочим телом работает в динамическом режиме в условиях воздействия на НЖК изменяющихся во времени и пространстве внешних полей, исследование реакции жидких кристаллов на такие воздействия позволяет получать полезную информацию для оценки параметров приборов с жидкокристаллическим рабочим телом. Вместе с тем изучение динамики НЖК в меняющихся магнитных полях является эффективным средством исследования внутренней структуры ЖК.

Величиной, характеризующей внутреннюю структуру ЖК, служит коэффициент вращательной вязкости (у^. При исследовании динамики ориентационных процессов в НЖК в переменных магнитных полях широко используются законы гидродинамики, являющейся наиболее развитой феноменологической теорией мезоморфного состояния. Существование полученных в рамках современных гидродинамических теорий (Лесли-Эриксена, Форстера, Мартина, Пароди, Пер-шана) адекватных решений уравнения движения директора НЖК в периодически меняющихся магнитных полях обусловливает перспективность экспериментального изучения динамики ориентационных процессов в ЖК, подверженных влиянию такого типа полей. Данные экспериментальные исследования имеют существенное значение для определения кинетических параметров НЖК и уточнения соотношений гидродинамики НЖК.

Для изучения зависимости неравновесных свойств НЖК от степени ориента-ционной упорядоченности необходимы исследования в условиях больших объемов образца, линейные размеры которого значительно превышают длину магнитной когерентности и радиус корреляции флуктуации. В данной связи целесообразным представляется применение акустического метода, что обусловлено также высокой чувствительностью акустических свойств ЖК к изменению ориентационной структуры. Это позволяет получить информацию о величине коэффициента поглощения ультразвука в НЖК для расчёта диссипативных коэффициентов при различных температурах и параметрах магнитного поля.

Таким образом, акустические исследования релаксационных свойств в объемных образцах НЖК, подверженных влиянию периодически меняющихся магнитных полей с различными значениями магнитной индукции в широком интервале температур, представляются актуальными, а недостаточность и противоречивость существующих экспериментальных данных и рассчитанных на их основе вжзкоупругих и релаксационных свойств НЖК указывают на актуальность настоящей работы.

Цель и задачи исследования. Изучение динамики и механизмов релаксационных процессов в технически важных НЖК, акустических и релаксационных свойств ЖК, подверженных воздействию магнитных полей с изменяющимися параметрами в широком интервале температур, а также определение на их основе кинетических коэффициентов гидродинамики и анализ их зависимости от термодинамических параметров состояния.

Достижение данной цели потребовало решение следующей группы взаимосвязанных исследовательских задач:

- создание и модернизация экспериментальной установки и камеры для измерений поглощения ультразвука (УЗ) в НЖК;

- получение массива экспериментальных значений релаксационных свойств НЖК и изучение их поведения в зависимости от температуры и параметров магнитного поля;

- теоретический анализ экспериментальных данных и проверка адекватности некоторых положений гидродинамических теорий НЖК.

Научная новизна. Акустическим методом исследована динамика и механизмы релаксационных процессов в НЖК в широком интервале температур во вращающихся конических и статических магнитных полях при различных значениях индукции, скорости вращения и угла между вектором индукции и осью вращения магнитного поля.

Создана оригинальная экспериментальная установка и усовершенствована методика измерения амплитудных и фазовых характеристик анизотропии коэффициента поглощения УЗ веществ в жидком состоянии, подверженных воздействию периодически меняющихся магнитных полей в широком температурном интервале.

Впервые:

- акустическим методом исследованы релаксационные свойства НЖК в конических магнитных полях и рассчитаны диссипативные коэффициенты;

- обнаружено расхождение экспериментальных амплитудных значений фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в асинхронном режиме в течение переходного процесса с выводами гидродинамики НЖК;

- в рамках феноменологической теории получены полуэмпирические соотношения, описывающие зависимости акустических и релаксационных свойств НЖК от температуры и параметров магнитного поля;

- рассчитаны акустические и релаксационные коэффициенты ЭББА, МББА и ЖК-440 на частоте УЗ 2,67 МГц во всём температурном интервале существования тематической мезофазы во вращающихся конических и статических магнитных полях. Полученный массив данных предназначен для выполнения инженерно-технических расчётов и проверки положений существующих моделей поведения НЖК в изменяющихся магнитных полях.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, многократной калибровкой экспериментальной установки, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений, постоянным контролем температуры фазовых переходов акустическим и оп-

тическим методами и сравнением инфракрасных спектров поглощения НЖК до и после проведения эксперимента. Полученные результаты исследования в статических и вращающихся магнитных полях совпадают с данными других авторов (сведения об экспериментальном изучении акустических и релаксационных свойств НЖК в коническом магнитном поле в научной литературе отсутствуют).

Научная и практическая значимость работы. Созданная оригинальная экспериментальная установка и измерительная камера могут быть использованы для проведения надежных измерений анизотропии коэффициента поглощения УЗ и фиксации её фазовой характеристики в подверженных воздействию статических и конических магнитных полей веществах в жидком состоянии в научных и прикладных целях.

Полученные экспериментальные данные, рассчитанные параметры НЖК и сделанные выводы позволяют провести анализ и выполнить проверку ряда положений существующих феноменологических теорий ЖК состояния вещества.

Результаты исследований представляют интерес для различных отраслей промышленности, могут быть использованы при конструировании рабочих элементов акусто- и электрооптических устройств отображения информации на основе НЖК и для расширения банка данных теплофизических параметров технически важных веществ.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- результаты исследования динамики и механизмов релаксационных процессов, акустических и релаксационных свойств НЖК в широком интервале температур во вращающихся конических и статических магнитных полях при различных значениях индукции, скорости вращения и угла между вектором индукции и осью вращения магнитного поля;

- экспериментальная установка и методика измерения анизотропии коэффициента поглощения УЗ и её фазовой характеристики в НЖК в широком интервале температур во вращающихся конических магнитных полях;

- массив экспериментальных данных о фазовых зависимостях поглощения УЗ низкой частоты в ЭББА, МББА и ЖК-440 в нематической фазе;

- эмпирические соотношения, описывающие зависимости акустических и релаксационных параметров НЖК от температуры;

- вывод о том, что при углах между осью вращения и вектором индукции магнитного поля, меньших значения предсказанного гидродинамической теорией НЖК, асинхронный режим движения директора и вектора магнитной индукции не может быть реализован.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конф. «Совершенствование наземного обеспечения авиации», секция «Реология жидких кристаллов» (Воронеж, 1999 г.), всероссийских научно-технических конф. «Методы и средства измерений» (Нижний Новгород, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.), 8-ой Международной конф. «Радиолокация, навигация и связь». (Воронеж, 2002 г.), I Международной научной конф. «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2009), на ежегодных научных конф. КГУ.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, изложенных на 140 страницах машинописного текста, и включает 54 рисунка, 13 таблиц, перечень использованной литературы, состоящий из 100 наименований, и приложение из 60 таблиц.

Личный вклад соискателя. Автором работы создана оригинальная экспериментальная установка, получены все результаты и предложены научные положения, выносимые на защиту, проведён анализ выявленных закономерностей, реализованы предложенные алгоритмы расчётов, сделаны обобщающие выводы и подготовлены все материалы к публикации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, поставлена цель исследования, сформулированы задачи, которые необходимо было решить для достижения поставленной цели, обозначены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, заявлена структура диссертационной работы.

В первой главе диссертации представлен обзор основных положений моле-кулярно-статистических и феноменологических теорий нематической фазы. Рассмотрены аспекты феноменологических теорий жидких кристаллов, описывающих анизотропное распространение УЗ в НЖК. Даны критический анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований динамических свойств НЖК, оценка достоверности отдельных положений существующих теорий. Обзор результатов экспериментальных исследований релаксационных свойств НЖК выявил их недостаточность и полное отсутствие данных о влиянии углов ориентации вектора магнитной индукции относительно оси вращения магнитного поля на динамические свойства НЖК. Особый интерес представляют исследования влияния температуры и параметров магнитного поля на акустические свойства НЖК. Обзор и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований позволили сформулировать цель и задачи диссертации и определить методический подход для их решения, а также выбрать в качестве объектов исследования жидкие кристаллы, обладающие широким температурным интервалом существования нематической фазы.

Во второй главе сформулированы основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке, предназначенной для исследования динамических свойств НЖК. Приведено описание оригинальной экспериментальной установки для исследования магнитоакустических явлений в НЖК в статических и вращающихся конических магнитных полях, а также блок-схемы электронной части установки (рис. 1) и конструкции измерительной камеры (рис. 2). Описана методика измерения коэффициента поглощения УЗ в нематической фазе в зависимости от температуры и параметров ориентирующего поля с использованием вычислительного комплекса. Приведены результаты контрольных измерений. Проведена оценка погрешностей полученных экспериментальных данных. Даны характеристики объектов исследования.

Рис. 1. Блок-схема электронной части экспериментальной установки: 1 - генератор; 2 - делитель; 3 - модулятор; 4 - коммутатор; 5 - синхронизатор; 6 - усилитель мощности; 7 - согласующее устройство; 8 - излучающий пьезоэлемент; 9 - измерительная камера; 10 - исследуемое вещество; 11 - приёмный пьезоэлемент; 12 - предусилитель; 13 - АЦП сигнала; 14 - вычислительная машина; 15 - интерфейс; 16-датчик полного оборота; 17-датчик угла; 18-магнит; 19-осциллограф; 20 - электрический поворотный стенд; 21 - АЦП термометра; 22 - термометр; 23 - термостат, 24 - аттенюатор

Рис. 2. Измерительная камера. 1, 10 - пьезоэлементы; 2, 9 - элекгровыводы; 3,7,8 - гайки; 4 - исследуемое вещество; 5 - отверстия; 6 - корпус

Относительная погрешность определения анизотропии коэффициента поглощения УЗ в ротационном магнитном поле составляет не более 2 %, измерения фазового сдвига - 0,5 %. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждена контрольными измерениями в МББА с хорошо изученными свойствами в статическом и вращающемся магнитном поле. В качестве объектов исследования выбраны НЖК:

МББА - п-метоксибензилиден - п-бутиланилин;

ЭББА - п-этоксибензилцден - п-бутиланилин;

ЖК-440 - раствор, состоящий из одной объёмной части п-н-бутил-п-гептаноилокси-азоксибензола (БГОАБ) и двух частей п-н-бутил-п-метоксиазоксибензола (БМОАБ).

Для исследований использовались реактивы марки «ЧДА». Степень чистоты исследуемого вещества оценивалась по значениям температуры фазовых переходов алогическим и оптическим методами и сравнением инфракрасных спектров поглощения НЖК до и после проведения эксперимента. Некоторые характеристики изученных НЖК представлены в табл. 1.

Табл. 1. Характеристики исследованных НЖК

НЖК Структурная формула Тс, К Тк, К

МББА сн3о 318,6 296,1

ЭББА 353,1 310,6

смесь ЖК-440 1/3 БГОАБ (ЖК-439); с4н> - осос6н10 о + 2/3 БМОАБ (ЖК-434); СЛ-®-* -н-®-осц 0 344,5 265,7

Здесь Тс - температура перехода из нематической в изотропную фазу, Тк - температура перехода из твёрдой в нематическую фазу.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований коэффициента поглощения УЗ на частоте 2,67 МГц и его анизотропия в НЖК: МББА, ЭББА и ЖК-440 в статических, вращающихся и конических магнитных полях с индукцией 0,119 - 0,245 Тл. Особый интерес вызывают исследования ЖК, когда ось вращения магнитного поля составляет отличный от я/2 угол с вектором напряженности. В системе координат, связанной с образцом (рис. 3), вектор магнитного» поля образует прямой круговой конус, по которому он описывает равные сегменты в единицу времени. Выполненные экспериментальные исследования позволили выявить следующие закономерности.

1. Фазовый сдвиг между проекцией директора и вектора магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную оси вращения магнита, увеличивается при уменьшении температуры (рис. 4, 5), увеличении частоты вращения ориентирующего поля (рис. 6), уменьшении индукции и угла (/?) между вектором индукции и осью вращения конического магнитного поля (рис. 7).

Рис. 3. Ориентация директора в коническом магнитном поле

Рис. 4. Зависимость фазового сдвига в ЭББА от температуры в магнитном поле с индукцией 0,243 Тл, вращающемся с частотой: 1-0,12; 2-0,18; 3-0Д4; 4-0,31; 5-0,36рад/с

Щград

401

35 30 25

20-г

15 10 50 -1В

а /=иирад р. граЬ О-23/Ю°С

* Ц=1ЬграЬ 40- о □ -29,46°С

□ гряд 35- О й-37,56 "С

л (9-Фг/од □ 0-41.1б°С

« 0=30 град 30 о а х-42,Л1°С

25 20 15

8В„ 10

0

«х

ЮН..РВДЛ:

-15

-12

0,2

0,3

0,4

0,5

Рис. 5. Зависимость фазоюго сдвига в Рис. 6. Зависимость фазового сдвига в МББА от температуры на частоте МББА от частоты а>ц при /?=90 град, в £0^=0^6 рад/с в магнитных полях с магнитном поле с индукцией В;/Ч)г243 Тл индукцией В//=0,243 Тл

2. Диапазон угловых скоростей вращения магнитного поля, в котором ориентация директора, синхронная магнитному полю и однородная, увеличивается при уменьшении угла /?.

3. Установлен характер зависимости частоты смены режимов движения директора от температуры, индукции и значения угла /? магнитного поля (рис. 8).

о -1 □ -2 д -3

о - 1 х -2 л -3 □ -4 о -5

□ д

а о

10 10 ■

□

5 - л 5 ;

X

Д „ Д

90 75 60 45 30 Р. ° 90 75 60 45 30 р, 0

а) б)

Рис. 7, Зависимость параметра у/ от /? в МББА: а) при (Он= 0,18 рад/с и температурах: [ - 299,60 К, 2- 308,70 К, 3 - 313,90 К; б) при температуре 312,80 К и сон (рад/с): 1 -0.36, 2-0.31, 3 -0.24, 4-0.12, 5 -0.06

сок, ®к,

рад/с рад/С

0,5 0,4 0,3 ,

1,0

0,8 -

□ х

9 « 0,6 д д

и о о

0,2 т °>4 +

0,1

0,0

»й»»

0,2 -

л § X х

8§§§о2ОС

90 75 60 А ТРЭД -50 -40 -30 -20 -10 ДТс, К

а) ■ б)

Рис. 8, Зависимость частоты смены режимов сок в ЖК-440: а) от параметра магнитного поля /? при температуре (К): п-327.9, х-319.0, о—312.9, Д-06.7, 0-294.6; б) от АТс прир {граду. О-60, *-75, о-90

4. В конических магнитных полях анизотропия поглощения ультразвука в синхронном режиме совпадает со значением А а, измеренным в статическом магнитном поле, и является функцией температуры и угла/? (рис. 9).

ДафУ^Ю12, м-'с2 ДафУ^'Ю", м"1с

пп ■ 2,0 2.0 а_^_5___

1.9 " 1,5

1,8 ? " " п ■■ п_

1,0 г

.-1

0,51,6 т .-3 х - 4 1. О -4 - О -5

I

1,5 -!----------------------г—----1----------«- 0,0 '---------;-------------------------------------—

0 0,05 0,1 0,15 он. Рад/с 0 0,05 0,1 0,15 шн, РЭД/с

а) б)

Рис. 9. Зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука от частоты вращения магнитного поля: а) в МББА при ¡1 = 90° и температурах: 1 - 297,4 К, 2 - 299,9 К, 3 - 302,2 К, 4-314,0 К; б) в ЭББА при температуре 351,1 К и углах /? (град): 1 -90, 2-75, 3-60,4-45, 5-30

5. Обнаружено увеличение фазового сдвига между проекциями директора и вектора магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную оси вращения при повышении угловой скорости вращения магнитного поля во всём температурном интервале существования нематической фазы при различных значениях индукции и угла р.

6. Установлено, что уменьшение угла ориентации вектора магнитной индукции относительно оси вращения приводит к возрастанию значения частоты смены режимов (сок) и, при углах /? меньших 54 градусов, асинхронный режим не реализуется в исследованном диапазоне частот сон-

В четвертой главе на основе экспериментальных данных рассчитаны релаксационные свойства НЖК. Изучено поведение этих свойств в зависимости от температуры, проведен теоретический анализ экспериментальных данных и рассчитанных свойств с помощью существующих теорий НЖК. В рамках релаксационных теорий установлены вероятные механизмы релаксационных процессов в исследованных НЖК.

Во вращающемся магнитном поле при /? = 90° уравнения движения директора имеет четыре решения, одно из которых описывает область ориентации нематика в статическом магнитном поле, т.е. при сйн=0- Второе решение соответствует движению директора НЖК в магнитном поле, вращающемся с угловой

скоростью а>„ =&>0= . в этом случае движение директора НЖК можно оха-растеризовать выражением вида:

где

2 Г^н

При условии юи = а)к величина е=1 и уравнение движение директора (1) примет вид:

1ё<р = сон1(1+а)н1Г\ (3)

Уравнение (3) описывает поведение директора, движущегося с угловой скоростью <%, соответствующей частоте вращения вектора магнитной индукции с

отставанием на угол р =

Решение уравнения движения директора, полученное при условии Фн<о>о, соответствует синхронному режиму. В этом случае зависимость фазового сдвига от времени, а также угловой скорости и индукции магнитного поля имеет вид:

1 -ехр -2а ¡¿(е2 -1)°'5 ,лл <р = аггл%-.-Г"Т - т—г -Г ■ (4)

[е+(Ё1 -1)°-5]442 -I)3'5]

Выражение (4) показывает, что после начала вращения магнитного поля с частотой ниже критической ((йц<Юо) фазовый сдвиг <р монотонно возрастает, асимптотически приближ аясь к значению [«- + (е2 -])°'5]. Зависимости <р(1), рассчитанные на основании уравнения (4), представлены на рис. 10 сплошными линиями, а определённые экспериментально (после установления синхронного режима) значения фазового сдвига показаны пунктирными линиями. Как следует из рис. 10, по истечении интервала времени длительностью тсши после начала вращения магнитного поля фазовый сдвиг достигает постоянного значения, равного найденному экспериментально. Величина тснк является функцией температуры НЖК, индукции и частоты вращения магнитного поля. Повышение температуры вещества или увеличение магнитной индукции сопровождается уменьшением величины времени тсшк. Повышение частоты вращения магнитного поля приводит к увеличению продолжительности переходного процесса установления синхронного режима Тснх (рис. 10). Значение тсинх может быть определено из уравнения (4)

ехр[- 2со„1(е2 -1)°'5 ] = ехр[- 2/(©02 - т2„] = ехр — , (5 )

_ ^синх _

где

Г- (б)

При юн>сйо реализуется асинхронный режим движения директора. В этом случае зависимость фазового сдвига от времени имеет сложный характер:

<р=агЛ —Д (7)

{(1-еГ^Л-^Г

Рис. 10. Зависимость фазового сдвига от времени в ЭББА при Т=319,0 К во вращающемся магнитном поле с индукцией 0,123 Тл при Юц (рад/с): 1-0,24; 2-0,18; 3-0,12; 4-0,06; 5-0,05 В асинхронном режиме директор совершает колебания около текущего положения с частотой сон и одновременно вращается в направлении поля со средней угловой скоростью со_, меньшей а>н.

а>_ = сон-а>1, (8) где а>, = (со2н - ш02)0'5. Значения а>_, рассчитанные с помощью уравнения (8), и величины экспериментально определённой угловой скорости О низкочастотной составляющей фазовой характеристики совпадают в пределах погрешности эксперимента (табл. 2). Табл.2. МББА; В = 0,119 Тл_

В, Тл со, рад/с —-—- -2033 -1730 -14,27 -11ДЗ -820

0,182 0^1 Q, рад/с 0,142 0,234 0320

со , рад/с 0,151 0243 0309

0,72 Q, рад/с 0,045 0,086 0,120 0,184 0Д41

со , рад/с 0,041 0,077 0,119 0,175 0,250

Значения а>о рассчитанные с использованием результатов измерений в асинхронном режиме (8) совпадают с результатами расчетов аналогичной величины в синхронном режиме и являются угловой скоростью смены режимов движения директора

Подстановка соотношения (7) в уравнение угловой зависимости коэффициента поглощения ультразвука Aa=acos¡6+b cos4В позволяет получить выражение фазовой характеристики этого коэффициента в асинхронном режиме:

Дa{mHt) . Л tg[coH{\-e2f-lt)

-Чг-1 = a-sm2\a),ft-arctg-, „'V -н-—г-1— , 1

/2 1 " (1-s2)0'5 +e-tg[mH(y-e*rt[

L ■ J i-*2)0-5'] 1

Сравнение графика зависимости анизотропии коэффициента поглощения ультразвука, построенного на основании выражения (9) (рис. 11), с экспериментально полученными значениями Аа(со^)// (рис. 12) подтверждает совпадение величин (дог//2)т„ и частот О и ю_ в пределах погрешности эксперимента.

До//2-102 мУ

4ж 12л 20ж 28п 32я 40л С0НП рад

Рис. 11. Теоретическая зависимость фазовой характеристики анизотропии поглощения ультразвука в ЖК-440

¿■1 „ 12 .1 2 До://-10 м с

4я 12я 20я 28п 32л 40л ©н^рад Рис. 12. Экспериментальная зависимость фазовой характеристики анизотропии поглощения ультразвука в ЖК-440 при температуре 306,7 К, йн=0.31 рад/с

В то же время, уравнение (9) не учитывает затухание низкочастотной составляющей в асинхронном режиме, наблюдаемое экспериментально вследствие частичной разориентации НЖК. Продолжительность переходного процесса, в течение которого убывает амплитуда низкочастотной составляющей, характеризуется временем релаксации (тп), зависящим от температуры образца, частоты вращения и индукции магнитного поля.

Анализ полученных значений тп, в зависимости от температуры, частоты вращения и индукции магнитного поля показывает, что повышение температуры сопровождается экспоненциальным убыванием величины тп (рис. 13). Увеличение магнитной индукции или снижение частоты вращения магнитного поля приводит к уменьшению значений времени т. Значение превышает время ориентационной релаксации НЖК и связано с ним равенством:

гп=гк-{к-0)н)/О, (10)

где коэффициент к обратно пропорционален частоте вращения магнитного поля и принадлежит интервалу от 0,3 до 3,0.

Рис. 13. Температурная зависимость времени тп в МББА при В = 0,12 Тл и сои (рад/с): 1 - 1,03; 2 - 0,72; 3 - 0,36; 4 - 0,31, 5 - 0,24, 6-0,18

Использование конического магнитного поля позволяет расширить диапазон частот вращения магнитного поля, в котором наблюдается синхронный режим, что повышает надежность определения частоты соо из уравнения движения директора в данном поле:

^- = 8т2Ч/ + 2с1ёгр-18у/, (11)

где

= (12) 2 А

Значения ш0±, рассчитанные согласно уравнению (11) экспоненциально возрастают и при повышении температуры НЖК до Тс и при уменьшении угла р вращающегося магнитного поля.

=90° «означения

Экспериментально определённая частота юк перехода в асинхронный режим движения НЖК в коническом магнитном поле не совпадает с raD или с ю0±. Теоретический анализ показывает, что юк увеличивается от значения шк = со0 при

—rjcoo при критическом значении/? « 54,7°.

Значения ю0, полученные по результатам измерений во вращающемся и в коническом магнитном поле использованы для определения параметра:

yi/Ax=H2/2coo- (13)

Коэффициент вращательной вязкости рассчитан согласно выражению

у Ну,/Ах)-Ах, (14)

где использованы значения А/, представленные в работах [1, 2]. Температурная зависимость коэффициента вращательной вязкости исследованных НЖК имеет активационный характер:

г, = cons/-exp^—^J (15)

где параметр Е разен (кДж/моль): 34,0 в ЖК-440, 48,0 в МББА и 31,4 в ЭББА.

Показанная на рис. 14 точками зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука от угла между директором и волновым вектором в пределах погрешности эксперимента согласуется с зависимостью Aa(9)/f2, полученной на основании гидродинамической теории (сплошные линии), при различных значениях угла Р во всём температурном интервале нематической фазы (рис. 14). Это позволило рассчитать комбинации коэффициентов объёмной и сдвиговой Егзкости a=/J2+fi}+a3+as-yi^2 и £=«/+/Д2.

2,0

- Т - 295,0 К I- Т = 341,0 К г- Т = 343,0 К

— Т = 344,0 К

40 50 ВО 70 ВО 90 о 10 20 30 40 50 60 70 80 9D

а) б)

Рис. 14. Зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука от угла между директором и волновым вектором в ЖК-440 при Р (град): а) 90, б) 45.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе представлены результаты исследований динамики и механизмов релаксационных процессов, акустических и релаксационных свойств НЖК при изменяющихся температуре и параметрах магнитного поля, полученные на основании измерений амплитудных и фазовых параметров коэффициента поглощения УЗ в статическом и вращающемся коническом магнитных полях. Показана эффективность акустического метода изучения релаксационных свойств НЖК в больших объемах, линейные размеры которых на несколько порядков превышают длину магнитной когерентности, что позволяет пренебречь ориентирующим влиянием поверхностей пьезоэлементов и измерительной камеры. Создана экспериментальная установка для изучения релаксационных свойств ориентированных ЖК во вращающемся коническом и статическом магнитных полях в широком интервале температур. Результаты диссертационных исследований позволили сделать следующие выводы:

1. Разработана и создана экспериментальная установка для изучения динамики релаксационных процессов в НЖК в меняющихся магнитных полях в широком диапазоне температур, значений индукции, ориентации и угловых скоростей вращения магнитного поля.

2. Впервые обнаружено расширение интервала угловых скоростей вращающегося магнитного поля, в котором сохраняется синхронный режим движения директора и вектора магнитной индукции, при уменьшении угла между осью вращения и вектором магнитной индукции.

3. Впервые экспериментально установлено, что при значениях угла Р меньших предсказанной теоретической моделью критической величины, директор НЖК и вектор индукции магнитного поля движутся синхронно во всем исследованном диапазоне угловых скоростей вращения магнитного поля.

4. Впервые получены зависимости частотных и амплитудных значений фазовой характеристики коэффициента поглощения ультразвука от параметров конического магнитного поля и температуры.

5. Установлены эмпирические соотношения, описывающие зависимости акустических и ориентационных свойств НЖК от температуры и параметров магнитного поля.

6. Показано, что зависимость коэффициента поглощения ультразвука от угла между директором и волновым вектором удовлетворительно описывается гидродинамической теорией НЖК. Рассчитаны комбинации коэффициентов объёмной и сдвиговой вязкости НЖК и установлен характер их зависимости от температуры.

7. В коническом магнитном поле в рамках гидродинамики НЖК рассчитаны коэффициент вращательной вязкости и время ориентационной релаксации. Установлен активационный характер температурной зависимости коэффициента вращательной вязкости в нематической фазе.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yves Poggi, Ronald Aleonará. Mesure de Fanisotropie diamagnetique d'une configuration orintee par un champ magnetuque // C.R.Acad.Sci. - Serie B. - V276. -P.643 -645.

2. Каролик В А., Жук ИЛ. Экспериментальное исследование температурной зависимости магнитной восприимчивости некоторых нематических жидких 1фисталлов и их смесей // Инженерно-физический журнал. - T. XXXVII. - 1979. - № 2. -С.341 - 344.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях:

1. Ларионов, АЛ. Релаксационные свойства жидких кристаллов во вращающихся и конических магнитных полях [Текст] / АЛ. Ларионов, В.В. Чернышёв, Ю.Ф. Мелихов, OA. Тиняков // Весгаик ВГУ, Серия физика, математика. - Воронеж, 2002 .-№2.-0.47-51.

2. Мелихов, Ю.Ф. Вращательная вязкость и динамика ориентационных процессов в жидких кристаллах в меняющихся магнитных полях [Текст] / Ю.Ф. Мелихов, Э.В. Геворкян, А.Н. Ларионов, OA. Тиняков // Вестник Костромского ГУ им. H.A. Некрасова, - Кострома, 2006.-№1.- С. 27-32.

В других журналах и изданиях:

3. Мелихов, Ю.Ф. Ультразвуковые исследования нематических жидких кристаллов в переменных магнитных полях [Текст] / Ю.Ф. Мелихов, Э.В. Геворкян, O.A. Тиняков, А.Н. Ларионов // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации». - Воронеж: ВВАИИ, 1999. - С. 304 - 305.

4. Ларионов, А.Н. Применение акустического метода для исследования релаксационных свойств жидких кристаллов в области полиморфных превращений [Текст] / АН. Ларионов, C.B. Дедов, H.H. Ларионова, OA. Тиняков, C.B. Пустоветов // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конф. «Методы и средства измерений». 4.1. - Нижний Новгород: ВВО АТН РФ, 2000.- С. 6.

5. Ларионов, А.Н. Динамические свойства жидких кристаллов в пространст-вснно-переменных магнитных полях [Текст] / АЛ. Ларионов, НА. Ус, Ю.Ф. Мелихов, OA. Тиняков // Межвузовский сборник научно-методических трудов. - Воронеж: ВВАИИ, 2000,-С. 46-53.

6. Ларионов, А.Н. Исследование релаксационных свойств нематических жидких кристаллов в переменных магнитных полях [Текст] / А.Н. Ларионов, O.A. Тиняков, В.И. Кашников, C.B. Пустоветов // Материалы третьей Всероссийской научно-технической конф. «Методы и средства измерений». - Нижний Новгород: ВВО АТН Р Ф, 2001С. 9.

7. Тиняков, O.A. Исследование динамических свойств нематических жидких кристаллов в переменных магнитных полях [Текст] / OA. Тиняков // Перспективные методы измерений: межвуз. сб. науч. тр. КГПУ. - Курск, 2001. - С. 29 - 33.

8. Ларионов, А.Н. Акустические исследования динамики ориентационных процессов в нематических жидких кристаллах в коническом магнитном поле [Текст] / А.Н. Ларионов, OA. Тиняков, К.А. Маковий, H.H. Ларионова // Материалы V Всероссийской научно-технической конф. «Методы и средства измерений». -Нижний Новгород: ВВО АТН РФ, 2002. - С. 36.

9. Ларионов, А.Н. Акустические исследования динамики ориентационных процессов в нематических жидких кристаллах в конических и вращающихся магнитных полях [Текст] / А.Н. Ларионов, Ю.Ф. Мелихов, O.A. Тиняков// Ультразвук и термодинамические свойства вещества: межвуз. сб. науч. тр. КГПУ. -Курск, 2002,- С. 55 -62.

10. Ларионов, А.Н. Акустические исследования жидких кристаллов в пространственно-переменных магнитных полях [Текст] / А.Н. Ларионов, К.А. Маковий, OA. Тиняков, C.B. Садовский // Материалы 8 Международной конф. «Радиолокация, навигацияи связь»,-Воронеж,2002.-С. 138- 143.

11. Ларионов, А.Н. Установка для изучения ориентационной релаксации в нематических жидких кристаллах [Текст] / А.Н. Ларионов, Ю.Ф. Мелихов, В.В. Чернышёв, O.A. Тиняков II Тезисы докладов седьмой Всероссийской научно-технической конф. «Методы и средства измерений физических величин».- Нижний Новгород: ВВО АТН РФ, 2003.-С. 15.

12. Ларионов, А.Н. Акустические исследования релаксационных свойств жидких кристаллов в переменных магнитных полях [Текст] / А.Н. Ларионов, Ю.Ф. Мелихов, H.H. Ларионова, OA. Тиняков // Материалы девятой Всероссийской научно-технической конф. «Методы и средства измерений физических величин» .Нижний Новгород: ВВО АТН РФ, 2004- С. 29-32.

13. Ларионов, А.Н. Исследование релаксационных свойств нематических жидких кристаллов в конических магнитных полях [Текст] / А.Н. Ларионов, Ю.Ф. Мелихов, O.A. Тиняков// Научное обозрение, Серия физика - Москва, 2005. -С. 18-21.

14. Геворкян, Э.В. Ультразвук и поведение жидких кристаллов в конических магнитных полях [Текст] / Э.В. Геворкян, Ю.Ф. Мелихов, А.Н. Ларионов, OA. Тиняков // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: межвуз. сб. науч. тр. КГУ. - Курск, 2006,- С. 9 - 17.

15. Тиняков, OA. Фазовая характеристика анизотропии поглощения ультразвука в нематических жидких кристаллах во вращающихся и конических магнитных полях [Текст] / O.A. Тиняков // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: межвуз. сб. науч. тр. КГУ. -Курск, 2006. -С. 33-38.

16. Larionov, A.N. Ultrasonic properties ofnematic in conic rotating magnetic field [Text] // A.N.Larionov, OA. Tiniakov, E.V. Gevoikian, A.A. Dementeva // 21sl International Liquid Crystal Conference. - Keystone: 1LCC. -2006,- P.46 - 48.

17. Тиняков, O.A. Релаксационные процессы в нематических жидких кристаллах в пространственно переменных магнитных полях [Текст] / OA. Тиняков// Ультразвук и термодинамические свойства вещества. Вып. 36: сб. науч. тр. КГУ по материалам I Межд. научной конф. «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики».-Курск: КГУ, 2009.- С. 187 - 194.

<ь\

к/ '

Подписано в печать 26.06.2009 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 2072 Отпечатано в Изд-ве Курского госуниверситета с готового оригинал-макета 305000, г. Курск, ул. Радищева, 33.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.

1.1. Теоретические исследования гидродинамических свойств нематических жидких кристаллов.

1.1.1. Основные уравнения гидродинамики нематических жидких кристаллов.

1.1.2. Исследование поля ориентации директора нематических жидких кристаллов в статических и пульсирующих электрических и магнитных полях.

1.1.3. Динамика ориентационных процессов в НЖК во вращающихся магнитных полях.

1.2. Экспериментальные исследования акустических свойств НЖК в статическом магнитном поле.

1.3. Акустические свойства НЖК в переменных магнитных полях.

1.4. Постановка задачи, выбор объектов и метода исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Блок-схема экспериментальной установки. Основные требования, предъявляемые к установке для изучения ЖК акустическим методом.

2.2. Методика измерения амплитудных характеристик поглощения ультразвука.

2.3. Методика измерения фазовых характеристик поглощения ультразвука.

2.4. Оценка погрешности эксперимента.

2.5. Контрольные измерения.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛБ1ЖМШ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ; ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКШ ОВИЕШЭДИО

В КОНИЧЕСКОМ! И ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ МАГНИТНЫХ

ПОЛЯХ,.^.

3:1. Фазовая*'характеристика:, коэффициента поглощения ультразвука во вращающемсяшарнитн6мшоле:.„.

3.2. Фазовая® характеристика .коэффициента поглощения .ультразвука в ко1^ескомгмашита^.

3:3.Зависимость? частоты»' смены* режимов; от температуры щ параметров м&гнитного>поля.„.Л. 63^

3:4'. Влияние .параметров- магнитного1 поля № температуры на фазовый

3151 Анизотропия? коэффициента; поглощения;' ультразвука во вращающихся*; иг конических . магнитных полях.:. 69;

Актуальность проблемы:. Уникальные свойства жидких кристаллов (ЖК) находят широкое применение в современном приборостроении и новых технологиях. Наиболее широко ЖК используются в качестве элементов буквенно-цифровых индикаторов, матричных экранов, преобразователей изображения, модуляторов и дефлекторов излучения в системах обработки; хранения и отображения информации [1-4]. Асимметрия строения молекул нематических жидких кристаллов (МЖК) и своеобразие, межмолекулярного взаимодействия^ приводящие к анизотропии физических свойств, вызывают повышенную чувствительность НЖК не: только к воздействию электрических и магнитных полей, но>и: к изменению их термодинамических параметров состояния [5].

Поскольку большинство устройств с жидкокристаллическим рабочим телом работает в динамическом режиме в условиях воздействия на НЖК изменяющихся во, времени и пространстве внешних полей, исследование; реакции жидких кристаллов на; такие воздействия позволяет получать полезную информацию для оценки параметров приборов с жидкокристал-' лическим рабочим телом. Вместе с тем изучение динамики НЖК в меняющихся хмагнитных полях является эффективным средством исследования' внутренней структуры ЖК [6]. ;

Величиной^ характеризующей внутреннюю структуру ЖК, служит коэффициент вращательной вязкости (71). При исследовании динамики; ориентационных процессов в НЖК в переменных магнитных полях широко; используются законы гидродинамики, являющейся наиболее развитой; феноменологической теорией мезоморфного состояния: Существование! полученных в рамках современных гидродинамических теорий (Лесли-! Эриксена, Форстера, Мартина, Пароди, Першана) адекватных, решений; уравнения движения директора НЖК в периодически меняющихся магнит-} ных полях обусловливает перспективность экспериментального изучения динамики ориентационных процессов в ЖК, подверженных влиянию такого типа полей [6; 7]. Данные экспериментальные исследования имеют существенное значение для определения кинетических параметров НЖК и уточнения соотношений гидродинамики НЖК.

Для изучения зависимости неравновесных свойств»НЖК от степени ориентационной'упорядоченности необходимы исследования в условиях больших объемов образца, линейные размеры которого значительно превышают длину магнитной когерентности и радиус корреляции флуктуации. В данной связи целесообразным представляется1 применение акустического метода, что обусловлено также высокой чувствительностью акустических свойств ЖК к изменению ориентационной структуры. Это позволяет получить информацию о величине коэффициента поглощения ультразвука в НЖК для расчёта диссипативных коэффициентов .при различных температурах и параметрах магнитного поля!

Таким образом, акустические исследования' релаксационных свойств в объемных образцах НЖК, подверженных влиянию периодически меняющихся. магнитных полей с различными значениями магнитной индукции в

•ч широком интервале температур, представляются; актуальными, а недостаV точность и- противоречивость существующих экспериментальных данных и рассчитанных на их основе вязкоупругих и релаксационных свойств • НЖК указывают на актуальность настоящей работы.

Цель и задачи исследования. Изучение динамики и механизмов релаксационных процессов в технически важных НЖК, акустических и релаксационных свойств ЖК, подверженных воздействию магнитных полей с изменяющимися параметрами в широком-интервале температура а также определение на их основе кинетических коэффициентов гидродинамики и анализ их зависимости от термодинамических параметров состояния.

Достижение данной цели- потребовало решение следующей, группы взаимосвязанных исследовательских задач: создание и модернизация экспериментальной* установки и камеры для'измерений поглощения ультразвука (УЗ) в ¡НЖК; получение массива экспериментальных значений релаксационных свойств НЖК и изучение их поведения в, зависимости от температуры и параметров магнитного поля; теоретический анализ экспериментальных данных и проверка адекватности некоторых положений гидродинамических теорий НЖК.

Научная »новизна. Акустическим методом исследована динамика и механизмы релаксационных процессов в НЖК в широком интервале температур'во вращающихся конических и статических магнитных полях при различных значениях индукции, скорости вращения и угла между вектором индукции и осью вращения магнитного поля.

Создана оригинальная экспериментальная установка и усовершенствована методика измерения амплитудных и фазовых характеристик анизотропии коэффициента поглощения^УЗ веществ в жидком состоянии, подверженных воздействию периодически меняющихся магнитных полей в широком'температурном интервале.

Впервые:

- акустическим методом исследованы релаксационные свойства.НЖК в конических магнитных полях и рассчитаны диссипативные коэффициенты;

- обнаружено расхождение экспериментальных амплитудных значений! фазовой характеристики анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в асинхронном-режиме в течение переходного процесса с выводами? гидродинамики НЖК;

- в рамках феноменологической теории получены полуэмпирические соотношения, описывающие зависимости акустических и релаксационных свойств НЖК от температуры и параметров магнитного поля;

- рассчитаны* акустические и релаксационные коэффициенты ЭББА; МББА и ЖК-440 на частоте УЗ 2,67 МГц во всём температурном интервале существования нематической мезофазы во вращающихся конических и статических магнитных полях. Полученный массив данных предназначен для выполнения инженерно-технических расчётов, и проверки положений существующих моделей поведения НЖК в изменяющихся магнитных полях.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждена корректностью« использованных методик исследования, многократной калибровкой экспериментальной установки, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений, постоянным контролем температуры фазовых переходов акустическим и оптическим методами и сравнением инфракрасных спектров поглощения НЖК до и после проведения эксперимента; Полученные результаты исследования в статических и вращающихся магнитных полях совпадают с данными других авторов (сведения об экспериментальном, изучении.-акустических и релаксационных свойств НЖК в коническом магнитном поле в научной литературе отсутствуют). .

Научна^ ш практическая : значимость; работы. Созданная* орйгиг и ал ьная экспериментальная,установка и измерительная камера могут' быть использованы- для? проведения! надежных^йзмерени№ анизотропии! коэффициента поглощения УЗ и фиксации её; фазовой характеристики в подверженных воздействию статических^ и? конических! магнитных полей! веществах в жидком состоянии в научных и прикладных целях.

Полученные эксперимента)! ьн ые данные, рассчитанные параметры. НЖК и сделанные выводы позволяют провести анализ й выполнить проверку ряда положений" существующих феноменологических теорий;. ЖК состояния вещества. ^;

Результаты исследовании представляют интерес для различных отраслей промышленности,. могут;быть использованы при конструировании рабочих элементов акусто- и электрооптических устройств отображения информации на основе НЖК и; для расширения банка данных теплофизи-ческих; параметров!технически важныхвещества .

Научные положения и результаты, выносимые на защи ту: : результаты исследования динамики и механизмов релаксационных процессов, акустических и релаксационных свойств НЖК в широком интервале температур во вращающихся конических и статических магнитных полях при различных значениях индукции, скорости вращения и угла между вектором индукции и осью вращения магнитного поля; экспериментальная, установка и методика измерения анизотропии коэффициента поглощения УЗ и её фазовой характеристики в НЖК в широком интервале темпера тур во вращающихся конических магнитных полях; массив экспериментальных данных о фазовьгх зависимостях поглощения УЗ-низкой частоты в ЭББА, МББА и ЖК-440 в нематической фазе;

- эмпирические соотношения, описывающие-зависимости акустических и релаксационных параметровсНЖК от температуры;

- вывод о том, что при углах между осью вращения и вектором индукции, .магнитного поля,, меньших значения предсказанного гидродинамической теорией НЖК, асинхронный: режим движения директора и вектора магнитной индукции не может быть реализован.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались, и обсуждались на Всероссийской: научной конф. «Совершенствование наземного обеспечения авиации»^ секция «Реология жидких кристаллов» (Воронеж, 1999 г.), всероссийских научно-технических конф:* «Методы, и средства измерений» (Нижний Новгород, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.),:8-ой Международной конф. «Радиолокация, навигация и связь». (Воронеж,: 2002, г.), I: Международной научной конф. «Актуальные . проблемы молекулярной? акустики и теплофизики» (Курск, 2009), на ежегодных научных конф. КГУ. :. : \

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе: статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,' 4-х глав, заключения, изложенных на 140 страницах машинописного текста, и включает 54 рисунка, 13 таблиц, перечень использованной: литературы, состоящий из 100 наименований, и приложение из, 60 таблиц. В: первой главе диссертации представлен обзор результатов5 теоретических и экспериментальных исследований ориентационных. свойств НЖК в магнитных полях. Во второй главе приведено описание оригинальной экспериментальной. установки и методики проведения эксперимента, а также результаты' контрольных измерений и анализ погрешности; эксперимента. В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований акустических "и релаксационных свойств НЖК во вращающемся и статическом магнитном поле при различных температурах и параметрах магнитного поля. Четвертая глава посвящена теоретическому анализу экспериментальных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе представлены; результаты исследований динамических свойств 11ЖК при изменяющихся температуре и параметрах магнитного' поля, полученных на основании измерений амплитудных и фазовых параметров коэффициента поглощения УЗ в статическом,. вращающемся- и коническом магнитных полях. Создана экспериментальная установка для, изучения релаксационных свойств ориентированных ЖК в, коническом,. вращающемся: и статическом магнитных полях в широком интервале температур: Применение акустического метода обусловило эффективное изучение: релаксационных- свойств НЖК в: больших объемах, линейные размеры которых на несколько порядков превышают длину магнитной когерентности, что позволяет пренебречь ориентирующим влиянием поверхностей пьезоэлементов и измерительной камеры.

Результаты диссертационной работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана и создана экспериментальная установка для изучения динамики релаксационных процессов в НЖК в меняющихся магнитных полях в широком диапазоне температур, значений индукции, ориентаций и угловых скоростей вращения магнитного поляг

2. Впервые обнаружено расширение интервала угловых скоростей вращающегося магнитного поля, в котором сохраняется синхронный режим движения директора и вектора магнитной индукции, при уменьшении угла между осью вращения и вектором магнитной.индукции.

3. Установлены эмпирические соотношения, описывающие зависимости акустических и ориентационных свойств НЖК от температуры. и> параметров-магнитного поля.

4. Впервые получены зависимости частотных и амплитудных значений фазовой характеристики коэффициента поглощения ультразвука от параметров конического магнитного поля и температуры.

5. Впервые экспериментально установлено, что при4значениях угла ¡3 меньших предсказанной теоретической моделью критической величины директор НЖК и вектор индукции магнитного4 поля движутся синхронно во всем исследованном? диапазоне угловых скоростей вращения магнитного поля.

6. Показано, что зависимость коэффициента поглощения ультразвука от угла между директором и волновым вектором- удовлетворительно описывается гидродинамической теорией НЖК. Рассчитаны комбинации коэффициентов объёмной и сдвиговой вязкости НЖК и установлен характер их зависимости от температуры.

7. В коническом магнитном поле в рамках гидродинамики НЖК рассчитаны коэффициент вращательной вязкости и время ориентационной релаксации. Установлен активационный характер* температурной зависимости коэффициента вращательной вязкости в нематической фазе.

95

1. Вистинь Л.К. Устройства на жидких кристаллах в системах управления, связи и информации. - М.: ЦНИИПЭиИ, 1976.

2. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и оптической обработке информации. Л.: Наука, 1983. - 270 с.

3. Ламекин В.Ф., Саврвсов А.В., Пащенко Е.Г. Оптическая электроника в судовой технике. Л.: Судостроение, 1984.

4. Готра З.Ю., Вистинь Л.К. и др. Индикаторные устройства на жидких кристаллах. М.: Сов. радио, 1980. - 240 с.

5. Miuano К., Ketterson J.B., Ultrasonic Study of Liquid Crystals.// Phys. Rev. A. 1975. - Vol. 12. №2. P. 615-634.

6. Геворкян Э.В., Лагунов A.C., Эргашев Д. Акустические свойства жидких кристаллов в пульсирующих магнитных полях // Акустический журнал.- 1982. Т. XXVIII. С. 14-18.

7. Stephen M.J., Straley J.P. Physics of Liquid Cristals.// Rev. Mod. Phys. -1974. Vol. 46. №4, P. 617-704.

8. Truesdell. C.A New Definition of a Fluid II. The Maxwellian Fluid // Journal Math.-1957.-Vol. 15.-P. 308-314.

9. Ericksen J.L. Anisotropic Fluids. // The Johns Hopkins University Balti-morre, Marvland. 1959. - P 231-237.lO.Oseen C.W. The Theory of Liquid Crystals. Trans. Faraday Soc. 29, 1933. P. 883-899.

10. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977. - 400 с.

11. Clark M.G., Leslie F.M. A Calculation of Orientation Relaxation in Nematic Liquid Crystals-Proc. R. Doc. Land. A361, 1978. P. 463-485.

12. Leslie F.M., Luckhurst G.R., Smith H.J. Magnetohydrodynamic Effects in the Nematic Mesophase // Chem. Phys. Lett. 1972. - Vol. 13. №4. - P. 368-371.

13. Parodi O. Stress Tensor for a Nematic Liquid Crystal // Laboratoire de Physique, des Soledes. (laboratoire assosie au C. N. R. S.), Faculte des Sciences, 91, Orsay. 1970.-Vol. 31.-P. 581-584.

14. Currie P.K. Parodi's Relation as a Stability Condition for Nematics // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1974. - Vol. 28. P. 335-338.

15. Sten Sarman. Microscopic Theoiy of Liquid Crystal Rheology // Journal Chem. Phys. 1995. - Vol. 103. №1. - P. 393-416.

16. Ericksen J.L. Anisotropic fluids // Arch. Ration. Mech. Analysis. 1960. -Vol. 4.-P. 231-237.

17. Leslie F.M. Some constitutive equations fluids //Arch. Ration. Mech. Analysis. 1968. - Vol. 28. №4. - P. 265-283.

18. Ericsen J.L. Continuum theory of liquid crystals of nematic type // Mol. Crist. Liq. Crist. 1967. - Vol. 7. №1-4. - P. 153-164.

19. Martin P.C., Parodi O., Pershan P.S. Unified Hydrodynamic Theoiy for Crystals, Liquid Crystals, and Normal Fluids // Phys. Rev. A. 1972. - Vol 6. №6. -P. 2401-2420.

20. Forster D., Lubensky F., Martin P., Swift J., Pershan P. Hydrodynamics of liquid crystals // Phys. Rev. Lett. 1971. - Vol. 26. № 17 - P. 1016-1019.

21. Grover C., Wetsel, Royce S. Speer. Effects of Magnetic Field on Attenuation of Ultrasonic Waves in a Nematic Liquid Crystal // Journal Appl. Phys. -1972.-Vol. 43. №4.-P. 1495-1497.

22. Богданов Д.Л., Лагунов A.C., Лукьянов A.E., Ноздрев В.Ф. Анизотропное распространение ультразвука в нематических жидких кристаллах // М.: Всесоюзный заочный машиностроительный институт, 1980. С. 47-53.

23. Акопян Р.С., Нерисян С.П. Неустойчивости и катастрофы при переориентации директора жидких кристаллов в квазистатических полях // ЖЭТФ. 1994, Т. 105, вып. 1. - С. 129-138.

24. Богданов Д.Л., Лагунов A.C., Пасечник C.B. Акустические свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных магнитных полях. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. — М.: ВЗМИ, 1980, вып. 30. С. 52-62.

25. Prost. J., Gasparoux H.G. Determinantion of twist vis-consitycoefficients in the nematic mesophases // Phys. Lett. 1971. - Vol. 36. № 3. - P. 953.

26. Цветков В.H. Движение анизотропных жидкостей во вращающемся магнитном поле // ЖЭТФ. 1939, Т. 9, № 5. - С. 602-615.

27. Yo C.H., Pourco R. and Hornreich R.M. EPR Study of A Spinning Nematic Liquid Crystal in a Tilted Magnetic Field // Chem. Phys. Lett. 1978. - Vol. 54. №. l.-P. 142-146.3 l.Hornreich R.M. Journal Phys. Rev. A. 1977 - Vol. 15 - P. 1767.

28. Геворкян Э.В. Поведение нематических жидких кристаллов в меняющихся магнитных полях // Известия ВУЗов СССР. Серия Физика. -1981, №4.-С. 57-60.

29. Tiezheng Qian, Ping Sheng. Generalized Hydrodynamic Equations for Nematic Liquid Crystals // American Phys. Society. 1998. - V 58, №6, P. 7475-7485.

30. Лагунов A.C., Лукьянов A.E. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества // М.: ВЗМИ. 1975, вып. 28. - С. 47.

31. Богданов Д.Л., Геворкян Э.В., Лагунов A.C. // Акуст. журн. 1980, Т. 26, № 1. — С. 28.

32. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов акустическими методами: Сб. докл. 2-й Всесоюзной науч. конф. по жидким кристаллам. Иваново. 1972.-С. 137-142.

33. Лагунов.А.С. Релаксационные свойства раствора нематических жидких кристаллов? I. Статическое магнитное поле // ЖФХ. 1987, T. LXT, № 8. - С. 96.

34. Форстер Д. Гидродинамические флуктуации, ■ нарушенная симметрия и корреляционные функции. — М.: Атомиздат, 1980, Гл. 11.

35. Богданов Д.Л., Лагунов A.C., Ларионов А.Н. Релаксационные свойства нематических фаз п-н-алкоксибензилиден-п-бутиланилинов во вращающемся магнитном поле // Журнал физической химии. — 1982, Т. 61, №6. С. 1494-1499.

36. Дедов C.B. Динамика.ориентационных процессов в нематических жидких кристаллах при высоких давлениях: Дис. . канд. физ-мат. наук. М., МГПУ. 1997.-142 с.

37. Волков В.В. Ультразвук и анизотропия вязкоупругих свойств» нематических жидких кристаллов в области низких частот.: Дис. . канд. физ-мат. наук. Воронеж, ВВАИИ. 1999. 136 с.

38. Покровский В.Н. К теории релаксационных процессов в молекулярных жидкостях и жидких кристаллах // ЖЕТФ. 1976. №5. - С. 1880-1892.

39. Лагунов A.C., Геворкян Э.В., Ларионов А.Н. Ультразвук и термодинамические свойства жидких кристаллов в асинхронном режиме ротационного магнитного поля // Межвузовский сборник научных трудов. Жидкие кристаллы. 1984. - С. 56-61.

40. Геворкян Э.В. К теории магнитоакустических явлений в нематических и смектических жидких кристаллах. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: ВЗМИ, 1981, вып. 32. - С. 48-58.' . ■ • : 99 ■ , .

41. Анисимов М-.М.,. Лагунов A.C. Установка для определения врвщательнои вязкости жидких кристаллов //ЖФХ. — 1982, Т. 56. — С. 1316-1317.

42. Eden D., Garland C.W., Williamson R.C. Ultrasonic Investigation of the Nematic Isotropic Phase Transition in MBBA // Journal Chem. Phys. -1973V - Vol 58: - P. 1861 1868. '

43. Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1986. -248 с. 57.StinsonrT.W., Lister J. P. Pretreansitional Phenomena in the Isotropic Phase of a Liquid Crystals // Phys. Rev. Lett. 1970. Vol. 2. № 8. - P. 503-506.

44. Brochard F. Dynamique des fluctuatuins près d'une transition smectique A-nematuque de 2eordre// Journal Phys. 1973. Vol. 34. № 5-6. -P. 411-422.

45. Баландин В.Д., Лагунов A.C. Различный характер поведения акустических параметров в окрестности фазового перехода нематик смектик А. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества: М.: ВЗМИ, 1981, вып. 32.-С. 41-48.

46. Бахтиярова A.M. Лукьянов А.Е., Лагунов A.C. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: ВЗМИ, 1977, вып. 29. С. 35.

47. Вистинь Л.К., Лагунов A.C., Ламекин В.Ф. Жидкие кристаллы в устройствах информатики: Учеб. пособие / Под ред. В.Ф. Ламекина. М.: Рикел, радио и связь, 1995. - 208 с.

48. Цветков В.Н., Сосновский А. Диамагнитная анизотропия кристаллических жидкостей // ЖЕТФ. 1943. Т. 13. №9-10. - С. 353-360.

49. Буланаков В.И. Динамические свойства жидких кристаллов в магнитных полях переменной ориентации.: Дис. . канд. физ-мат. наук. М., МОПИ. 1990.-140 с.

50. Ноздрев В.Ф., Федорищенко Н.В. Молекулярная акустика. М.: Высшая школа, 1974. - 288 с.

51. Хабибуллаев П.К., Геворкян Э.В., Лагунов A.C. Реология жидких кристаллов. Ташкент: "ФАН", 1992. - 298с.

52. Богданов Д.Л. Исследование ориентационных свойств жидких кристаллов в переменных полях акустическим методом.: Дис. . канд. физ-мат. наук. М., ВЗМИ. 1980. 186 с.

53. Лукьянов А.Е. Магнитоакустические свойства жидких кристаллов. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: ВЗМИ, 1979, вып. 29.-С. 82-90.

54. Мезон У. Физическая акустика. Под ред. У. Мезона. Т.1. Методы и приборы ультраакустических исследований, часть А.-М.: Мир, 1966. -592 с.

55. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. — М.: Энергия. — 1968.

56. Преобразователи аналого-цифровые Ф7077/1 и Ф7077/2. Техническое описание и конструкция по эксплуатации ЗПИ. 019 ТО.

57. Лукьянов• А.Е. Ультразвук wвязкоупругие свойства жидких кристаллов в «статических; магнитныхполях.: Дис. . канд. физ-мат. наук. Mi, ВЗМИ-1979.-200 с.

58. Федорков Б.Г., Телец В;А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. -М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 с.

59. Блистаиов А.А. и др. Акустические кристаллы. Справочник / под ред М.Н. Шаскольской. М.: Наука, 1982. - 632 с.

60. Мостяев В.А., Дюжиков В.И. Технология-; пьезо- и акустоэлектронные устройства. / под ред. П.Е. Кандыбы, В .Б. Грузинского М.: Ягуар, 1993.-279 с.

61. Лукьянов А.Е. Эксперименталытя установка для исследования;влияния давления на магнитоакустические свойства ЖК. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: ВЗМИ; 1977, вып. 29. С. 62.

62. К. Miyno, J.В. Ketterson. Ultrasonic Study of Liquid Crystals // Journal Phys. Rev.- 1975 -Vol. 2. № 2.-P. 615.:.

63. Карев H.H.:, Лагунов.A.C., Ноздрев'В;;Ф;;;МатериалььШиозиума по акустической спектроскопии: ФАН. — Ташкент, 1978, — с. 6-9.

64. Ларионов А:ЖРелаксационные свойства жидких кристаллов в пространственно-переменных полях при высоких давлениях, г Дис. . канд. физмат. наук. М, ВЗМИ; 1983. 188 с:

65. Баландин В.А., Пасечник C.B. Акустическая- вискозиметрия нематиче-ских жидких кристаллов // ЖЭТФ. 1982. Т. 83. № 6. - С. 21-21-2127.

66. Анисимов М.М. Экспериментальная автоматизированная установка для исследования акустических свойств жидких кристаллов. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.: ВЗМИ, 1983, вып. 35. С. 22-25.

67. Шмелёв О.Я., Баландин В.А. Релаксационные процессы и анизотропное; распределение ультразвука в окрестности фазового перехода нематик-изотропная жидкость. В кн.: Применение ультраакустики к исследованию вещества. М;: ВЗМЩ 1984, вып. 36. С. 63-66.

68. Анисимов' М.М: Акустические свойства нематической фазы октол-оксибензилиден-толуидина.-В'кн.: Применение-ультраакустикй.к исследованию вещества. М.: ВЗМИ, 1984, вып. 36. С. 67-80.

69. Рабинович О.Г., Погрешностиизмерений:,- JI!: Энергия; 1978. — 262 с.

70. Кассандрова О.В., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М., 1970.-284 с. '.'',.■.;.

71. Карев Н.П. Влияние давления на акустические свойства жидких кристалт лов:: Дис: . . . канд. физ-мат. наук. M!, ВЗМИ: 1980; 140=с.,

72. Ларионов А.Ы., Чернышёв В.В., Мелихов Ю.Ф., Тиняков O.A. Релаксационные свойства жидких кристаллов во вращающихся и конических магнитных; полях // Вестник. ВГУ, Серия физика; математика. Воронеж, 2002.-№1. -С. 47-51. . ■• . 103

73. Пасечник С.В: О связи диссипативных коэффициентов с анизотропными акустическимипораметрами нематического жидкого кристалла / С.В. Пасечник и др.,7/ ЖФХ. -1987. -Т. ЕХ1; №6,-С. 1675-1677.

74. Poggi Y. Measure de l'anisotropie diamagnetique d'une configuration orientee par un champ magnetique / Y.Poggi, R. Aleonard. // Comptus RendussAcademy Science. Scrie Bi—1973; V. 276. - P. 643-645. ' •' ■

75. Gasparoux Hi Properties magnetiques de substances nematiques / H. Gasparoux, B. Regaya, J. Prost. // Gomptus Rendus Academy Science. Scrie B: —1971. ,—V; 272. -РМТ68-г-Г17К: .

76. Каролик B:A. Экспериментальное исследование темiюратуриой зависимости магнитной восприимчивости некоторых жидких1 кристаллов и их смесей-/ В.А; Каролик, И.П.: Жук. //• Инжинерно-физический- журнал-.'-1979: — Т./XXXVII, №2: G.341-344^ ,