Ориентационная релаксация в жидких кристаллах при изменяющихся P, V, T - термодинамических параметрах состояния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОЕРЛЗОШШИЯ

' российское ШВДЕРАЦИИ „ Московский иодагопгческий университет

На правах рукописи

ЗУЕВ .АНАТОЛИЙ НЖШЛДЕШЧ

УЖ 234.286

ОР№НТАЦИОННАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ ПРИ IСМЕНЯЮЩИХСЯ Р.У.Т--ТЕИЮДЯШДГЖСЮ« ПАРАМЕТРАХ СОСТОЯНИЯ

01.04.14 - Молекулярная фязика и теплофизика

АВТОРБЭЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993.

Работа выполнена на кафедре общее физики Московского педагогического университета.

Научные руководители:

. доктор физико-математических наук.

профессор ЛАГУНОВ A.C. кандидат физико-математических наук, доцент БОГДАНОВ Д.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ДАДИВАНЯН А.К. кандидат физико-математических наук, старшие научный сотрудник ЧЕРНОВ В.®.

Ваддоя организация: * ' \ '

институт кристаллографии им. А.В.Шубникова

Академии наук Российской Федерации. :

3агата диссертация состоится 25 февраля 1993г. в 16 часов на заседании специализированного совета К113.11.10 по присуждению ученой степени кандидата фиэико-математичесхих наук в Московском педагогическом университете по адресу: 107846, Москва, ул.Радио, д.10-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫШГ.

Автореферат разослан 26 января 1993г.

Учений секретарь специализированного совета

профессор —~ ЕАШЛАЧЕВ, IMU

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Интерес к исследованию физико-химических свойств жидких кристаллов (Ж) обусловлен несколькими причинами во-первых, их широким использованием в системах отображения. записи, обработки и хранения информации; во-вторых, необходимостью проверки существующих феноменологических и моле-кулярно-статистических теорий; в третьих, необходимостью более глубокого понимания жидкого и твердого состояния вещества и построением единой теории конденсированных сред.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований жидких кристаллов показал, что одной из актуальных проблем физий! ЖК является исследование динамики молекулярных процессов и установление,связи между кинетическими коэффициентами и параметрами, ' характеризующими межмолекулярное взаимодействие, а также установление степени влияния температуры и давления на характер этих процессов. В этой связи повышенный интерес представляет изучение релаксационных свойств тематических жидких кристаллов, подверженных воздействию внешних переменных магнитшх и электрических полай, так как именно такие исследования позволяют получить информацию о материальных коэффициентах и оценить влияние термодинамических параметров состояния на кинетические свойства Ж. Кроме этого, многообразие теоретических подходов к описанию релаксациошшх свойств ЖК. и неоднозначность существующих экспериментальных данннх не позволяют сделать выводы в пользу одной из существующих теорий. В связи с этим исследования, проведенные' при изменяющихся термодинамических параметрах состояния, а в особенности при высоких давлениях, приобретают повышенный интерес.

Существует несколько методов исследования релаксационных свойств ЖК, но в большинстве с их помощью получается информация . только для малых объемов вещества, сравнимых с магнитной длиной когерентности, когда молекулярная структура и кинетические процессы существенным образом зависят от граничных условий. Креме этого, по ряду объективных причин часть из них трудно реализовать при высоких давлениях. В этом плане наиболее перспективным представляется акустический метод исследований, позволяющий изучать релаксационные свойства в больших объемах 1КК и получать информацию о молэкул^рно-кинетичвепх процессах в зависимости от термодинамических параметров состояния вещества. Другим привле-

катальным свойством акустического метода является способность к широкому варьированию параметром ыгп (где « - частота ультразвука, ги - время релаксации га процесса), что позволяет проводить анализ в рамках теоретических представлений, справедливы* для конкретной величины от .

Таким образом, изучение анизотропных акустических свойств ., жидких кристаллов при изменяющихся термодинамических' параметрах состояния может внести существенный вклад в развитие фундаментальных и прикладных исследований данного класса конденсированных сред.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение акустическим методом релаксационных и динамических свойств асидких кристаллов, подверженных, влиянию ! внешних переменных магнитных полей и установление степени влия-' ния температуры и давления на кинетику молекулярных процессов. Решение втой задачи включает: . ■. ' * ■

- разработку методики и создание экспериментальных установок для изучения релаксационных свойств ЖК; ' г «

- исследование влияния давления яа абсолютные значения и .анизотропию акустических параметров ЖК;

- изучение влияния давления на временную зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном " поле; . ■

- проведение теоретического анализа полученных результатов- на основе континуальных и молекулярно-статистических теорий. ,

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработаны и созданы експеримент&льные установки для изучения абсолютных значений и анизотропии .акустических параметров в статических и переменных магнитных полях при изменяющихся термодинамических параметрах состояния.

Исследовано влияние температуры и давления на абсолютные значения и §шгаотрогого скорости распространения и коэффициента ! поглощения ультразвука, а также на динамику поведения ЖК во вращашемся магнитном поле.

Впервые исследовано влияние давления (до 1.2-Ю°Па) на ани-аотрогаГ; скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в эвтектической смеси МББА и ЭББА в ротациогшом маг- , нитном поле. ; '

Впервые обнаружено:

- уменьшение абсолютного значения и анизотропии коэффициента

поглощения ультразвука при увеличении давления и постоянном значении *Т (где «Т -Т. Т - температура .фазового перехода НЖ-ЮК);

- существований инверсии температурной зависимости коэффициента поглощения ультразвука на длину волны а также, что Д при a Theorist не зависит от давлешя;

- существование инверсии анизотропии скорости распространения ультразвука (¿о) от давления; температура »т =»Т -Т , при которой »с не зависит от давления;

■ - зависимость объемного модуля упругости (К_) от давления при const; его насыщающий характер и стремление к значению твердого тела;

- линейная зависимость анизотропии объемного модуля упругости от давления при ¡.Т = const;

<5

- частотная зависимость д. лр, iK и объемных вязкостен- описывающаяся двумя времена™ релаксации: "структурной" и параметра ориентацивнной упорядоченности;

- независимость времени "структурной" рэлаксации и релаксации параметра ориентационней упорядоченности при лТо= const

. от давления (при Р до 1.2-10°Па);

- насыщающий характер зависимости показателя адиабаты (7=Cp/Cv) от ляплепия при ¿1' =const и его стремление к значению 1.57;

- зависимость комбинаций сдвиговых вязкостен от давления описывающееся экспоненциальной функцией;

- качественное соответствие значений /ах. рассчитанных из синхронного и асинхронного ремшов.а также частоте смены режимов;

- температурная зависимость времени ориентационной релаксации (гд) описывается законом Аррениуса с энергией активации. не зависящей от давления:

- экспоненциальное возрастании тн с.увеличением давления с коэффициентом показателя степени, имеющим смысл "свободного объема".

На основа экспериментальных данных выполнен критический анализ ряда выводов гидродинамических и молэкулярно-статисти-ческих теорий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Созданы экспериментальные установки, позволявдиэ проводить измерения абсолютных значений и анизотропии скорости р .спространения и коэффициента поглощения

ультразвука в жидких кристаллах в широком интервале температур и давлений. Результаты экспериментальных исследований позволяют выполнить анализ и осуществить проверку рада положений гидродинамики и молекулярно-статистических теорий. Численные значения отдельных па-змвтров, приведенных в работе, могут быть использованы при конструировании устройств, использующих жидкие кристаллы в качестве рабочих тел.

АВТОР ЗЛЖдЦШ?:

- результаты методических и конструкторских разработок, позволяющих изучать кинетические свойства ЖК при изменяющихся термодинамических параметрах состояния:

- обнаруженные зависимости акустических параметров от темпера-тупы и давления;

- результаты анализа экспериментальных данных, выполненного в рамках гидродинамических и молекулярно-статистических теорий- -

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Отдельные материалы диссертационной рабо~" ты докладывались и обсуждались на межвузовской научной конференции "Физика твердого тела", г.Барнаул, 1990г; научной конференции преподавателей и аспирантов МОШ им.Крупской, г.Москва, 1990г.,1991г.; Европейской конференции по жидким кристаллам, г. Вильнюс. 1991г.; научной конференции преподавателей и аспирантов 1Я1У, г. Москва, 199£г; кафедре химического структурного анализа МГУ Ш.Ломоносова М.В.,. г. Москва, 1992г.

ОБЪЕЛ РАБОТЫ. Диссертация содержит 115 страниц машинописного текста, 30 таблиц, 106 рисунков, библиографию из 156 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения, включающего 28 таблиц и 18 рисунков. .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

"_ е

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дан обзор теоретических, и экспериментальных работ по исследованию ориентационных и динамических свойств жидких кристаллов в статических и переменных магнитных полях при изменяющихся термодинамических параметрах состояния и их влиянию на скорость распространения и коэффициент поглощения акустических волн, а также сформулирована задача исследования.

В рамках гидродинамической теории выполнен анализ изменения ориентациояной структуры НКК под действием вращающегося магнитного поля. Показано, что применение роевой и гидродинамичес-

кой теории приводит к сходным результатам, которые согласуется с экспериментальными данными в синхронном режиме. Однако, в области частот, близких к частоте смены рекимов, а такие в асинхронном режима наблюдается качественное согласие теории и эксперимента только по отдельным показателям, что указывает на необхо--димость дальнейших теоретических разработок.

Рассмотрена обобщенная гидродинамическая теория, описывающая анизотропное распространение ультразвука в НЖК с учетом релаксационных механизмов, а также соответствие теоретических и экспериментальных результатов. Дана критическая оценка отдельных положений теории.

В рамках континуальной теории рассмотрено влияние термодинамических параметров состояния на кинетические коэффициенты, характеризующие распространение акустических волн в НЖК. На основе сравнения теоретических и экспериментальных результатов дана критическая оценка отдельных положений теории. Указано, что дальнейшее развитие теории сдерживается, в определенной степени, неоднозначностью экспериментальных результатов, а также почти полним отсутствием экспериментальных данных о влиянии давления на кинетические коэффициенты НЖК.

Анализ литературных данных позволил сформулировать задачу настоящей работы, выбрать объект исследования и определить методический подход при решении поставленной задачи.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлена методика исследования релаксационных и динамических свойств иидких кристаллов в статических и вращающихся магнитных полях при высоких давлениях.

Подробно рассмотрен магнитоакустический метод и основные требования, предъявленные к экспериментальной установке для исследований в переменных магнитных полях при высоких давлениях.

Приведены методики измерения абсолютных и относительных значений акустических параметров ЯК, функциональные схемы экспериментальных установок и отдельные узлы радиоэлектронной части.

Показаны конструкции измерительных автоклавов, система заливки ТО, обеспечивающая чистоту исследуемого вещества, система термостатирования, позволяющая свести нестабильность температуры в акустической камере до 0.05К и система создания и измерения давления, фиксируемого с точностью ±0.5-105 Па.

Подробно изложены методические особенности проведения экс-

периментов при измерении абсолютных и относительных значений • аку-лтичесши параметров в статических и вращающихся магнитных -полях jjpn изменяющихся термодинамических параметрах состояния.

Проанализированы систематические и случайные погрешности. Относительны'- погрешности для исследуемых параметров составляют: с- (0.4-0.5)8, с(РЛ>- 0.06», 4c/c- (12-21)й, a/tz- (2.1-4.0)*, а/12(Р,Т>- (1.0-2.£)5&, а/Гг При" О <0^- (1.2-2.8)Я, а/12 При Ои>Ык- (1.7-5.0)%, г,, - (2.8-3.4)%, - (3,3-3.9)й, где с -

скорость распространения ультразвука, ac=c,-ci- - анизотропия с в -магнитном поле параллельной и нормальной ориентации, а - коэффициент поглощения ультразвука, »<*= <*"- a1, i - частота ультразвука, vg - время ориенгационяой релаксации директора, у - коэффициент вращательной вязкости. - анизотропия диамагнитной' восприимчивости.

Достоверность полученных в настоящей работе экспериментальных данных подтверждается контрольными измерениями «/га(Т),' 4«/Га(Р,Т), с(Р,Т), íc/c(T) и <¡(T) проведеннши в КК-404.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных ис- ,.• следований абсолютных значений акустических параметров неориентированного жидкого кристалла Н8 (эвтектическая смесь МББА и ■ ЭББА) на частотах ЗЫГц, 6.4МГц. 9МГц . ориентированного магнитным полем индукцией 0.27Тл ж на частоте 6.4МГц, изменение акустических свойств Ж под действием температуры,- давления и магнитного поля различных ориентация, а также • изменения анизотропии коэффициента ггоглокения ультразвука во вращащемся маг- ' нитном поле при изменявшихся термодинамических параметрах состояния я частоте вращения магнитного поля. Из результатов експе-римчнта-выявлены следующие -закономерности: " ,1 V , ." " 1. Скорость распространения ультразвука в жидкокристаллической и изотропно® Фазах с ростом частоты увеличивается, о повышением температуры уменьпается, при этом вдали от Фазовых переходов (4К<»Тв<35К, где »Тв=Тв-Т, Тв- температура фазового перехода НЖК-ИЯ) зависимость с(Т) описывается уравнением (рпс.1): Ст- С0+ к;ст0- Т), <D

где с6 и ст- скорость при То и Г, соответственно, - коэ®ици- ; ент, зависящий от давления (таблица 1). Рост давления приводит к увеличению 'скорости распространения ультразвука.' Зависимость с(Р) при iTe=const описывается выражением: -'.■•.

c-i-10'3.M/c_

1=6.4МГц, р. Ю"?Па: 1-1

2-200 3-400

-=¿0--=&---=è-'мв.к

Рис.1. Температурная зависимость скорости распространения ■льтразвука при различных давлениях.

te,м/с

3

2

1

Рис.2. Температурная зависимость ас при различных давлениях.

с(Р)лт= с(р0)л.м+к;(р-р0)]. (2>

где с(Pq)лт-скоросхь раслроотранения ультразвука при атмосферном давлении, с(Р)4Т~значеш:е скорости при давлении Р, коэффициент давления, являющийся вдали от фазового перехода линейной функцией лТ^ (таблица 2). Однако в низкотемпературной области существования КК и при относительно больших значениях- Р линейный еид этой зависимости искажается.

2. В исследованном интервале температур и давлений с" > с-Ч при 8том угловая зависимость скорости распространения ультразвука вдали от фазовых переходов описывается выражением: ic(e) = с<е) - c-J- = ¿c-cos2e, (3)

где ас = с"- сх является функцией тешературы и давления.

Tai ища 1

Р-10"с,Па 1 200 400 600 800 1000J1200!

ке, м/с-К Т 4.21 3.96 3.63 3.32 3.10 2-85|2.68|

Таблица 2

5 1Q 15 20 25 30 35

к°-10?Па-1 р 1.687 1.633 1.543 1.476 1.408 1.336 1.267

к'-юТПа"1 -1.85 -1.77 -1.63 -1.49 -1.37 -1.28 -1.20

Температурная зависимость ¿с при различных давлениях пред- -ставлена на рпе.2. Существует две области различной зависимости анизотропии скорости распространения ультразвука от давления: при 4Тв<4Т*а (где 4Т'°=То-Г(, рис.2) ¿с при увеличении давления ■

возрастает, при лс с ростом давления уменьшается, а при

аТ^ е=34(42)К анизотропия скорости не зависит от давления и в пределах'погрешности эксперимента равна 2.1(10.1)м/с.

Зависимость анизотропии скорости распространения ультразвука от давления при постоянном значении ¿То в пределах погрешности эксперимента описывается линейным выражением: лс(Р) =лс(Рп)[1+кЛо(Р-Р„)], (4)

ЛТ О р о

где 4С(Р0) - анизотропия скорости ультразвука при атмосферном давлении, к4с - коэффициент являющийся функцией ¿Т (таблица 3).

Р с

3. Коэффициент поглощения ультразвука отнесенный к квадрату частоты в Ж с ростом частоты уменьшается; с увеличением температуры, за исключением области близкой к фазовому переходу ХК-ТТ

- увеличивается (рис.3), а при увеличении давления - уменьшается. При этом зависимость а/Т3(Р) в пределах погрешности эксперимента описывается выражением:.

^<Р>../=~(Р„>-ехр1к"(Р-РЛ>3. (5)

£2 ДТ О р О

X

где -(Ро) - коэффициент поглощения ультразвука при атмосферном давлении, к"- коэффициент, зависящий с. г дТ . Так как вдали от

р о

фазового перехода (дТ >5К) коэффициент к" мал, а таете мало пог-

с а-Ь р

лощение, то зависимость —(Р) удовлетворительно описывается

т

линейным выражением:

-И+к"(Р-Рп)]. (6)

ДТ ^б О р о

где коеффидаонт является линейной функцией дТ (таблица 2). -р с

В отличия от а/Г коэффициент поглощения ультразвука на длину волны при =сопзг нэ зависит от давления. В температурной зависимости р при дТ =32<±2)Н наблюдается минимум: при дТ >дТ и с ростом температуря убывает; при дТо<дТ - возрастает. Таблица 3

дТ .К С 3 5 7 10 15 20

1с*с ■ 10®,Па"1 7.2 9.6 12.5 13.7 10.8 7.7

дТ .К О 25 30 35 40 45 50

1с4 6-10® .Па"1 р 4.3 1.0 -1.2 -2.9 -4.3 -6.2

Таблица 4

дТ ,К <3 5 7 10 15 20

k'-OOina"1 р -1.30 -1.55 -1.65 -1.70 -1.76

аТ .К а 'гь 30 35 40 .45

к4" • 10?Па"* г> -1.82 -2.1 -2.6 -2.9 -3.2

4. В исследованном интервала температур и давлений a,/Tz>a±/ia.

Температурная зависимость да/Г2 при различных давлениях представлена на рис.4. Зависимость ¿a/i3 от давления при дТ^ = const в пределах погрешности экспермлента описывается уравнением:

=~(Р„)*Г1 + к4а(Р-Р )1, (7)

ДТ f 3 О ц р О J

где 4a/i"(PQ) - анизотропия поглоще отя коэффициента ультразвука при атмосферном давлении, коэффициент, зависящий от температуры (таблица 4>.

Рис.3 Зависимость от температуры при различных давле-

ниях.

Рис.4. Температурная зависимость да/13 при различных давлениях.^

Угловая зависимость г«(в)/Га во веем интервале температур и давлений существования тематической фазы описывается выражением: Л«(е)/Г3-. a())/lz- a*-/i*= a(P,T)-COSs& + Ъ(Р.Т)-003*0, (В)

где о - угол между волновым вектором к вектором магнитной индук- ■ , ции, а и b - коэффициенты, зависящие от температуры и давлепия (рис.5). Повышение температуры НЖ вызывает увеличение коэффициента а и уменьшение ь, которые при некоторой температуре Т*,ь . в

достигают экстремальных значений. Дальнейшее повыпепио температуры сопровождается резким изменением а и b до нуля. Необходимо также отметить, что при температуре Тх коэффициент b меняет свой знак. Анализ зависимости аи Ь от давления при лГ =const пока-

га

зал, что коэффициент b при iTm=const не зависит от давления, а зависимость а(Р)лт определяется выражением (7) о тем же коэффициентом пропорциональности , таблица Д). 5. При вращении магнитного поля с частотой < uR (синхронный реним; aR- частота смены режимов) происходит периодическое изменение параметра '¿а(ы .t)/r2 с частотой 2». при этом наблюдается фазовый сдвиг <р между директором п и вектором мапштной индукции Й (рие.бА). При увеличении «п идя Р, а также прл уменьшении Т фазовый сдвиг увеличивается. Зависимость $> от оа описывается выражением (рис.7)¡

sln2? = п-Оц. .- . (9)

где п - коэффициент, зависящий от температуры и давления.

Максимальные значения величины i«/ff полученные в синхронном режиме, совпадают с результатами измерений а«/13 в статическом магнитном поле и не зависят от частоты вращения магнитного поля. 6« В асинхронном режиме (» > о.) происходит изменение характера временной зависимости-1ct(вn ,t)/l (рис.бБ), выражающееся в появ- ' лении переходного процесса, характеризующегося наличием затухающей низкочастотной составляющая 20. Характеристическое время затухания хд является функцией . температуры, давления и о^. По ■ истечении переходного процесса фазовая характеристика коэффициента поглощения ультразвука принимает такой же вид, как в син-. хронном регмме, но' с меньшей амплитудой i«(as,t)/l3 и фазовым сдвигом, равным к/4. При этом зависимость максимальных значений 4;а(ии)/1э при различных температурах и давлениях (рис.О) описывается выражэнием: , . /

&«(а >ы ,t)/»«(o <о ,t)=(o /и )т. " (10)

И к м к к к

а-1012,Ь-101? ы_,са

3ÖÖ~

т I т*>Чт ,

xXi I 1г»1 (

тж

ЗЖГ

Рис.5. Температурная зависимость коэффициентов а, b при различных давлениях.

A«/ia-10la.M'lb

п72

Ш72 2я 5я72 о • t .рад

1.0 '

0.6

0.2

плЖл

VI-'1 У

4«/fa

Wl

Зя 55 : TZä T5S 2Ш u^-t.pafl

Рис.6. Фазовая диаграмма »а/Гг при Т=316.8К, Р=400-ЮаПа и ив: А) 0.157 рад/с; Б) 1.571 рад/с.

üu ди оя-10арад/с Рис.7. Зависимость sln2? от ü> л P при T=321.1K.

,/г*. -ini а

• Р-Ю"®Па: 1-1 2-200 3-400 4-600 5-800 6-1ÜUU 7-1200

1

*- ' Д \ V\\ i \\v\ 1 \ \\ \4

:. :. г ^--

| 1. , г««* ________i _ 1 , 1

1.5

1.0

0.4 0.2

OTT

Рис.8. Зависимость ла/Г от скорости вращения магнитного поля при Т=310.7К и различных давлениях. 1

где 7 - коэффициент, в пределах погрешности эксперимента не зависящий от температуры и давления и равный 1.1 ±0.1.

В сильно асинхронном режиме (мц»ык) зависимость »а/1г от давления вдали от фазового перехода удовлетворительно описывается выражением:

4а(Р)=4«(Р ) -ехр 11с <Р -Р)1 (11)

О Д о О

где *«(РС) - максимальное значение ¿а для данной частоты вращения магнитного поля, 1с. - коэффициент, являющийся функцией Т. 7. Частота смены резшмов определена как частота соответствуицая пересечению экстраполированных зависимостей 1п(¿а/1г) Из синхронного и асинхронного режимов. Сравнение значений с частотами, соответствующими максимумам зависимостей (8ла )/{1гба ) от

й т Л * 4 частоты вращения магнитного поля и »а/Г (1/4!^) показывает, что

эти частоты не отличаются более чем на 5%. С повышением температуры 1ШН ок увеличивается (рас.9), причем при одних и тех же значениях ¿Тс величина частоты смены режимов возрастает о повышением давления. -За исключением области. Слизкой к температуре

и •102.рад/с

Рис.9. Температурная зависимость .частоты смены режимов при • Р-10'ЕПа: 1-1, 2-200, 3-400, 4-600, -800, 6-1000, 7-1200. .

перехода ШС-ИЖ зависимость частоты смены режимов от давления при «Тв»сопз1 в пределах ошибки эксперимента описывается линейным выражением:

^Р>4Т-°.(РЛТИ+1С"<Р-Р0>5- . <12>

где к*- коэффициент являадийоя функцией 1Тв (таблица Б'. Увеличение давления'сопровождается уменьшением ия (рио.9), при этом о повышением температуры влияние давления на частоту смены режимов ■ возрастает.

Таблица 5 -

лТе .К • - 5 10 '15 '20 25 30 35 40 45 50

к" -10'.Па"1 1.29 1.73 2.18 2.70 3.39 3.69 3.44 3.21 2.94 2.58

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приводится анализ полученных экспериментальных результатов в свете современных теоретических представлений. Установлено, что:

1. Зависимость температур соответствующих экстремальным значениям акустических параметров от давления описывается линейным законом: Тл(Р> = Тв(Р0> + к*-(Р-Ро), (13)

где Та(Р0> - текпературц соответствующие экстремальным значениям акустических параметров при атмосферном давлении (таблицы 6), к* - коэффициент, равный 3.422-10"7Па~'. Значение теетерэтури соответствующей переходу НЖК-Щ можно определять по температурной зависимости о/Т3 али с, а ее зависимость от давления - по любому из акустических параметров указанных в таблице б, так как коэффициент пропорциональности в выражении (13) для них оданаков.

Таблица 6

экстрем. значения (а/Г3) ТЬЛХ ла/^а-* 0 С , «С »•X 1С-» 0

Т.К 321.8 321.7 321.9 321.9 323.5

?. С увелтттегатем тсктрзтуры адиабатическая сжимаемость увеличивается а модуль упругости Кг уменьшается, ври этом зависимость Кг(Г) вдали от Фазовых переходов описывается ллнейным выражением типа (1). С ростом давления рв уметывается, а К^ увеличивается, при этом зависимость К от давления описывается

I*

выражением типа тктга (2). Зависимости Рт(Р) и К (Р) от давления при фиксированных значениях лТс носит насыщаюздсП характер и по всей видимости их значения в предела стремятся к значениям р и

Кг соответствующим твердому состоянию. Причем величина давления при которой и К"о£К*т с ростом температуры увеличивается.

3. Зависимости анизотропии модуля упругости от температуры при различных давлениях качественно похожа на зависимость ас (рис.2). с ростом давления при постоянном значении аТс, меньшей 34К, ¿Кг увеличивается, а при а5?о> 34К - уменьшается, при этом зависимость ¿Кг(Р) при дТ=сопаг описывается выражением типа (3).

Существование инверсии зависимостей дс, аКг, /I от температуры указывает, что они имеют сложную релаксационную природу. Один из возможных механизмов связан с изменением конформации алкильных цепей, другой - с "заторможиваяием" изменений параметра порядка вблизи фазового перехода. Оба релаксационных механизма вносят вклад в тензор упругости С^, выражения для частотной зависимости анизотропии объемного модуля упругости и коэффициента поглощения ультразвука на длину волны могут быть представлены в виде:

4к (и) = -1-г-ис'1'- аС'1') + -§-г-(дС'8>- аС<2>). (14)

14М3Г* • 3 1 1+С02Г® Э 1 °

Г—>+—Ь-г-. (15) КгсЛ 1+иат® э 1 1+иаг| 3 1

где и г - время релаксации, дС' ^»(^'(с^-дС^Чо) - разность предельных значений соответствующих компонент тензора упругости. Так как дТ*к и дТ^ в пределах ошибки эксперимента не зависят от давления, то г иг при аТ =сопз1; тоже не зависят

1 . 2 1 о

от Р (по крайней мере до 10 Па). В этом случае выражение (14) .указывает на линейную зависимость С^' от давления, а также, что

коэффициенты в выражениях для аС^3> и дС^' различны и принимают одинаковые значения только прк температурах тк=т'к (коэффициенты отличны от нуля) и Т* (коэффициента равны нулю), где Т* - температура, ниже которой нет корреляции флюктуация в изотропной жидкости. Выражения (14) и (15) удовлетворительно описывают полученные экспериментальные данные.

4. Применяя уравнение Гэйта к описанию Р-У-Т состояния НЖ вычислены значения изотермической сжимаемости и показателя адиабаты у=Ср/Су при различных температурах и давлениях. Установлено, что зависимость показателя адиабаты (>-С /О ) от давла-

р * ,

ния при лТв=сопз1: носит насыщающий характер и стремится к значению 1.57.

5. С увеличением температуры сдвиговые вязкости уменьшаются и с приближением к температуре фазового перехода разность между ними стремится к нулю. Коэффициенты объемной вязкости с приближением к То возрастают. В низкотемпературной области■существования НЖК значения V и превышают значения сдвиговых вя'зкостей на порядок, а в окрестности фазового перехода - более чем на два порядка.

' С приближением к температуре Те величина "нормальны::" вкладов (связанных со структурной релаксацией) в объемные вязкости убывает, при этом разница между и ^ уменьшается. Величина "критических" вкладов (связанных с релаксацией параметра порядка) с ростом температуры возрастает и достигает максимального значения при температуре-'Т . затем убывает. В пределах погрешности эксперимента и* = и* (рис.10).

6. Из угловых зависимостей ла/Хг рассчитаны значения комбинаций • объемных и сдвиговых вязкостеЯ: -V +21> -у , г> -2о , у +1>

з о л а 13 э

(обозна'шм их соответственно Г7а> г?ь, т?в). Комбинации вязкостей * в которые входят ь>4 и у,, вдали от фазового перехода ИИС-Ш с

V", !>". Па-с 1>*. Па-с

4 5 4 5

О

Рис.10. Температурная зависимость "нормального" и "критического" вкладов в объемные вязкости.

' ... ' °20- '

ростом Т увеличиваются, а комбинации сдвиговых вязкоствй -уменьшаются. Увеличение давления при Т=сопз1 приводит к росту гг и уменыаеилю п (зависимости п (Т,Р) и »^(Т.Р) подаст!

о * • ;Ъ •

а(Т.Р) и Ь(Т.Р) - рио.5). Вдали от фазового перехода описывается експоненциалькш выражением: . < '

пь<Р)-оь<Р0)-вЧ>1к^^-РвЬ. " . (16)

где г> (Р„), п (Р) - коэффициент вязкости при давлениях Р . и Р,

Ь О о О

соответственно; - коэффициент, зависящий от - температуры. Зависимость т?в от давления при дТ»сопз1: носит сложный характер: при дТ близких к переходу НКК-ТГ пь с ростом давления уменьшается, а при дГ близких к переходу НЖК-Щ п - увеличивается.

О А

7. Фазовая зависимость коэффициента поглощения ультразвука во вращающемся магнитном поле в синхронном релзше повторяет статическую угловую зависимость со сдвигом по фазе, величина которого зависит от частоты вращения магнитного поля, температуры и давления. .. \

Величина фазового сдвига определенная из акустических измерений соответствует фазовому сдвигу между директором и вектором индукции магнитного поля. Это позволило применить уравнение Цветкова для определения характеристической Частоты. Увеличение давления или поникание температуры при фиксированной частоте вращения магнитного поля сопровождается уменьшением частоты смены режимов. Значения их определенные при помощи уравнения Цветкова не отличаются более чем 5% от полученных в разделе 3.

8. Температурная зависимость времени орнентационной релаксации описывается законом Лррениуса (рис.11) с энергией активации не зависящей от температуры (дЕ=37кДас/моль).

Увеличение давления приводит к возрастанию тн:

гм(Р) = т(Рс)-ехр м1 . (IV)

с коэффициентом к имэщим смысл "свободного объема", равного 3.22-10~вДк/(моль-Па). Значения дает величину порядка 10Ж от мо- /' лярного объема жидкого кристалла.

1. Разработаны методики и созданы экспериментальные установки для исследования.магнитоакустических свойств кидких кристаллов при высоких давлениях.

2. Угловая зависимость скорости распространения ультразвука вдали от фазовых переходов описывается выражением 1с(9)=дс-созае, • где »о является функцией температуры и давления. Зависимость . . , анизотропии скорости распространения ультразвука от давления при постоянном значении является линейной.

3; Анизотропия коэффициента. поглощения ультразвука возрастает .при увеличении давления и убывает'с ростом температуры. Угло-' вая зависимость ¿а описывается выражением предсказываемым гидродинамической теорией. .'■•'. ' ,л. Величина фазового сдвига определенная из акустических измерений соответствует фазовому сдвигу между директором и векто-. ром индукции магнитного поля. По уравнению Двэткова определе-'. на частота смены режимов.

5. Тешературная зависимость времени ориентационной релаксаши

описывается законом Аррениуса с энергией активации не зависящей от температуры. Увеличение давления приводит к возрастанию т по жспоненциальному закону.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Зуев А.Н. Методические особенности исследования ориентацион-ной релаксации • в нематических жидких кристаллах. // Дегг. ВИНИТИ: 30.10.91г., ^4156-В91.

2. Bogdanov- D.L., Zuev A.N., et.al. Dynamics oX acoustic rectlon ■ of liquid crystalls in changing orientation magnetic fields.

// Sum.Europ.liquid Cryat.Coni., 1991, p.53.

3. Богданов Д.Л.,-Зуев A.H. Исследование динамических свойств KHK во вращающемся магнитном поле при высоких давлениях. // сб. Ультразвук и термодинамические свойства вещества, Курск, 1992г., с.96-105.

4. Богданов Д.Л., Зуев A.II., Ваумтрог В.Э. Исследование анизотропии скорости распространения ультразвука в нематических жидком кристалле Н8 в диапазоне давлений рт 10s до 10е Па. // об. Ультразвук и термодинамические свойства вещества. Курок, 1992г.. с.106-110.

5. Зуев А.Н. Влияние- давлений на анизотропию скорости и коэффициента поглощения ультразвука в жидких кристаллах. // Деп. ВИНИТИ: 01.93г.

6. Ваумтрог В.Э., Зуев А.Н. Методические особенном« исследования анизотропии скорости распространения ультразвука в жидких кристаллах при высоких давлениях. // Деп. ВИНИТИ: 01.93г.