авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Ультразвуковые низкочастотные исследования нематических и смектических жидких кристаллов во внешнем магнитном поле

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 532.783:534.6

ОБЫДЕНКОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕМАТИЧЕСКИХ И СМЕКТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре общей физики Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Московский государственный областной университет»

Научный руководитель:

доктор физико - математических наук,

профессор Геворкян Эдвард Вигенович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Дадиванян Артем Константинович

доктор физико-математических наук,

профессор Николаев Павел Николаевич

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Защита диссертации состоится «16» февраля 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.155.07 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Московском государственном областном университете по адресу: 105005, Москва, ул. Радио, д. 10а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан «____»____________ 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент __________ Барабанова Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Совершенствование методов изучения и экспериментальное исследование динамических свойств жидкокристаллических веществ при различных температурах под действием внешних магнитных полей представляет собой одну из основных актуальных задач физики конденсированного состояния.

Ориентационная упорядоченность жидких кристаллов (ЖК) в сочетании с высокой трансляционной молекулярной подвижностью определяет их необычные анизотропные физические свойства и повышенную чувствительность к воздействию внешних полей, а также их многочисленные применения в технике.

Акустический метод исследования динамических и релаксационных свойств нематических (НЖК) и смектических (СЖК) мезофаз доказал свою высокую эффективность. Она прежде всего связана с возможностью исследования объемных образцов (не подверженных искажениям ориентационной структуры ограничивающими поверхностями) и проведения измерений в очень широком частотном диапазоне.

Особый интерес представляют области вблизи фазовых полимезоморфных переходов. Здесь акустические измерения дают ценную информацию о предпереходных явлениях..



C учетом задач, решаемых в настоящей работе, в качестве объектов исследования выбраны следующие жидкокристаллические соединения и смеси НЖК: ЖК-440 (Tf = 265,7 K; Tc = 344,5.. 345,6; < 0), представляющий собой смесь изомеров п-н-бутил-п-метоксиазоксибензола (БМОАБ) и н-бутил-п-гептаноилоксиазоксибензола (БГОАБ) в сотношении (2:1)), ЖК-1282(Tf = 253,1 K; Tc = 335,1 K; > 0), который состоит из алкоксицианбифенилов (80% массовой доли), эфира Демуса (16%) и эфира Грея (4%)) и ББОА (4-бутоксибензилиден-4-октиланилин имеющий, смектическую B (Т=33,8...49,3 К), смектическую A (Т=49,3...63,5 К) и нематическую (Т=63,5...78,7 К) мезофазы). Выбор объектов исследования был сделан исходя из их научно-прикладной значимости. Присущее смесям НЖК расширение температурного интервала нематической фазы относительно компонентов смеси обеспечивает возможность исследования динамики ориентационных процессов в области состояний, не подверженных влиянию предпереходных явлений.

Цель работы. Основной задачей диссертации является исследование акустическим методом релаксационных и динамических свойств жидких кристаллов в области низких ультразвуковых частот (96-760 кГц), в статических магнитных полях при изменяющейся температуре, включая области фазовых превращений. Решение данной задачи включает разработку методики исследования акустических параметров ЖК в статическом магнитном поле; создание экспериментальной установки для исследования релаксационных свойств ЖК акустическим методом при изменяющейся температуре в статическом магнитном поле различных индукций; исследование влияния температуры на скорость и коэффициент поглощения ультразвука и их анизотропию в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, а также проверку возможного нарушения общепринятой гидродинамики СЖК А в этом частотном диапазоне.

Научная новизна. Создана установка для акустических исследований динамики ориентационных процессов в НЖК (в области низких частот 96-760 кГц), под воздействием внешнего магнитного поля в температурном диапазоне 275 – 350 К.

Исследованы анизотропные акустические параметры НЖК в области низких ультразвуковых частот.

Осуществлена проверка возможного нарушения общепринятой гидродинамики смектиков А, в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (96-760 кГц).

Практическая ценность. Создана измерительная установка для исследования релаксационных свойств ЖК акустическим методом в области низких частот (96-760 кГц) в статическом магнитном поле в температурном диапазоне 275 - 350 К.

Получены экспериментальные данные в ходе акустических исследований вязкоупругих, термодинамических и релаксационных свойств ЖК. Полученные результаты могут быть использованы для проверки адекватности молекулярно-статистических теорий мезофазы и уточнения уравнений гидродинамики ЖК. В работе представлены числовые значения акустических параметров и коэффициентов, характеризующих релаксационные процессы в НЖК и СЖК, а также критические явления в области полимезоморфных превращений, которые могут быть использованы для расчета параметров устройств с жидкокристаллическим рабочим телом.

Автор защищает:

- результаты методических и конструкторских разработок, позволяющих изучать динамику ориентационных процессов ЖК в статических магнитных полях при изменяющихся параметрах температуры, магнитного поля, частоты ультразвука.

- результаты анализа экспериментальных данных, выполненного в рамках гидродинамических и молекулярно-статистических теорий жидкокристаллического состояния вещества.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях преподавателей и аспирантов МГОУ, г.Москва 2010, 2011 г., Всероссийской конференции ФАГРАН 2010, г.Воронеж, VI Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании», г.Иваново, 2010 г.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 117 страницы машинописного текста, 17 таблиц, 30 рисунков, библиографический список из 162 наименований, состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, их новизна и практическая ценность.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию ориентационных процессов в жидких кристаллах во внешнем магнитном поле.

Рассмотрены акустические параметры в окрестности температуры просветления и акустические методы определения коэффициентов вязкости нематических жидких кристаллов.

На основе анализа результатов известных теоретических и экспериментальных публикаций сформулирована задача настоящей работы, выбраны объекты исследования и определен методический подход к ультразвуковому низкочастотному исследованию жидких кристаллов в нематической и смектической фазах во внешнем магнитном поле.

Во второй главе представлено описание методики исследования релаксационных свойств жидких кристаллов в магнитном поле с указанием основных требований, предъявляемых к экспериментальной установке. Представлен анализ акустического резонатора с пьезопреобразователями, имеющими форму выпукло-вогнутых линз. Изложена методика проведения и оценка погрешности эксперимента. Приведена блок-схема экспериментальной установки. Произведены необходимые расчеты элементов принципиальной схемы, рассмотрено их назначение и взаимодействие между собой. Разработана конструкция экспериментальной установки, приведен эскиз держателя измерительной ячейки и конструкция акустического резонатора. Проанализированы погрешности прямых и косвенных измерений эксперимента. Суммарная относительная погрешность измерения скорости распространения ультразвука составляет 1…1,1%. Ошибка измерения коэффициента поглощения ультразвука определяется погрешностью аттенюатора и вольтметра и составляет 0,005 Нп. Температурная погрешность составляет 1% в области Тс<10К и 0,2% при Тс>10К. Погрешность, вызванная нестабильностью работы генератора; не превышает 0,5%. Неоднородность магнитного поля практически не влияет на анизотропию коэффициента поглощения для индукций, превосходящих индукцию насыщения. Точность измерения угла поворота директора относительно вектора магнитной индукции составляет ±0,250. Для параллельного и перпендикулярного расположения векторов (- волновой вектор) погрешность угловой зависимости коэффициента поглощения ультразвука не превосходит 0,1%. Полная относительная погрешность измерения анизотропии коэффициента поглощения ультразвука составляет 1...3%.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования акустических параметров ультразвука в ЖК-1282, ЖК-440 в стационарном магнитном поле в частотном диапазоне 96-760 кГц и проверки возможного нарушения общепринятой гидродинамики СЖК А.

При параллельном расположении волнового вектора и вектора индукции магнитного поля значения поглощения ультразвука /f2 на 20% - 40% больше, чем при ортогональной ориентации. Это различие (анизотропия) достигает максимума по мере приближения к температуре фазового перехода, затем резко убывает до нуля и не обнаруживается в изотропной фазе. Характерной особенностью НЖК является существование насыщающего значения индукции магнитного поля. Это связано с наличием в жидком кристалле различного рода включений и сложных граничных условий. Поле насыщения порядка 1 Тл (рис.1). Довольно слабые магнитные поля практически полностью ориентируют образец НЖК и его можно считать монодоменным. Экспериментальные зависимости (В) удовлетворительно описываются выражением:

 Индукционная зависимость-5

Рис. 1.Индукционная зависимость анизотропии коэффициента поглощения ультразвука для ЖК-440 на частоте 415 кГц. (1)-Т=320К, (2)-Т=275К.

где A=1 для ЖК-1282, при Т= 325 К и для ЖК-440, при Т=320 К ; A=1,3 для ЖК-1282 при Т=296 К и A=0,7 для ЖК-440 при Т=275 К.

Измерения абсолютных значений коэффициента поглощения ультразвука проводились в магнитном поле с индкуцией В=0,23 Тл, которое направлялось перпендикулярно волновому вектору. В этом случае директор НЖК перпендикулярен направлению распространения ультразвука и коэффициент поглощения ультразвука определяется выражением:

где 2 и 4 – сдвиговая и объёмная вязкости, не исчезающие в изотропной фазе и связанные с коэффициентами Лесли следующими соотношениями: 2=24, 4=21.

Рис. 2. Логарифмическая зависимость коэффициента поглощения ультразвука /f2 для ЖК-1282 на частоте 680 кГц.

В низкотемпературной области нематического состояния наблюдается слабая температурная зависимость ln(/f2). При приближении к температуре просветления Тс экспериментально установлено резкое возрастание коэффициента поглощения ультразвука (рис. 2).





Поглощение ультразвука для исследуемых образцов НЖК можно удовлетворително описать уравнением с одним временем релаксации эф:

где параметр А представляет собой прирост поглощения, вызванный данным релаксационным процессом и является функцией температуры, а также зависит от степени ориентации НЖК. Параметр В включает в себя поглощение, которое обусловлено сдвиговой вязкостью, и вклады всех более высокочастотных релаксационных процессов В зависимости от термодинамических параметров состояния коэффициенты А и В ведут себя аналогично поглощению, стремясь вблизи области просветления к максимуму.

Эффективное время релаксации удовлетворительно описывается выражением:

где значения показателя определяются угловыми коэффициентами прямых, апроксимирующих температурные зависимости в двойном логарифмическом масштабе(рис. 3). В нематической и изотропной фазах для ЖК-1282 они составляют 0,76 и 0,81, соответственно. Для ЖК-440 значение показателя одинаково как в изотропной так и в нематической фазах и принимает значение 0,48 (рис. 3).

Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента поглощения ультразвука /f2 в двойном логарифмическом масштабе для ЖК-440 в нематической (1) и изотропной (2) фазах.

Измерения анизотропии коэффициента поглощения ультразвука на низких и высоких частотах позволяют рассчитать целый ряд важных физических параметров. По анизотропным коэффициентам сдвиговой и объемной вязкостей, временам ориентационной релаксации, энергии активации в широком диапазоне частот и температур, а также по результатам измерения низкочастотных ультразвуковых параметров на частотах 415 кГц и 680 кГц получены температурные зависимости коэффициентов объемной вязкости ЖК-440. Температурная зависимость коэффициентов сдвиговой вязкости 1 и 2 имеет активационный характер:

iрег= i0exp(E1i/RT),

где i =1, 2; Еi - энергия активации.

Коэффициенты объемной вязкости можно представить в виде суммы регулярной (рег) и критической (к) составляющих: 4,5(T)= 4,5 рег+ 4,5к. Регулярная составляющая коэффициента объемной вязкости также уменьшается с температурой по экспоненциальному закону. Значения энергий активации Еi и коэффициентов i0 для ЖК-440 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения энергий активации Еi и коэффициентов i0 для ЖК-440.

f, МГц E4,кДж/моль E5, кДж/моль 40, Пас 50, Пас
2,67 20,4 16 1,37·10-4 9,3·10-4


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.