Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние между изотропными жидкостями и твердыми кристаллами, обуславливая особенными физическими свойствами

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Реферат на тему «Характеристика аморфных тел и веществ», 34.09kb.
• Реферат на тему, 238.91kb.
• Представляют собой многоуровневый комплекс отношений между всеми субъектами Мирового, 36.01kb.
• Тема «Кислородные соединения углерода и кремния», 397.55kb.
• Урок сказка по теме: «Оксид углерода (II), Оксид углерода (IV)», 87.15kb.
• Xix век часто называют «веком идеологий»: пользуясь термином, 172.96kb.
• 1. Методы автоматизации учреждений, 344.22kb.
• О. Ю. Традиционалистская и прогрессистская модели национальной идентичности в общественно-политических, 311.57kb.
• Традиционалистская и прогрессистская модели национальной идентичности в общественно-политических, 292.22kb.
• -, 1957.9kb.

Таблица 3.2.1. Параметры ЖК.

Параметры	N4	ЖК-489	ЖK-616 489+N4	ЖК-440
Тпл., °С	20	44	-15	0
Тпр., °С	74	55	72	74
Δn	0.273	0.2	-	0.238
ε	5.34	-	-	8.9
Δε	-0.22	20	3.4	-0.35
К33, (H*10-12 )	10.5	-	10.6	10.6
γ1, (Па*с)	0.152	-	1.16	0.133
η1, (Па-с)	0.178	-	-	0.12
η2, (Па-с)	0.024	-	-	0.022
η3, (Па-с)	0.047	-	-	0.04
η12, (Па-с)	-0.125	-	-	-
Θ,(0)	4.2	-	-	-

Тпл. - температура плавления

Тпр - температура просветления

Δn - двулучепреломление

Δε - анизотропия диэлектрической проницаемости

К₃₃ - модуль упругости Франка

γ₁ - коэффициент вращательной вязкости жидкого кристалла

η_1,2,3 - сдвиговые вязкости жидкого кристалла при различных ориентациях

η₁₂ - комбинация коэффициентов Лесли

Θ - угол ориентации потоком.


3.3. Механизмы воздействия сдвигового течения на структуру нематического жидкого кристалла.

В основе большинства практических применении ЖК в устройствах отображения, обработки и хранения информации лежат электрооптические эффекты, состоящие в изменении оптических характеристик относительно тонких (~10...100 мкм) жидкокристаллических слоев под действием электрических полей. В наиболее простом и распространенном на практике случае нематических жидких кристаллов (НЖК или нематики) электриче­ские поля приводят к переориентации локальной оптической оси среды в направлении параллельном (или нормальном) относительно направления ориентирующего поля при положительном (или отрицательном) значении анизотропии диэлектрической проницаемости (Δε). Как правило, в дина­мическом режиме такие процессы сопровождаются вихреобразными дви­жениями жидкости, обусловленными сильной связью ориентации ЖК со сдвиговыми деформациями. Данная связь является фундаментальным фи­зическим свойством жидких кристаллов, отличающим их от изотропных жидкостей. Целый класс физических эффектов (акустооптических, механооптических и др.) может быть объяснен в рамках представлений о влия­нии сдвиговых течений на ориентационную структуру НЖК. Следует от­метить, что как и в простых жидкостях, статические модули сдвиговой уп­ругости нематиков равны нулю. Это обеспечивает принципиальную воз­можность создания чрезвычайно чувствительных датчиков механических возмущений различного типа.

Хорошо известно, что нематические жидкие кристаллы (НЖК) проявляют неньютоновское поведение в сдвиговых потоках за счет связи между градиентом скорости и ориентацией, описываемой единичным вектором локальной оптической оси - директором (). Это приводит к ряду явлений, не имеющих место в изотропных жидкостях. В отличие от обширной литературы по стационарным течениям, лишь отдельные работы посвящены исследованиям осциллирующих потоков, в частности, нестационарных те­чений Пуазейля. Последние существенно отличаются от стационарных по­токов. В частности, вызванная потоком ориентация становится неустойчи­вой даже при гомеотропных граничных условиях если амплитуда вибрации достигает порогового значения, зависящего от частоты.

3.3.1. Воздействие знакопеременного потока Пуазейля на гомеотропный слой жидкого кристалла.

В работе Тарасова О.С., Крехова А.П. [11] толщина нематического слоя контролировалась двумя блоками, расположенными вдоль ориентации потока. Между двумя стеклянными поверхностями ячейки протекал НЖК – МББА под действием капиллярных сил, которые были гомеотропно ориентированы.

Разность давлений создавалась вертикальными цилиндрическими поршнями по гармоническому закону, направленному в противоположную сторону от электромотора.

Два регулятора использовались для изменения амплитуды давления в диапазоне о 1 до 20 кПа.

В установке исследовался переменный поток Пуазеля в частотном диапазоне от 1 до 10 Гц. Регистрация экспериментальных зависимостей осуществлялася стандартным методом.

Критическая амплитуда пуазейлевского потока a_c уменьшает чувствительность оптических характеристик с увеличением частоты.

2,5 a_c 2,3; 5Гц  f 100Гц

Критическая амплитуда колеблется в пределах a_c = 2,78



при соответствующей координате z = 1/2.

Используя экспериментальную установку было измерено в скрещенных поляроидах направление с поляризатора, параллельно потоку директора.

Воздействие знакопеременного потока Пуазейля на гомеотропный

слой жидкого кристалла в отсутствии электрического поля было рассмот­рено в работе О.С. Тарасова и А.П. Крехова [11].

Важные выводы из этой работы следующие: в отсутствии электриче­ского поля существует сдвиг фаз между изменением ориентации жидкого кристалла и следовательно его оптическим откликом с одной стороны и возмущающим градиентом давления с другой, что видно из рисунка 3.3.1.1.



Рис. 3.3.1.1. зависимости сдвига фазы между оптическим откликом и гидродинамическим возмущением от частоты осциллирующего потока для НЖК с гомеотропными (1) и планарными (2) граничными условиями.

В линейном виде решение гидродинамических уравнений для угла ориен­тации θ и скорости и было получено:



Из рис. 3.3.1.1. при гомеотропной ориентации видно, что для определяемого отношением θ₁ к θ₂ заметно возрастание фазового сдвига, которое имеет место при частотах, больших 0.1 Гц. Это соответствует частотному интервалу в котором необходимо регистрировать параметры внешнего дыхания.

Таким образом, необходимо иметь возможность уменьшения инерционности жидкокристаллического слоя за счет использования относительно тонких слоев.

В данной дипломной работе был исследован нестационарный поток Пуазейля, вызванный знакопеременным низкочастотным перепадом давления, приложенным к гомеотропному слою нематического жидкого кри­сталла при наличии электрического поля.

К открытым торцам жидкокристаллической ячейки прикладывалась разность давления (ΔР), изменявшаяся со временем согласно закону:

p=p_msin(2f·t) (3.3.1.3)

Данная разность давления вызывала периодическое движение анизотропной жидкости. Индуцированное потоком движение директора регистриро­валось в поляризованном лазерном свете (λ = 0.63 мм), проходящим по нор­мали через ЖКЯ и анализатор (угол α между вектором Е световой волны и направлением потока составлял π/4). Таким образом, выражения для раз­ности фаз (Ф) между обыкновенным (о) и необыкновенным (е) лучами, а также интенсивности прошедшего света принимают вид:

где



n_о и n_е - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, I₀- входная интенсивность света, θ - угол ориентации.

Для определения зависимости угла ориентации как функции координат времени можно использовать систему линейных гидродинамических уравнений НЖК.


(3.3.1.8.)


(3.3.1.9.)

где = 1/2(α ₄+ α₅- α₂) -коэффициент сдвиговой вязкости, ρ -плотность, V_x - скорость потока, Е - напряженность электрического поля, α_i -коэффициенты Лесли, α₂ – коэффициент Лесли, обеспечивающий связь между полями скоростей [V_x (Z)] и ориентации θ(Z), γ₁ - коэффициент вращательной вязкости, Kзз - модуль упругости Франка;

- момент сил, действующих на директор со стороны границ с модулем упругости Франка;


- момент сил, действующих на директор со стороны потока;


- момент вязких сил, действующих на директор;

- момент сил, действующих на директор со стороны электрического поля.

Первым инерциальным членом в уравнении (2.26) можно пренебречь вплоть до частот порядка 1кГц (для параметров нашего эксперимента). В этом приближении решение данной системы для жесткого сцепления с границами может быть записано в следующем виде

безразмерные параметры,







Степень влияния электрического поля на полученные выше решения зависит от относительных значений трех частот: ω – частота внешнего

возмущения, - частота ориентационной релаксации в отсутствие электрического поля, наличии электрического поля.

В случае предельно низких электрических напряжений два волновых вектора k₁ и k₂, описывающие пространственные изменения ориентации, становятся равными друг другу:




Этот результат означает, что толщина граничных слоев (δ=k^-1) уменьшает­ся с возрастанием частоты. С другой стороны, в пределе сильных полей (ω_E>>mω) вид пространственных неоднородностей ориентации и толщина граничных слоев не зависят от частоты колебаний





Для ЖК 616 U_ф = 5,43 В. Это свидетельствует о реализации квазистационарного режима, т.е. о том, что директор успевает следовать за осцилляциями давления, а также о том, что в данном случае вязкостные свойства ЖК играют незначительную роль.

В данном случае, выражение для разности фаз (Ф) между обыкновенным (о) и необыкновенным (е) лучами принимает вид:



Как было показано в работе [11] в случае квазистационарного режима экспериментальные зависи­мости находятся в соответствии с выводами линейной теории, по крайней мере, в диапазоне 0<Ф<10 рад.


3.4. Методика проведения эксперимента.


Экспериментальная установка, описанная в п. 3.1, позволила измерять временные зависимости интенсивностей оптического сигнала, прошедшего через ЖК ячейку.

В экспериментальных исследованиях изучался оптический отклик жидкокристаллической ячейки при подаче на слой ЖК переменного градиента давления и электрического поля. Для получения информации, достаточной для дальнейшего анализа, параметры эксперимента изменялись в следующих пределах:

1) Амплитуды перепада давления: ΔP (230 ÷ 2700 Па)

2) Частота осцилляций давления F (0.10 ÷ 0.2 Гц)

2) Переменного напряжения, подаваемого на ЖКЯ: U (0 ÷ 50 В)

3) Толщина жидкокристаллической ячейки: d (57 мкм)

4) Период переменного перепада давления: Т (5 - 10с)

В начале каждого эксперимента проводилась юстировка оптической системы установки. В частности, проводилась проверка закона Малюса

Закон Малюса: зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через анализатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и анализатора.


(3.4.1.), где

- угол между плоскостью пропускания анализатора и поляроида.

Таблица 3.4.1.

	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
I	2.397	2.29	2.043	1.726	1.329	0.938	0.58	.273	0.084	0.05

------теория

---- эксперимент (I₁-I_нач)/(I₀-I_нач)




Рис. 3.4.1. Юстировка оптической системы.


Съем информации заключается в том, что преобразованный оптический сигнал поступает на АЦП. Одновременно записывается сигнал с датчика давления. На рис. 3.4.2. и рис. 3.4.3. показаны примеры экспериментальных кривых. Общей закономерностью для зависимостей ΔI(t) является сохранение синусоидального отклика, соответствующего синусоидальному закону изменения подаваемого на ячейку перепада давления до некоторого значения амплитуды Δp_m. При дальнейшем увеличении амплитуды давления вид зависимостей оптического отклика изменяется, о чём свидетельствует появление локальных экстремумов. Их появление связано с тем, что угол отклонения директора от исходного положения становится достаточным для того, чтобы значения фазы в синусоидальном законе изменения интенсивности превысили величину π/2.


3.5.Градуировка системы дыхания.


Пневмотахометрическое оборудование комплектуется калибровочным шприцем объемом 2 или 3 литра. Вследствие, отсутствия специального калибровочного шприца, заменим, его двуходововым насосом. Объем данного двухходового насоса составляет 150мл.

Градуировку системы проводилась путем помещения сопла насоса в загубник опытного образца - «аналога трубки Флейша», и совершения однократного поступательного движения (далее – калибровочное движение). Таким образом, за однократное поступательное движение в дыхательную систему поступал воздух объемом равным V=150мл³.

Градуировка системы включала в себя восемь калибровочных движений серии. Калибровочные движения производились на различных режимах работы датчика. В частности от 8В…до 22В.

Из предыдущих исследований были вычислены градуировочные коэффициенты, описывающие эквивалентность Ф ~a(U)* Δp² (Таблица 3.5.1)


Таблица 3.5.1. Градуировочные коэффициенты, описывающие эквивалентность Ф ~ Δp²

U(B)	a(U)*10-6	b	Chi2	a(U)*10-6	b	Chi2
1 сегмент
18	20	2.022	0.0011	20	2	0.006
20	6.34	2.127	0.0124	20	2	0.088
22	60	1.745	0.131	9.676	2	0.246
24	10	1.921	0.074	8.121	2	0.169
26	70	1.664	1.050	4.883	2	2.952
28	1.00	2.187	0.393	4.251	2	0.675
30	3.332	1.996	0.202	3.224	2	0.169
32	1.959	2.024	0.013	2.363	2	0.0121
34	0.933	2.092	0.163	1.908	2	0.148
36	1.978	1.964	0.0091	1.499	2	0.0083
38	1.204	2.010	0.132	1.304	2	0.1058
40	2.587	1.891	0.0206	1.111	2	0.0295

Также были определены рабочие режимы модели датчика дыхания (таблица 3.5.2)

Таблица 3.5.2. Определение рабочих режимов модели датчика дыхания