materialovedenie1 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 9

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса: 1 (нематические); П (смектические) и П1 (холестерические) (рис. 1.25). В кристаллах первого класса (рис. 1.25,а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла. В кристаллах второго класса (рис. 1.25, б) молекулы образуют параллельные слои, которые ле~ко смещаются друг относительно друга. В кристаллах третьего класса (рис. 1.25„в) структура наиболее сложная: молекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы образуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса.

Направление преимущественной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом. Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например параллельно или перпендикулярно осям молекул. В частности, в жидких кристаллах, являющихся диэлектриками, удельное объемное электрическое сопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным цепям, достигает 1Огх — 1О'в Омоем, Строение и свойства материалов 31 а вдоль молекулярных цепей — на несколько порядков ниже.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жцдкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов. Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса пол влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении. Изменение структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул, и на такие перемещения требуется 1 — 10 мс, а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время-20-200 мс Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 2-5 кГц). В промышленности используют как инливидуальные жидкокристаллические органические соединения, так и их эвтектические смеси. Смеси обладают более широким температурным интервалом существования жидких кристаллов.

В жцдких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под 32 3ононоыерноопи ~рорнирования опрунтуры материаяов Коноеыо 8ороон Г ' н гн. н ~ гн. и ~ н я и ен,н нон, 11)Л.)Л е=г — еке — г-1-с в 1-е — г — е — г — с — е-1. т-Г-~ — ~- )- ТФ н ня и,'и надю, я «н,н и в и( звено гоадяая Чооо Рис.

12Гн Схема сгроеяия линейной макромолекулы дейсгвием электрического поля достаточной напряженности, появлением турбулентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы исэюльзуют в пветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для лестных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имекяцнми продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла размещэются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают эа собой молекулы красителя.

В таком положении окраска пе видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напряженности молекулы красителя окрашившот изображение в определенный цвет. В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции света на кристаллах и сопровожцается изменением окраски отраженного света. Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света прн нагреве на 1'С уменьшается на 1-2 нм. Эту особенность используют для рег исграции и измерения стационарных н медленно меняющихся температурных полей. Здесь используется как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так н изменение цвета отраженного потока света. На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет.

В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации-калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др. 1.7. Структура полимеров, стекла и керамики Полимерами называют вещества с большой молекулярной массой (> 10 ), у которых молекулы состоят из одннаковых групп атомов — звеньев (рис. !.26). Каждое звено представляет собой измененную молекулу исхолного низко- молекулярного вещества — мономера. При получении полимеров молекулы мономеров объединяются друг с другом и образуют длинные линейные молекулы или макромолекулы, в которых атомы соединены ковалентными связямн.

В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и э.ермореактивные. Различие между ними особенно четко обнаруживается при нагреве. Термонласпачные полимеры способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств. Термореактивные полимеры при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения. Это различие поведения при нагреве объясняется тем, что у термопластичных полимеров между молекулами действуют относительно слабые силы Ван-дерВаальса. При нагреве связи между мо- Строение и свайынва матвриалав 33 лекулами значительно ослабляются, материал становится мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-лер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами.

Благодаря им термореактивный материал остается твердым при нагреве. Линейные молекулы имеют главные цепи и боковые группы (см. рис. 1.26). При молекулярной массе !0в — 1Ов в линейной молекуле объединяются сотни звеньев и длина главной цепи во много раз больше размеров боковых групп. У большинства полимеров главные цепи состоят преимущественно из атомов угяерода, у кремнийорганических полимеров они образованы чередующимися атомами кислорода и кремния. Боковые группы образуют атомы (водород, галоиды), радикалы (ОН вЂ”, СХ вЂ”, СвНз — и др.), короткие полимерные цепи из нескольких звеньев.

Очевидно, что при наличии боковых групп нескольких видов имеются возможности разместить их вдоль главной цепи как неупорядоченно, так и в определенном порядке. Полимеры с неупорялоченным чередованием ~рули называются нерегулярными, а с упорядоченным — регулярными. Структура молекул определяется способом производства полимера. При обработке полимеров (нагрев, растворение и т. д.) структура молекул почти не изменяется, и нельзя, например, нерегулярный полимер сделать регулярным. Общая структура полимеров складывается из структуры молекул и надмолекулярной структуры, т. е. взаимной укладки линейных молекул в полимерном веществе.

Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул, Наиболее характерной и важной формой теплового движения макромолекул являются повороты частей молекул по отношению друг к другу (рис 1.27). Равновесному состоянию соответствуют определенные 2 Под рсв. Б. Н. Арзамасова Рпс. 1.27. Схема поворотов вокруг связей в главной цепи макромолекулы значения углов межпу связями а (см. рис.

1.27). Форма линейной молекулы все время изменяется. Установлено, что ее равновесной формой является эллипсоид. Любые неравновесные изменения формы молекулы быстро уничтожаются при тепловом движении, когда повороты вокруг связей внутри макромолекулы легко осуществляются. Для нерегулярных полимеров характерны пачечные структуры, когда на сравнительно больших участках ~лавные цепи соседних молекул располагаются параллельно. У регулярных полимеров типичными налмолекулярными структурами являются кристаллы. Пачечные структуры и кристаллы образуются при повышенных температурах, когда внутри макромолекулы легко происходят сдвиги, повороты и т. д. Макромолекулы в полимерном веществе ие упакованы плотно, и мерой плотности упаковки является так называемый свободный объем, т.

е. разность между фактическим удельным объемом вещества и теоретическим удельным объемом при самой плотной упаковке. При нагреве свободный объем увеличивается. В зависимости от свободного объема полимерное вещество находится в одном из физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязко- текучем. Переходы из одного состояния 34 Закономерности ргормнроеанил структуры мал зерналое в другое происходят без выделения или поглощения теплоты. Температуры переходов называются температурами сзеклования км и текучести г „. Различия между физическими состояниями полимеров наглядно проявляются при деформировании (рис. 1.28). В спзеклоюбразном состоянии повороты вокруг связей в макромолекулах затруднены, полимер является упругим твердым телом.

Под нагрузкой упругая деформация не превышает нескольких процентов и падает до нуля при снятии нагрузки. При деформации происходит искажение валентных углов и. Высокоэдастнчное состояние появляется тогда, когда свободный объем становится -2,5%. В этом состоянии полимер ведет себя как эластичное тело.