Диссертация (1173423), страница 11
Текст из файла (страница 11)
ЖК ячейка склеивалась с учетом созданиявозможности воздействия электрическим полем на каждый из каналов.Подведенное электрическое поле к гомеотропному каналу позволяет регулироватьчувствительность слоя [77]. В случае планарного канала – позволяет измеритьмаксимальную вязкость Месовича, как и для ЖК ячейки первого типа.64Рисунок 2.6 – Схема ЖК ячейки для проведения реологических исследований.Главным преимуществом ячейки второго типа над описанными ранееявляется то, что она может быть использована для измерения трех основныхвязкостей Месовича, две из которых находятся по принципам, описанным для ЖКячейки первого типа. Для нахождения третьей вязкости необходимо изменитьначальную ориентацию после заполнения канала с помощью вторичногооблучения синим светом (технология фотоориентации).
Реализация данной идеипланируетсявдальнейшихисследованиях.Методизмененияначальнойповерхностной ориентации синим светом будет описан в Главе 3. Геометрияэксперимента представлена на Рисунке 2.7.Рисунок 2.7 – Геометрии эксперимента, соответствующие трем типам сдвиговой вязкости η1 (в),η2 (а), η3 (б) и углы θ и φ, определяющие направление директора n относительно осей координат.65Для проведения экспериментов была подготовлена ЖК ячейка соследующими геометрическими параметрами:часть ЖК ячейки с планарной ориентацией молекул: Lp=12,0 мм, Ap=10,0 мм и dp=80 мкм;часть ЖК ячейки с гомеотропной ориентацией молекул: Lh=12,0 мм, Ah=3,0 мм иdh= 30 мкм.Для соблюдения неравенства гидродинамических сопротивлений (2.3)подставим численные значения в формулы (2.4, 2.5), получим:Ä =12$ 12# = 0,05 ∙ 10#c ;~ == 15,6 ∙ 10#c .h]h$(80 ∙ 10 ) ∙ 1030 ∙ 10h- ] ∙ 3 ∙ 10h]Такимобразом,относительноевлияниегомеотропногоканаланаэффективную вязкость ЖК составляет около 0,3%.Экспериментальныеячейкитретьеготипаимеютупрощеннуюконструкцию по сравнению с ячейками второго типа (Рисунок 2.8), что позволяетих использовать для рутинных лабораторных измерений и исследований ЖК неприменяя специального оборудования.
Они состоят из планарного канала (1),который формируется двумя стеклянными подложками (2). С обеих сторон ячееквклеены заглушки (3), что обеспечивает образование каналов (4) с большимпоперечным сечением и подачу перепада давления по всей ширине ячейки длясоздания поперечных каналов. В верхней части ячеек расположены открытыетрубки (5), которые позволяют создать поток Пуазейля в канале, произвестирегистрацию уровня мениска, а также используются для заправки ячейки жидкимкристаллом.Рисунок 2.8 – Конструкция экспериментальной ЖК ячейки третьего типа включает в себя: 1.канал с планарной поверхностной ориентацией; 2.
стеклянные подложки; 3. заглушки длясоздания каналов 4; 5. открытые трубки.66ПрипроведенииэкспериментовиспользоваласьЖКячейкисгеометрическими параметрами: толщина канала d=60 мкм, высота канала А=12 мм,длина канала L=18 мм.2.6 Экспериментальная установка и методики полученияэкспериментальных данныхДляпроведенияэкспериментальныхисследованийиспользоваласьоптическая схема экспериментальной установки, показанная на Рисунке 2.9. Онавключает в себя полупроводниковый лазер (l=650 нм); два скрещенных поляроида,ориентированных под углом 45о по отношению к направлению потока вжидкокристаллической ячейке; фотоприемник, связанный с персональнымкомпьютером через АЦП L-Card E-154; цифровую видеокамеру, обеспечивающуюполучение снимков движущихся менисков. Использовались два генератора низкойчастоты (ГЗ-109, ГЗ-112/1) для приложения напряжения частотой 1 кГц кпланарному (Up) и гомеотропному (Uh) каналам.
Первое напряжение Up индуцируетэлектрическое поле напряженностью Е=Up/dp в планарном канале, в результате чегопроисходят изменения эффективной сдвиговой вязкости. Второе напряжение Uhиспользуется для подавления возможной гидродинамической неустойчивостигомеотропного слоя нематика под действием градиента давления [78].Рисунок 2.9 – Оптическая схема экспериментальной установки.67Вданнойработеиспользовалисьдвеметодикиполученияэкспериментальных данных. Они позволяют исследовать затухающий потокПуазейля в ЖК ячейках различного типа. Первая методика основана на полученииизображений мениска в трубках, подведенных к каналу, при подаче разностидавления. Вторая – основана на обработке светового сигнала с целью получениявременной зависимости интенсивности прошедшего излучения.Открытые торцы каналов соединены по параллельной схеме, котораяобеспечивает подачу идентичной разности давления ΔP на каждый из каналов.ДаннаяразностьпропорциональнаразностиуровнейΔHвоткрытыхцилиндрических трубках и может быть выражена следующим образом:ΔP(t)=rg ΔH(t),(2.6)где r – плотность ЖК, g – ускорение свободного падения.
В экспериментахначальная разность уровней ΔH(0) (около 5 мм) задавалась путем созданияумеренного перепада давления воздуха (около 100 Па) в открытых трубках наотносительно короткое время (около 20 с). После снятия разности давления воздухав обоих каналах возникал затухающий поток, индуцированный уменьшающейся современем разностью гидростатического давления, определяемого по формуле (2.6).Для затухающего потока обычной Ньютоновской жидкости с постояннойсдвиговой вязкостью ηэфф временные изменения уровня (давления) описываютсяпростым экспоненциальным законом [1]:ΔH(t) = ΔH(0) exp(-t/t),(2.7)ΔP(t) = ΔP(0) exp(-t/t),(2.8)где время затухания потока t пропорционально сдвиговой вязкости ηэфф. Такимобразом, определение времени затухания может быть использовано для расчетакоэффициента эффективной сдвиговой вязкости:ηэфф= Kt/2,(2.9)где K – коэффициент, который зависит от геометрических размеров каналов иоткрытых трубок. В частности, в случае, когда гидродинамическое сопротивлениегомеотропного канала Rh существенно превышает сопротивление Rp планарного68канала,общеесопротивлениеканаловопределяется,главнымобразом,сопротивлением Rp.
В этом случае параметр К выражается так:=`iÁEÕÕ] |Õ _P a,(2.10)где Lp, Ар и dp – геометрические размеры планарного канала, D – внутреннийдиаметроткрытойтрубки.Аналогичноевыражениесправедливодлягомеотропного канала с размерами Lh, Аh и dh. Геометрические размерыэкспериментальных ячеек указаны выше.
Внутренний диаметр открытых трубокD=2,334 мм одинаков для всех экспериментов, описанных ниже. Использованиеизвестного нематика пентилцианобинефила (5ЦБ) позволяет сравнить полученныеданные с результатами независимых экспериментов [23, 47].При использовании первой методики на первом этапе экспериментафиксируется начальное значение уровня мениска в открытой трубке ЖК ячейки,далее в одной из трубок с помощью шприца создается избыточное давлениевоздуха Р=100 Па, величина которого контролируется манометром. Под действиемизбыточного давления происходит перетекание ЖК через ячейку и наблюдаетсяподъем уровня мениска во второй трубке. После достижения необходимого уровня(около 1-2 мм относительно начального состояния равновесия), избыточноедавление сбрасывается. Это приводит к возникновению под действиемгидростатической разности давлений затухающего потока Пуазейля, приводящегов конечном итоге к выравниванию уровней ЖК в обоих трубках.
С помощьюкамеры и микроскопа снимаются изображения мениска через равные интервалывремени, которые фиксируют уровень ЖК в трубке [79]. Примеры полученныхизображений показаны на Рисунке 2.10.69Рисунок 2.10 – Пример изображений положений мениска в различное время [80].При дальнейшей обработке изображений получаются значения перепадауровней в различные моменты времени. Обработка временной зависимости ΔH(t)(Рисунок2.11)впрограммеOriginProпоэкспоненциальномузакону,соответствующему (2.7) позволяет получить значение времени затухания потока τ,которое требуется для расчета эффективной вязкости ЖК [77].70Рисунок 2.11 – Пример полученной временной зависимости ΔH(t).
T=299±0,5 К.При использовании второй методики время затухания t определялось путемрегистрации динамического оптического отклика I(t) для поляризованного света,проходящего через гомеотропный канал [1]. Временная зависимость фазовойзадержки δ(t) между необыкновенным и обыкновенным лучами, полученная иззависимости I(t), также описывается простым экспоненциальным законом:δ(t) =δ(0)exp(-t/tδ),(2.11)где время релаксации фазовой задержки tδ = t/2.
Таким образом, анализ измененияинтенсивности света I(t) позволяет рассчитать время затухания потока t. Вчастности, для δ(0)>π монотонное уменьшение фазовой задержки (2.11) приводит71к появлению локальных экстремумов в зависимости I(t), что следует из известноговыражения:I(t) = I0sin2 [δ(t)/2].(2.12)В [75] было показано, что время релаксации фазовой задержки δt связано синтервалом времени Δt между последним минимумом и максимумом зависимостиI(t) следующим выражением:tδ = Δt/ln2.(2.13)Это позволяет рассчитать время затухания потока и эффективную сдвиговуювязкость ЖК, используя измерения указанного выше интервала времени.
Расчетныесоотношения имеют вид:t=2tδ,ηэф=Ktδ=KΔt/ln2,(2.14)(2.15)Экспериментальные зависимости I(t) были получены путем использованияаналого-цифрового преобразователя L-Card E-154 и соответствующей программыLgraph, что позволяло записывать информацию в формате .txt [79]. Примерполученных первичных экспериментальных данных представлен на Рисунке 2.12.Рисунок 2.12 – Пример зависимости прошедшего линейно-поляризованного излучения I(t) черезгомеотропный канал ЖК ячейки.72На следующем этапе производился анализ массива экспериментальныхданных и последующая их обработка в программе OriginPro [77]. Примеробработанной временной зависимости интенсивности прошедшего излученияпредставлен на Рисунке 2.13.Рисунок 2.13 – Пример временной зависимости интенсивности прошедшего излучения I(t),обработанной в программе OriginPro. T=299±0,5 K.В экспериментах были реализованы обе возможности определения временизатухания и эффективной сдвиговой вязкости нематических жидких кристаллов.Временные зависимости уровня ΔH(t) и оптический отклик I(t), представленные наРисунках 2.11 и 2.13 соответственно, были построены для одной ЖК ячейки припараллельном снятии экспериментальных данных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
