Диссертация (1173423), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Для каждой зависимости былополучено значение времени затухания потока: в случае обработки изображенийменисков τ=45,1 с; в случае обработки данных об интенсивности прошедшего73излучения τ=49,9 с. Таким образом значения τ, полученные двумя методами,совпадают в пределах погрешности порядка ± 5 %. Это позволяет сделатьзаключение о том, что при проведении экспериментальных исследованийвязкостных свойств ЖК в затухающем потоке Пуазейля можно выбрать методполучения экспериментальных данных: 1) метод обработки изображений мениска– доступный и простой в обработке, но менее точный (погрешность составляет 57%), чем 2) метод регистрации динамического оптического отклика – высокаяточность измерений, но при этом необходимы такие инструменты, какполупроводниковый лазер, поляризатор и анализатор, фотодиод, АЦП испециальная программа обработки экспериментальных данных Lgraph накомпьютере, что не всегда может быть доступно.
Следовательно, при проведенииреологических свойств ЖК материалов можно выбрать методику полученияэкспериментальных данных в зависимости от требований исследователя.2.7 Экспериментальные результаты исследования реологических свойствнематических жидких кристаллов в затухающем потоке Пуазейля и ихобсуждениеОсновные измерения для ЖК ячейки первого типа выполнялись прикомнатной температуре (298±1,0 K). На Рисунке 2.14 представлена временнаязависимость интенсивности прошедшего линейно-поляризованного излучения I(t),полученная для затухающего потока 5ЦБ в отсутствии электрического поля.74Рисунок 2.14 – Зависимость интенсивности прошедшего излучения I(t) для 5ЦБ в ЖК ячейкепервого типа в затухающем потоке Пуазейля; воздействие электрического поля отсутствует.Врезультатепроведенныхэкспериментовполученазависимостьэффективной сдвиговой вязкости ЖК 5ЦБ от электрического поля, приложенногок планарной части ЖК ячейки.
Значения времени релаксации τδ для различныхнапряжений представлены в Таблице 2.1 [76]. На Рисунке 2.15 отображеназависимость эффективной вязкости от напряжения электрического поля.Таблица 2.1 – Зависимость времени релаксации разности фаз τδ отэлектрического напряжения U, приложенного к планарному каналу ЖК ячейкипервого типа.U, Вτδ , сη, Па·сη, Па·с [47]0100,0200,0229 (Т=297 К)0,0204 (Т=300 К)10300,0612040,60,085753043,50,0994046,90,1085049,70,1136052,20,1177055,10,1198056,50,1210,1296 (Т=297 К)0,1052 (Т=300 К)Рисунок 2.15 – Зависимость эффективной сдвиговой вязкости от напряжения электрическогополя, приложенного к планарному каналу ЖК ячейки.
T=299±1,0 K.При высоких значениях напряжения электрического поля происходитнасыщение такой зависимости. В этом случае время релаксации разности фазмежду обыкновенным и необыкновенным лучами определяется максимальнымзначением коэффициента сдвиговой вязкости η1, так как сильное электрического76поле индуцирует гомеотропную объемную ориентацию в слое ЖК за исключениемтонких граничных слоев толщиной:r = (## /(3 ∆)Ä h# ,(2.16)где К11 – модуль упругости Франка, 0 – электрическая постоянная, Δ –диэлектрическая анизотропия, d – толщина планарного слоя, U – напряжениеэлектрического поля. В случае ячейки первого типа, заправленной ЖК 5ЦБ, данныепараметры равны: К11=6,4 пН; 0=8,85·10-12 м−3·кг−1·с4·А2; Δ=11,5; dp=150 мкм;U=100 В. Тогда Е=94 нм, что дает возможность пренебречь воздействиемграничных слоев в отличие от случая использования магнитных полей.Отметим, что при условиях, соответствующих данному эксперименту,получение граничного слоя столь малой толщины потребовало бы использованиямагнитного поля с индукцией около 10 Тл, что реализуемо лишь с применениемсверхпроводящих магнитов.Отношение τmax/τ0, полученное из эксперимента, составило около 5,65, чтоблизко к отношению двух основных вязкостей Мезовича η1 и η2, соответствующихгомеотропной и планарной ориентациям ЖК в капилляре вискозийцццметра(η1/η2=5,65 при Т=297 К и η1/η2=5,15 при Т=300 К [47]).
Это подтверждаетвозможностьиспользованиямодифицированногооптическогометодадляизмерения двух основных сдвиговых вязкостей нематических жидких кристаллов.Для получения абсолютных значений эффективной сдвиговой вязкости изприведенных выше данных необходимо откалибровать ЖК вискозиметр. Самыйлегкий способ такой калибровки может быть реализован прямым оптическимнаблюдением движения менисков в открытой трубке, заполненной ЖК, посленагрева выше температуры просветления. В данных экспериментах былоустановлено, что временная зависимость разность высот ΔH(t) менисков хорошоописывается экспоненциальным законом и может быть использована дляопределения времени затухания потока τ, которое составило τ=18,4 с при T=317,5К.Абсолютные значения сдвиговой вязкости в нематической фазе могут бытьподсчитаны в соответствии с выражением:77эфф = ∙ t/2,(2.17)где К – постоянная вискозиметра, которая определяется из данных эксперимента,полученных в изотропной фазе и соответствующих значению изотропнойсдвиговой вязкости; а t –значение времени затухания потока.Рассчитанныезначенияэффективнойвязкостисиспользованиемсоотношения (2.9) приведены в Tаблице 2.1, а зависимость данного параметра отнапряжения электрического поля показана на Рисунке 2.15.
Показанное в Tаблице2.1 сравнение экспериментально определенных значений вязкости в отсутствии ипри наличии сильного поля с данными независимых измерений минимального η2 имаксимального η1 коэффициентов сдвиговой вязкости, подтверждает корректностьиспользованной процедуры для определения абсолютных значений анизотропныхкоэффициентов сдвиговой вязкости жидких кристаллов.
Стоит отметить, что длясоединений с малым углом ориентации потоком разность двух указанных вышекоэффициентов сдвиговой вязкости может быть использована для оценки значениякоэффициентавращательнойвязкостиγ1≈h1-h2,являющегосяосновнымпараметром, определяющим быстродействие ЖК-устройств различного типа.Согласно данным проведенных измерений эта разность составляет 0,101 Па·с, чтоблизко к значению γ1 = 0,0968 Па·с при Т = 297 К, полученному в независимыхисследованиях [47].Основные измерения для ЖК ячейки второго типа выполнялись прикомнатной температуре (297±0,5 К).
Методика исследования реологическихсвойств ЖК в затухающем потоке Пуазейля отрабатывалась на нескольких ЖКячейках однотипной конструкции при разных толщинах гомеотропного ипланарного каналов (их характеристики представлены выше). В экспериментах,описанных ниже, изучалась динамика изменения коэффициента эффективнойвязкости в области малых напряжений.При одновременном получении экспериментальных зависимостей уровнямениска в открытых трубках ΔН(t) (Рисунок 2.16) и значений интенсивностипрошедшего линейно-поляризованного излучения I(t) (Рисунок 2.17) приразличных напряжениях были получены времена затухания потока.78Рисунок 2.16 – Временная зависимость уровня мениска ΔН при различных значениях напряженияэлектрического поля.Использование разработанной методики (представлена выше) позволилопроизвести обработку экспериментальных данных, которые хорошо описываютсяэкспоненциальным законом (2.7), и получить значения времени затухания потокаt.
Коэффициенты эффективной вязкости для каждого случая рассчитывались поформуле (2.17).Таблица 2.2 – Полученные значения времени затухания потока при обработкезависимостей уровня мениска ΔН в программе OriginPro.U, Вy = A1*exp(-x/t1)ЗначениеСтандартная ошибка0t150,308171,94451A12,355750,04733791,42,84,25,678,4t152,957241,65939A12,098240,02467t163,657942,59692A11,911870,03483t168,458591,45107A11,895550,01843t181,987681,95914A11,883730,01725t1101,1193,37094A11,891320,01691t1116,32883,711471,77630,01342t1125,79443,43625A11,846810,01209t1148,25523,036162,00250,04032t1171,56174,67638A11,995790,01901A19,811,2A114Экспериментальные зависимости интенсивности линейно-поляризованногоизлучения, прошедшего через гомеотропный канал ЖК ячейки, полученные повторой методике, представлены на Рисунке 2.17.
Для управления оптическимоткликом на гомеотропный слой подавалось электрическое поле.80Рисунок 2.17 – Временная зависимость интенсивности I(t) линейно-поляризованного излучения,прошедшего через гомеотропный канал в отсутствии (U=0 B) и при наличии электрического поля(U=14 B).В соответствии с [5] обработка оптического отклика обеспечиваетнахождение времени релаксации τδ разности фаз δ между необыкновенным иобыкновенным лучами, прошедшими через гомеотропный канал ЖК ячейки.
Дляэтого производится измерение разности Δt (tmax-tmin) между временнымикоординатами,соответствующимипоследнимлокальнымэкстремумамзависимости I(t), показанным на Рисунке 2.17, и рассчитывается в соответствии с(2.11) и (2.12). Зависимость времени затухания потока τ, полученная при обработкеоптического отклика, представлена на Рисунке 2.18.81Рисунок 2.18 – Зависимость времени затухания потока τ от напряжения электрического поля,полученная при обработке оптического отклика гомеотропного слоя ЖК ячейки.Как видно из графика в области малых напряжений наблюдаетсязависимость, близкая к линейной. Полученные значения времени затухания потокапри различных напряжениях и соответствующие им значения эффективнойвязкости представлены в Tаблице 2.3.Таблица 2.3 – Сравнение значений, полученных экспериментальным путем для ЖКячейки толщиной 80 мкм (К=0,321·10-3 Па) при использовании двух методикизмерений: при обработке оптического отклика гомеотропной части ЖК ячейки(I(t)), при обработке изображений менисков (ΔН(t)).U, Bτ, c для I(t)ηэфф, Па·c для I(t)τ, c для ΔН(t)ηэфф, Па·c для ΔН(t)054,80,017650,30,016151,4600,0192652,960,0172,8690,0221563,60,02044,280,80,0259468,50,021995,71040,0333881,990,0263271180,03788101,10,03245828,4129,90,0417116,30,03739,8141,40,0454125,80,0403811,2155,80,05148,30,0475114167,40,05374171,60,0551НаРисункекоэффициента2.19представленаэффективнойвязкостизависимостьдляполученныхзначенийметодовполучениядвухэкспериментальных данных на основании Таблицы 2.3.Рисунок 2.19 – Зависимость эффективной вязкости от напряжения электрического поля для двухметодикполученияэкспериментальныхданныхпрималыхзначенияхнапряженияэлектрического поля, сплошные линии – результаты аппроксимации экспериментальных данныхпо экспоненциальному закону (2.7) при условии стремления коэффициента эффективнойсдвиговой вязкости hэфф к максимальному значению анизотропного коэффициента сдвиговойвязкости h1=0,1296 Па×с для Т=297 К [47] при U ³ 150 В составляют: t (I) = 32,33 с; t (DH) = 33,33с; погрешность между аппроксимационными кривыми составляет 3%.Как было показано выше, конструкция экспериментальной ЖК ячейкитретьего типа является самой простой с точки зрения изготовления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
