Способ определения физико-механических характеристик жидких кристаллов Советский патент 1991 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к физико-механическим измерениям характеристик материалов с помощью акустических колебаний и может быть использовано при экспериментальных исследованиях анизотропно-жидкого состояния вещества, в частности, при определении времени ориентационной релаксации жидких кристаллов (ЖК) в широком диапазоне изменений.

Цель изобретений - повышение точности при определении времени ориентационной релаксации жидкого кристалла.

На чертеже показана блок-схема устройства для проведения способа определения времени ориентационной релаксации жидкого кристалла.

Устройство, реализующее способ определения времени ориентационной релаксации ЖК, содержит камеру 1 и магнит 2.

Камеоа 1 закреплена неподвижно в зазоре магнита 2, который установлен с возможностью совершения колебаний относительно оси О. Устройство также содержит последовательно соединенные генератор 3 радиоимпульсов, излучающий пьезопреобразователь 4, приемный пьезопреобразователь 5, усилитель 6, детектор 7 и фазометр 8 Кроме того, устройство содержит датчик 9 направления магнитного поля, электрически связанный с вторым входом фазометра 8.

Сущность способа измерения времени ориентационной релаксации ЖК заключается в следующем. Исследуемый образец ЖК размещают в камере и формируют в ней магнитное поле, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ш и малой амплитудой Z0 5° относительно направления, составляющего 45° с направлением

О N 0

Ј

сл

распространения ультразвуковых колебаний, которые пропускают в плоскости, перпендикулярной оси колебания магнитного поля. Затем измеряют фазовый сдвиг между колебаниями величины коэффициента по- глощения ультразвука и колебаниями угла поворота направления магнитного поля. Время т ориентационной релаксации определяют по величине фазового сдвига Ф с учетом колебания поля. Выбор условий про- ведения способа обусловлен следующими причинами.

По теории Лесли-Эриксона коэффициент а поглощения ультразвука равен

О J

а (р) (а0 + bo со S2 р + Со cos p)

PV

- 0) где р - угол между директором п жидкого

кристалла и волновым вектором k ультразвука;

f - частота ультразвука;

р- плотность ЖК;

v - скорость распространения ультразвука;

BO, bo, Co константы вязкости ЖК.

Если вектор b магнитного поля совершает колебания около направления Ь 45° к волновому вектору k, то изменяющаяся во времени часть коэффициента Ла(еод) поглощения ультразвука оказывается равной

Да (ом ) 2 Ла0уъ (o)cos (tot +Ф);

( 0)-а(р 90°)

2 л2 f2 /u ...

3- CD° + Co ):

pv

(2)

где f)o ((D ) - амплитуда колебаний директора h;

Ф- фазовый сдвиг между колебаниями директора h и вектора b индукции магнит- ного поля.

В общем случае, ограничиваясь предположением о локальном характере движения директора h. отсутствием обратного гидро- динамического потока и принебрегая влиянием стенок, уравнение движения директора можно записать в виде

1у + У1У + sln20 0. (3) V

где I - момент инерции единицы объема ЖК при его переориентации;

&Х Я X1 величина анизотропии диамагнитной восприимчивости единицы объема ЖК;

yi - коэффициент вращательной вязкости.

В режиме малых колебаний (Z0 5°) уравнение (3) можно линеаризировать

В

В

1#+У1р + ДХ---р Дх-y-jZCt),

V

v

(4)

из решения которого следует, что директор h совершает колебания с амплитудой фо ( ш ) и фазовым двигом Фмежду колебаниями директора h и вектором В индукции магнитного поля, определяемыми равенствами

yb(w)Z0AxB2(//o V X

)- ; //oV

(5)

&Х

в2

1 2 /1о V

тш,

(6)

0

5

0

5

0

5

где г - время ориентационной релаксации ЖК.

Таким образом, измеряя величину фазового сдвига Фмежду колебаниями величины коэффициента поглощения ультразвука и направлением вектора индукции магнитного поля, можно определить время ориентационной релаксации в соответствии с выражением (6).

Способ определения времени ориентационной релаксации ЖК реализуется следующим образом. В камере 1 размещают исследуемую ЖК и приводят в колебательное движение магнит 2 с амплитудой 5° и частотой а) около первоначального положения гро, составляющего угол 45° между осью пьезоэлементов 4 и 5 и направлением индукции магнитного поля. Одновременно с выхода генератора 3 радиоимпульсов на пьезообразователь 4 поступают радиоимпульсы, трансформируемые им в ультразвуковые колебания. Пройдя через исследуемую среду, ультразвуковые колебания принимаются и преобразуются в электрические пьезообразователем 5. Электрические импульсы усиливаются усилителем 6, детектируются и интегрируются

п

7с постоянной времени г -J-T- . Колеблющееся с частотой сои вектором индукции

8магнитное поле влияет на величину коэффициента поглощения ультразвука с волновым вектором k исключительно путем мед ленных изменений угла рмежду вектором k и директором h и поэтому амплитуда принятого пьезопреобразователембультразвуково- го сигнала подчиняется во времени тем же законам, что и движение директора h, т.е. принятые сигналы оказываются промодули- рованными по амплитуде с частотой ш (фиг.1). Выделенной после детектирования переменное напряжение частотой ft) подается на вход фазометра 8, на второй вход которого поступает опорное напряжение с датчика 9 угла поворота магнита 2, представляющего собой катушку индуктивности, расположенную под углом 45° к первоначальному направлению ty0. По показаниям фазометра 8 определяют величину фазового сдвига Фи согласно выражению (6) определяют время ориентационной релаксации.

Формула изобретения Способ определения физико-механических характеристик жидких кристаллов, заключающийся в том, что образец жидкого кри- сталла помещают в магнитное поле, изменяют направление магнитного поля путем его поворота относительно образца и одновременно

пропускают через него импульсы ультразвуковых колебаний в плоскости, перпендикулярной оси поворота магнитного поля, принимают импульсы ультразвуковых колебаний, прошедших образец, измеряют величины коэффициента поглощения ультразвуковых колебаний при различных углах поворота направления магнитного поля, определяют фазовый сдвиг между колебаниями величины коэффициента поглощения и колебаниями угла поворота направления магнитного поля, с учетом которого определяют физико-механические характеристики жидкого кристалла, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при определении времени ориентационной релаксации жидкого кристалла, поворот магнитного поля осуществляют путем его гармонического колебания с амплитудой 5° относительно направления, составляющего 45° с направлением распространения импульсов ультразвуковых колебаний, и по величине фазового сдвига между колебаниями величины коэффициента поглощения ультразвуковых колебаний и колебаниями угла поворота направления магнитного поля определяют время ориентационной релаксации жидкого кристалла.

Изобретение позволяет определять время ориентационной релаксации анизотропных жидкостей в широком диапазоне изменений, включая области фазовых переходов. Цель изобретения - повышение точности при определении времени ориентационной релаксации жидких кристаллов. Способ основан на том что в колеблющемся магнитном поле фазовый сдвиг между колебаниями величины коэффициента поглощения ультразвука и вектором индукции магнитно о поля однозначно связан с временем ориентационной релаксации анизотропной жидкости (жидкого кристалла). Для определения этого фазового сдвига направление магнитного поля в процессе прозвучивания жидкого кристалла ультразвуковыми колебаниями изменяют путем гармонического колебания с амплитудой 5° относительно направления, составляющего 45° с направлением распространения ультразвуковых колебаний. 1 ил. (/) С