Исследование жидкокристаллических композиций, применимых в качестве термоиндикаторов

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И

Т о м IX 19 7 8

№ 6

УДК 533.6.071.08.533.6.011.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ, ПРИМЕНИМЫХ В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОИНДИКАТОРОВ

М. М. Ардашева, Г. Е. Первушин

Приведены методика и результаты исследования жидкокристаллических композиций холестерического типа с целью выяснения возможности их применения в тепловом аэродинамическом эксперименте в качестве низкотемпературных термоиндикаторов.

Для гиперзвуковых летательных аппаратов важным является исследование аэродинамического нагревания их поверхности. Одним из способов измерения, дающим непрерывное распределение теплового потока по поверхности модели, является метод термоиндикаторных покрытий [1].

Для измерения тепловых потоков применяются термоиндикаторы плавления, разработаннне ВНИИ люминофоров и особо чистых веществ. Однако до настоящего времени не были разработаны термоиндикаторы с температурой плавления ниже 40°С, которые могут наноситься на поверхность модели с толщиной не более 1—2 мкм. Такие термоиндикаторы необходимы при измерении малых тепловых потоков. Кроме того, необходимо подобрать многоцветные термоиндикаторы, которые позволяют следить непрерывно за изменением температуры на поверхности модели.

В связи с этим было проведено исследование возможности получения низкотемпературных термоиндикаторов на основе жидких кристаллов холестерического типа. Соединения холестерина обладают свойством изменять свой цвет при малых изменениях температуры [2]. Эти свойства жидких кристаллов холестерического типа могут быть использованы в тепловом эксперименте.

При составлении композиций жидких кристаллов применялись соединения холестерина, синтезированные во ВНИИ монокристаллов (г. Харьков) и в институте теоретической и прикладной механики СО АН СССР. Для определения температуры плавления и определения зависимости цвета жидкокристаллических композиций от температуры и давления была применена методика, разработанная авторами [3].

Для отчетливого наблюдения различных цветовых оттенков, которые дает холестерическая структура при нагревании, а также для определения температуры плавления жидкокристаллическая композиция наносилась на нагреваемую электрическим током пластину из нержавеющей стали с линейным распределением температур по ее оси. Препарат наносился на предварительно зачерненную поверхность пластины слоем, не превышающим 1 — 2 мкм. Пластина устанавливалась под вакуумным колоколом, в котором создавалось заданное давление. Температура по оси нагревателя измерялась термопарами, приваренными к пластине с противоположной стороны, э. д. с. термопар регистрировалась потенциометром или записывалась светолучевым осциллографом. По положению границы

плавления или по положению границы изменения цвета, которые фотографировались или измерялись миллиметровой шкалой, и по показаниям термопар вычислялась температура изменения цвета и температура плавления жидкокристаллических композиций.

Для выявления зависимости цвета пленки жидкокристаллической композиции от температуры и угла зрения использовался нагреватель цилиндрической формы с переменной толщиной стенки, позволяющей получить близкое к линейному распределение температур вдоль образующей цилиндра и постоянную температуру в каждом сечении. Температура в пяти сечениях нагревателя измерялась термопарами, приваренными к внутренней поверхности цилиндра. Наружная поверхность цилиндра оксидировалась. На оксидированную поверхность цилиндра наносилась жидкокристаллическая композиция из расплава или толуольного раствора (фиг. 1). При нагревании цилиндра током жидкокристаллические композиции окрашивались в различные цвета или плавились. Цилиндр с жидкокристаллической композицией фотографировался и по полученному снимку

О 23 30 х,мм

Фиг. 1

определялась зависимость границы изменения цвета или границы плавления от угла зрения.

Разработанная методика позволила исследовать зависимости цветовых переходов и границы плавления жидкокристаллических композиций от угла зрения, темпа нагревания и давления.

Проведенное исследование показало, что смеси некоторых производных холестерина дают цветовые переходы, которые хорошо видны в нагретой пленке. Температурные границы цветовых переходов жидких кристаллов зависят от их количественного и качественного состава. Зная эту зависимость и имея необходимые компоненты, можно легко получить нужные композиции с необходимыми цветовыми переходами.

Границы цветовых переходов многоцветных композиций не меняются с изменением давления в пределах от Р— 13 Па до Р = 1-105 Па, но зависят от угла зрения. Эта зависимость затрудняет их применение в тепловом аэродинамическом эксперименте, кроме того, цветовые переходы наиболее ярки при переходе композиций из изотропной жидкости в холестерическую мезофазу, т. е. при охлаждении из расплава (табл. 1).

Изучение свойств жидкокристаллических композиций позволило обнаружить, что некоторые композиции при нанесении их на черную поверхность дают ярко окрашенную пленку, цвет которой при нагревании не изменяется. Однако при достижении некоторой критической температуры они плавятся. На границе плавления цветная пленка жидкого кристалла становится прозрачной. Интервал плавления измеряется долями градуса. Температура плавления данных жидкокристаллических композиций не зависит от давления в исследованном диапазоне от Р= 1-105 Па до Р— 13,3 Па, а положение границы плавления не зависит от угла зрения. Эти свойства позволили применить данные жидкокристаллические композиции в тепловом аэродинамическом эксперименте. Для композиций с четкой границей плавления было проведено исследование влияния на них напряже-

Таблица 1

Состав композиции Температура изменения цвета при Р=1,0-106Па. і °С *ЦВ Температура изменения цвета при Р=0,01»105 Па, ^ЦВ °С

красный зеленый синий фиолето- вый воздействие температуры красный »л„ыа| синий фиолето- вый воздействие температуры

Пеларгонат холестерина 70% Олеат , 15% Валерат , 15% 29,5—31 31—33 33-34 34-38,5 нагрев 29,5-31 31-32,5 32,5-34 34-38.5 нагрев

Пеларгонат холестерина 66% Олеат , 5% Валерат . 29% 35-36,5 36,5-37,5 37,5-38,5 38,5-47,5 нагрев 34,5-36 36-37 37-38 38-47,5 нагрев

Нонаноат холестерина 80% Пропионат » 20% 44-46 46-49 от 49 до 62 нагрев и охлаждение из расплава 44,5-46 46-49 от 49 до 62 нагрев и охлаждение из расплава

Нонаноат холестерина 70% Пропионат . 10% Циономат . 20% 51,5-52 52-53 от 53,5 до 58 охлаждение из расплава 50,5-51,5 51,5-53 от 53 до 58 охлаждение из расплава

ния трения. Исследование показало, что напряжение трения до 10—3 Н/ма не влияет на свойства жидких кристаллов. Для ряда жидкокристаллических композиций определена скорость сублимации (количество испарившегося вещества в единицу времени с единицы площади поверхности) при Р = 0,7 Па (Р —

= 5-10 3 мм рт. ст.), фиг. 2 (*пл — температура плавления, (пв — температура изменения цвета).

Изучение химического состава жидкокристаллических композиций позволило получить на основании солей холестерил олеата, холестерил хлорида, холе-стерил-п-хлорбензоата набор композиций с температурами плавления: *ПЛ=29°С; 30°С; 34°С; 40°С; 45°С; 50°С. Эти композиции можно рекомендовать в качестве низкотемпературных жидкокристаллических термоиндикаторов для аэродинамического эксперимента, см. табл. 2.

Таблица 2

Цвет композиции до воздействия температуры Цвет после Температура плавления 1пл, °С

плавления Р= 1.0-105 Па, Р=0,0Ы05 Па

Зеленый прозрачный 29

Красный (оранжевый) прозрачный 30

Зеленый (голубой) прозрачный 34

Зеленый прозрачный 40

Зеленый прозрачный 45

Зеленый прозрачный 50

Такие термоиндикаторы нужны для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях в областях с низким уровнем тепловых потоков и для исследования теплообмена в трубах кратковременного действия. Результаты испытаний методических моделей, полученные при помощи жидких кристаллов, показали, что они могут применяться в качестве низкотемпературных плавящихся термоиндикаторов. На фиг. 3 приведено распределение теплового потока по размаху треугольного крыла при нулевом угле атаки.

При применении жидких кристаллов в трубах кратковременного действия существенным преимуществом является уменьшение толщины слоя термоиндикатора до 1—2 мкм по сравнению с термоиндикаторами плавления (15 — 20 мкм), благодаря чему уменьшается доля тепла, аккумулированная слоем индикатора, и тем самым повышается точность определения тепловых потоков.

Фиг. З

ЛИТЕРАТУРА

Ь Ардашева М. М., Ильина С. А., Ладыгин А. Н., Майкапар Г. И., Первушин Г. Е., Т ол м а ч е в а К. Ф. Применение плавящихся термоиндикаторов для измерения тепловых потоков к моделям в аэродинамических трубах. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 3, № 1, 1972.

2. Чистяков И. Г., Александров В. Н. Свойства холестерических жидких кристаллов. „Ученые записки", Ивановский Государственный педагогический институт, т. 77, 1970.

3. Ардашева М. М., Первушин Г. Е. Способ характеристик термоиндикаторных красок. Авторское свидетельство № 216159, 1968.

4. Ардашева М. М., Р ы ж к о в а М. В. Применение жидких кристаллов в тепловом аэродинамическом эксперименте. .Ученые записки ЦАГИ*, т. 7, № 4, 1976.

Рукопись поступила 10/Л 1978 г.