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液晶在电场和剪切耦合作用下的流变学行为-物理学报
物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 17 (2013) 176101
液晶在电场和剪切耦合作用下的流变学行为*
†
乔小溪 张向军 田煜 孟永钢 温诗铸
( 清华大学摩擦学国家重点试验室, 北京 100084 )
( 2013 年3 月27 日收到; 2013 年5 月28 日收到修改稿)
本文通过理论和实验对液晶5CB 在剪切和电场耦合作用下流变行为进行了研究. 采用液晶连续理论, 建立了包
括界面锚定能, 弹性自由能, 介电自由能和流动能在内的系统Gibbs 自由能公式, 通过最小化系统自由能的方法求解
液晶在剪切和电场耦合作用下的取向分布及其黏度变化, 从分子基础模型上揭示了液晶在耦合作用下的流变行为、
微观机理及其影响规律, 并通过流变测试对此进行验证. 对比分析了理论和试验结果的误差和原因, 发现界面锚定
效应对于液晶分子的取向和黏度具有重要影响. 理论和试验结果均表明, 液晶在电场作用下具有明显的电黏效应,
表现出非牛顿流变行为, 其黏度值由剪切和电场的竞争和耦合作用共同决定. 在外电场作用下液晶的黏度可以增加
到初始值的4 倍左右, 液晶这种其自身黏度可随着外场(例如运动速度) 改变的特性在一定的条件下可以自适应地
满足不同工况对黏度的要求, 这对实现智能摩擦润滑具有重要的意义.
关键词: 液晶, 流变行为, 电黏效应, 耦合作用
PACS: 61.30.Dk, 83.85.Cg, 66.20.Ej, 47.65.Gx DOI: 10.7498/aps.62.176101
级薄膜润滑区添加有液晶的润滑剂薄膜厚度比理
1 引言 6
论计算大3—5 倍. 姚俊兵等 指出液晶的减摩作
用根本原因是与液晶分子在边界层的吸附与有序
自从最早在仿生学的研究中发现液晶的独特
排列结构有关. 但是人们对液晶的流变行为的智能
润滑特性以来, 液晶以及液晶聚合物的微结构与润
控制及其对润滑影响的机理研究还不够. 液晶流变
滑性能的研究已经引起广泛的研究兴趣 1−10 . 液
特性的在线调控对于其在润滑的应用具有重大指
晶材料是一种处于流体和晶体之间的中间相, 既可
导意义. 例如液晶具有特殊的结构、介电各向异性,
以像流体一样流动, 同时具有晶体的有序性排列的
在电场的作用下其分子取向会发生改变, 进而影响
性质 1112 . 液晶的微结构以及分子取向可以通过
7
外场控制, 比如, 电场、磁场和流动场等1113 . 因 其黏度的变化; 液晶具有明显的电黏效应 , 其黏
度在电场的作用下可以增加到原来的4 倍左右. 这
而, 液晶可望成为一种“智能” 润滑材料, 实现可控
些都表明液晶的排列取向和黏度可以通过电场或
制的流变与摩擦学性质.
通常优良的润滑介质必须同时具备高的承载 剪切速率等对其进行控制. 目前, 许多研究者通过
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