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基于Micro-PIV技术的液晶流动测量研究

王永生  
【摘要】:液晶是介于固态和液态之间的一种特殊状态,不仅具有液体的流动性,还具有晶体的各向异性。这两种特性使得液晶在电、磁以及温度场的作用下会产生精确可控的微流动,使得将其作为微流体驱动的介质成为可能。为了探索液晶微流动的特点与形成机理,以及所形成的微流场的整体特征,本文搭建了适合测量液晶微流场的Micro-PIV系统并对电场及温度场引起的液晶微流动进行了测量,得到了较为满意的效果。(1)为了验证本系统的实验结果,本文进行了电场施加后所引起的液晶微流动的理论计算。结合基础流体力学的连续性与运动方程,其中运动方程中的粘性力项参照小分子向列相液晶的Leslie-Erickson理论,构造液晶流动基本方程组,并推导各向量矢的速度方程。利用MATLAB软件进行计算,并分析计算结果,分析内容主要是液晶盒厚度方向上速度剖面图的变化。(2)搭建了专用于观测液晶微流动的Micro-PIV系统,主要包括流场激发、流动观察记录两大部分。其中,流场激发部分包括显微镜热台,波形发生器及自制液晶盒;流动观察与记录部分包括荧光显微镜、CCD摄像头与台式电脑三部分。与普通Micro-PIV系统相比,本系统使用的示踪粒子必须为固体颗粒,且与液晶混合的浓度要小,具体浓度视不同实验而定。(3)利用所搭建的系统进行了电场诱起的液晶微流动流场测量实验。重点观察液晶盒侧面微流动速度的剖面图。实验所用液晶盒的制作是关键,通过ITO玻璃切割、清洗、涂层与配向的工序,将两片处理好的玻璃板拼成可垂直观察侧面流场变化的液晶盒。滴入混有一定浓度示踪粒子的液晶5CB,施加电场后,通过系统的流动观察记录部分记录了流动的整个过程,得到了瞬时流场的信息。(4)利用所搭建的系统进行了温度场诱起的液晶微流动流场测量实验。该实验是观察液晶缺陷随温度变化而发生的变化。此液晶盒制作包括ITO玻璃切割、清洗和组装,组装过程中需要在液晶盒中添加混合好的液晶和荧光微球混合液。然后,将液晶盒放在荧光显微镜下进行观察、录像。此外,也在偏光显微镜下观察了液晶缺陷的温度特性。(5)对实验数据进行处理,并就实验结果和理论计算结果进行了对比分析,对于电场诱起的液晶微流动测量结果,定性上,实验所测量的侧面流动速度剖面图形态与数值模拟所得数据相吻合;但定量上还存在一定差距。造成实验误差的原因主要为液晶盒的制作过程中盒厚度的控制精度不够,有待提高。温度场诱起的液晶微流动实验,由于市场上所购得的显微镜热台的运作存在控制精度不够,无法制冷的缺点,对于流动的具体过程控制精度不够,使得流场的测量存在困难。(6)针对以上的分析,本文的最后一章就实验设备的改善提出了可行的实施方案。针对液晶盒厚度精度问题,决定采购专业厚度仪进行控制,对前期实验所用液晶盒进行了测量,得到了基本数据,为实验的下进一步进行提供了数据支持。针对显微镜热台存在缺陷问题,自行设计了专用显微镜冷热台,可以精确控制整个实验的温度变化过程。通过温度传感器感应温度,单片机处理并控制加热元件升温或降温的方法控制保冷热台表面的温度,用来排除温度变化对实验条件的影响。目前,冷热台的制作过程进展顺利。


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