外场作用下双轴高分子液晶流的动力学方程构建与流动模式的动态研究

双轴高分子液晶材料中各种形式的缺陷大大降低了材料的性能，有效控制双轴分子方向配置是解决该问题的有效途径。本项目从描述单轴高分子液晶流的Doi-Hess经典理论出发，选择能够描述高分子液晶双轴性的最佳势能函数并计入外场与双轴分子场的相互作用，构建外场作用下双轴高分子液晶流的动力学方程，该方程与二阶有序度张量元满足相容性原则。采用有限元差分法对动力学方程进行数值模拟，计算分析剪切流、伸长流以及外磁场作用下，双轴分子平均指向的动态过程，各种流动模式间的相变及临界剪切率和磁场强度，负的第一法线应力差的负值区域和粘性系数随外场的变化情况。通过研究，展示双轴高分子液晶丰富的物理现象，揭示外场与双轴分子场相互作用的物理机制与规律，从理论上实现通过调节外加磁场的方向和强度来间接控制双轴高分子液晶材料性能的目的，为双轴高分子液晶材料应用研究奠定理论基础。

项目组按原计划开展了研究，并取得了预期的研究成果，完成了各项考核目标。到目前为止发表SCI学术论文5篇，EI论文1篇，接收待发表SCI学术论文1篇；培养研究生3名。取得成果总结如下：.1.利用Doi-Hess理论研究了外磁场对高分子液晶流的应力影响。当磁场沿着剪切流的方向作用于高分子液晶流时，由于周期性振动的消失导致负的第一法线应力差N1在所有的剪切流范围内转变为正值。而且粘性系数 平均值的斜率在低剪切率范围内变化陡峭，这主要是由于外场作用下，新的稳定状态出现而导致的结果。当磁场沿着垂直于剪切流的方向作用于高分子液晶流时，外磁场产生的力矩与剪切流产生的力矩相互垂直，这就导致了第一法线应力差更为复杂的变化。第二法线应力差于第一法线应力差的比率随着磁场强度的增加而增加。.2.研究外磁场对盘状高分子液晶相变图的影响。考虑到Doi理论的近似计算会影响到负的第一法线应力差的计算，因而我们采取直接求解的方式进行计算模拟。由模拟结果可以发现，盘状高分子液晶与棒状高分子液晶一样具有tumbling, wagging 和aligning 三种相变形式，并且在外磁场的作用下，新型的aligning模式依然出现在低剪切率范围内，并随着外磁场的增加，tumbling和wagging领域逐渐消失。当外磁场平行于剪切流时，第一法线应力差N1随磁场变化较为复杂，变化趋势与棒状高分子液晶的变化趋势正好相反。当外磁场垂直于剪切流时，随外磁场的增加第一法线应力差全部变为负值，而第二法线应力差的变化趋势与第一法线应力差恰好相反。.3.数值模拟了外磁场对LCPs分子取向的影响。 (1) LCPs分子取向被限制在流动面内；(2) LCPs分子取向与流动面成任意角。研究结果发现外磁场的强度及方向强烈影响各流动模式之间的相互转换，数值模拟出各相变的临界磁场强度；探讨外磁场、流动场与液晶分子之间相互作用的物理机制。(3)实际高分子液晶的分子链长度是有限的，因而通过改变分子链的长度与直径之间的比值可以进一步考虑LCPs分子的形状系数对棒状高分子液晶动力学的影响。研究发现，在外场作用下每个分子不再转动，而是完全朝外磁场方向排列的模式，即新型alinging模式仍然存在。随着外磁场的增加，tumbling区域消失，而wagging区域不但没有消失并向高强度剪切场区域内移动，这与分子形状系数为1.0的结论恰好相反