Plastic behavior of a smectic A liquid crystal

Comportement plastique d’un cristal liquide smectique A

Université de Paris-Sud, Laboratoire de Physique des Solides (L. A., C. N. R. S, n° 2), Bât. 510 — F 91405 Orsay, France.

Abstract

We have been interested to measure directly the elastic modulus B associated with isothermal layer compression in a smectic A liquid crystal; we use the experimental set up recently described [1], where we use essentially piezoelectric ceramics transducers to generate the strain and to measure the corresponding stress transmitted through the smectic layers. We have used a sample of octyloxycyano- biphenyl (8-OCB), on typical thickness of 100 μ. The response to a step-like applied strain is also a step-like stress, with a quasi complete exponential relaxation. We first analyse the zero delay amplitude of the stress signal. For dilation smaller than the undulation threshold [2], the stress-strain relationship is linear and gives B = 8.10⁶ cgs at T = 60° C. This value decreases with sample aging, by a factor of 4 after 2 weeks. Above undulation threshold, we do observe a kink in the stress-strain relationship. This kink is associated with the optical appearance of a pattern of parallel or square lines characteristic of the layer undulations. For larger strains, the stresses increase again linearly in strain. We then analyse the time dependence of the observed stress. The relaxation time of stresses is in the range of 20-50 msec. The undulated texture close to threshold relaxes in the same time. We attribute this relaxation to the climb of edge dislocations of small Burgers vector, which have been observed in an other work [3]. The residual stress after complete relaxation corresponds to a residual strain of one half smectic layer, value which cannot be suppressed by the motion of the smallest one layer edge dislocation. For larger strain, quasi permanent texture deformation are produced, always with an almost totally relaxing stress. These plastic deformations may correspond to the trapping of edge dislocations inside the large amplitude layer undulations.

Résumé

Nous nous sommes intéressés à la mesure directe du module d’élasticité B associé à la compression isotherme des couches dans un smectique A. Nous utilisons l’appareillage expérimental décrit récemment [1], dans lequel nous utilisons des transducteurs à céramiques piézoélectriques pour générer des contraintes et mesurer des déformations correspondantes transmises à travers les couches smectiques. On a utilisé comme produit l’octyloxycyano-biphényl (8-OCB) d’une épaisseur typique de 100 μm. La réponse à une contrainte en échellon unité est encore une impulsion suivie d’une relaxation exponentielle quasi complète. Nous analysons d’abord la réponse en temps zéro du signal de la déformation. Pour les signaux inférieurs au seuil d’ondulation [2] la relation contrainte-déformation est linéaire et donne B = 8.10⁶ cgs pour une température de T = 60° C. Cette valeur diminue quand l’échantillon vieillit, typiquement d’un facteur 4 après 2 semaines. Au-delà du seuil d’ondulation, on observe une nette variation dans la relation contrainte-déformation. Cette variation est associée avec l’apparition optique d’un réseau de lignes parallèles ou croisées caractéristique d’une ondulation des couches. Pour des contraintes supérieures, la déformation augmente encore linéairement avec la contrainte. En analysant la dépendance temporelle de la déformation observée, on mesure le temps de relaxation des déformations, de l’ordre de 20-50 msec. Tout près du seuil, la texture ondulée relaxe de la même manière ; on attribue cette relaxation à la montée de dislocations- coins de faible vecteur de Burgers, observées dans un autre travail [3]. La déformation résiduelle après relaxation complète correspond à une contrainte d’une demi-couche smectique sur l’épaisseur de l’échantillon. Cette valeur ne peut pas être supprimée par le mouvement de la dislocation-coin la plus petite (une couche). Pour des contraintes plus grandes, on produit des déformations de texture quasi permanentes toujours avec une relaxation presque totale. Ces déformations plastiques peuvent correspondre au piégeage de dislocation-coins dans les ondulations des couches de large amplitude.