热致液晶的物理性质.docx

热致液晶的物理性质热致液晶在液晶显示器件中得到广泛应 用它的物理参数，诸如介电各向异性、 电阻率、粘度、光学各向异性（双折射）、弹性常数等是显示器件设计的重要依据，而这些 物理参数又与液晶分子结构密切相关1）介电各向异性（△€） 液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的重要参数 Maier等人将Onsager各向同性液体介电性质的公式推广应用于各向异性的液晶，导出如下 公式：4占=引一吕丄=A • Aa - 0一3 cos '目 \ B式中£ 〃，£丄平行和垂直于分子轴方向上的介电常数；△ £ 介电各向异性参数；A，B 与材料无关的常数；M ―-永久偶极矩； a 极化度；T 绝对温度， K；卜一永久偶极矩与分子长轴之间的夹角这个表达式对于预测材料的介电各向异性有一定作用，但是很难用来计算液晶的介 电特性△£ > 0的液晶称为正性液晶；△£ <0的液晶为负性液晶，通常正性液晶△ £ =10 ~30,负性△ £ = -1~-2由上式可见，极化度对介电各向异性的影响是显著的在向列相液晶分子中，通常 都含有容易极化变形的苯环，沿分子长轴方向的极化度大于垂直方向的极化度，£ 〃〉£丄，△ £ >0o当分子结构中，用环已烷取代苯环时，n电子体系减少，极化度变弱，从而使！ £ 变小。

如果端基不是烷基，而是烷氧基，也会使极化偶极矩相互抵消，僦£变小2）电阻率一般热致液晶具有非离子结构，所以它的电导率总是很低[O <10-10（0 . cm）-1] o液晶的导电各向异性可以用来描述在向列相液晶中总是O 〃、/0丄〉1这反 映了在向列相液晶中，离子沿分轴方向的运动比垂直于分子轴方向的运动要容易得多而在 近晶相液晶中，离子运动在分子层隙间比较容易所以，O 〃、/0丄<1因此，可以从 液晶导电各向异性的变化分析液晶的相态在实际工作中，常用电阻率P代替电导率O , P =1/0 •液晶电阻率的数量级一般为1 08-101 2Q.cm在制备液晶时，电阻率常作为纯度的表征量p小（O大）表示杂质离子多， 即液晶的纯度差一般p <101 0Q .cm就认为其不纯在外场作用时，由于电化学分解会 破坏液晶分子结构，直至失去液晶性能，使液晶器件寿命大大降低实用液晶材料的p值一般取 1011—101 2Q .cm3）光学各向异性（双折射）（△» 光在液晶中传播时，会发生光学折射率（n）各向异性，即双折射当光通过向列相液晶时，非寻常光的折射率（ne）大于寻常 光的折射率（n0），即ne〉n0这表明光在液晶中的传播速度（v）存在着ve〈v0的关系， 即寻常光的传播速度大。

这种液晶在光学上称为正光性向列相液晶几乎都是正光性材料 而胆甾相液晶的光轴与螺旋平行，与分子轴垂直，非寻常光的折射小，即ne〈n0所以胆甾 相液晶称为负光性材料当向列相液晶的光轴用指向矢n描述时，n〃二ne ，n丄=n0，An = n〃- 口丄= ne— n0折射率（n）的大小受液晶分子结构影响，分子极度化度就是其中之一折射率与极化度的 关系可表示为：宓 2—叽「矶）才十2 3式中，N为向列相液晶的密度，沪=*（克? + 2朋）&Q分别是向列相液晶中，平行和垂直于分子轴方向上的极化度极化度主要由分子中存在没有参与成键的离域电子和n电子引起，所以，苯环 组成的液晶比相应的环已烷组成的液晶分子有更高的酯类液晶是非共轭体系，An比 联苯的小同样，不同的极性端基基团造成极化度变化例如，氟或烷基取代基对厶的贡 献比氰基小得多4）弹性常数K 液晶分子存在着一种从优取向，即指向矢在外场作用下，指向矢要发生变化取消外场时，由于分子间的交互作用，指向矢有恢复到原来平衡状态下 取向的趋势，这类形变称为弹性形变，它有三种形式，如图17所示液晶中的这种弹性形 变分别称为展曲、扭曲和弯曲用K11，K22和K33分别表示展曲、扭曲和弯曲弹性常数。

弯曲 扭曲 展曲向列相液晶三种基本形变一般来说，K33〉Kll〉K22，而且 K22/ K11 在 0.4-0.8, K33/ K11 在 0.7-1.8, K33 /K22在世1.3-3.2范围内变化至今还没有一种满意的理论可以从分子结构中预测弹性常数，还主要是使用经验数 据 K33/ K11 是最常用的弹性常数比值，端基为短链烷基或烷氧基的液晶分子， K33/ K11 值增高而增加液晶分子刚性部分的长宽比，也会增加K33/ K11芳烃和杂环体系要比相 应的环烷体系具有更低的 K33/ K115）粘度n 粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性假如在流动的流体中， 平行于流动方向，将流体分成不同流动速度的各层，则在任何相邻两层的接触面上，就有与 面平行而与流动方向相反的阻力，称为粘滞力或内摩擦力粘度可分为动力学粘度（用n表示）和运动粘度（用u表示）二者之间的关系为 u =n /p，p为流体的密度由于通常所用的大多数液晶材料的密度在0.98-1.02g/cm3之 间所以两种粘度数值之间的差别并不大动力学粘度的单位为Pa・s,运动粘度的单位为 m2/s粘度的测量方法有奥氏粘度计法、旋转法等。

通常所说的体粘度和旋转粘度是因测 量方法不同而得到的粘度它们都属于动力学粘度的范畴影响液晶粘度的因素很多，不仅随温度降低，粘度增加，而且与液晶的活化能相关 在相同的温度下，低活化能的液晶，具有低的粘度系数，粘度随温度变化也小从分子结构 上看，液晶分子的中心桥键，端基取代基的极性、极化度、分子中的n电子体系都明显地影 响液晶的粘度分子结构和性质的关系日期：2005-6-22 22:58:39 阅读次数:2975分子结构和性质的关系一般来说，细长棒状或平面结构对分子的平行排列有利，而分子的极性基 团或易极化的基团则关系到分子间的相互作用，进而影响相变温度 液晶分子的中心桥键对液晶性质的影响很大液晶的化学稳定性，首先取 决于中心桥键的性质，如苄叉（亚苄基）类液晶的中心桥键是一CH==N一，它易 于水解或氧化，对水极为敏感又如，偶氯化合物容易被氧化，特别是在光的作 用下其他如含有双键、三键的二苯乙烯二苯乙炔，肉桂酸酯等衍生物也易于被 氧化，并易聚合，化学稳定性相对较差，而且在紫外光下也可能会因聚合或裂解 而失去液晶的特性Gray 等人首次弃去液晶分子的中心桥键，合成了联苯液晶，它比其他液 晶稳定，说明中心桥键并不是构成液晶的唯一条件。

联苯液晶是目前最常用的一 种液晶液晶分子的空间构型影响液晶的热稳定性及其他特性二苯乙烯是平面构 型，氧化偶氮分子平面微微扭曲，苄叉液晶有较大扭曲，它们的清亮低于二苯乙 烯类氧化偶氮类的清亮点比较奇特，虽然它的晶体具有平面结构，很可能它在 液晶相时，分子排列转变为非平面结构，分子扭曲，导致分子刚性降低，致使清 亮点降低酯类液晶的微弱共轭作用使它具有最低的清亮点此外，二苯乙炔类 液晶因其分子轨道的共同轭作用，所以热稳定性高于苄叉类液晶一般来说，如果桥键连接是刚性的，有利于形成液晶相，支链端基则通常 较为不利端基链长的影响要微妙些如果分子的刚性部分导致强的各向异性相 互作用，那么增加键长不利于液晶相的稳定，如果刚性部分不引起强的空间阻碍， 增加链长有利各向异性的相互作用环数目增加，极大地增加液晶的热稳定性，例如：C4H?O C H=N ①比当n=l时，清亮点为121°C ；当n=2时，清亮点为297°C，类似的情况用多 环或稠环取代苯环，亦增加液晶的稳定性顺反结构对液晶的热稳定性也有很大影响由于反式构型分子具有线型的 刚性结构，因而呈现液晶相，而顺式结构分子为非线型和柔性结构，因而不呈现 液晶相［78，］ 它们的分子构型如图 18所示。

例如，许多偶氮化合物、肉桂酸酯、 氯代二苯烯、苯基环已烷、双环已烷类化合物的反式结构都是液晶，顺式则不是a.反式樹型如果取代基不是棒状分子的长轴方向上，而是以侧基的形式存在，对液晶的相变温度会带来明显影响在侧链或环侧面上引入一CH、-CI、一F、一CN等基3 团时，分子本身的共平面被破坏，并且分子宽度增加，使晶体结构不能形成紧密 堆砌，因而熔点下降；此外，分子间距离增加，又导致分子间作用力减小，清亮 点也下降更有甚者，在某些分子中，不管末端烷基或烷氧基的长度如何，侧链 上引入甲基、乙基等取代基，使分子间侧向吸引力减小，以致不能形成液晶相 在羧酸的情况下，氢键可以诱导液晶相行为，一般是经过二聚加长分子 如：.0：….H—U、—H •…0疔但是，氢键也可能导出非线型分子缔合体，而打破平行，因此苯酚化合物 不是液晶氢键缔合也可过强，以致于当固体到达熔点时，固体直接变成各向同 性的液体，这就是很好地解释了为什么胆甾醇不存在液晶相，而胆甾醇酯有液晶 相4-氨基-4〃 -硝基-三联苯（1）在300-301 熔融它没有液晶相，这个化 合物氨基上的两个氢都参与了分子间缔合然而取代的硝基化合物（ 2）只在 218-219°C熔融，而且是液晶相。

在这种情况下，分子内氨基的一个氢与一NO2 基团缔合，减小了分子间缔合力液晶光学器件利用液晶的电光效应，如 宾主效应、TN模式、STN模式，就能使其具有 快门或光开关的功能，如切换光的透射，遮断、控制透射光的强度等这种快门 缺点是不能完全遮断入射光，而且一般响应速度比较慢提高快门速度的方法有 双频率驱动法、电压调制法、三电极法以及铁电液晶高速开关效应等其应用的 实例有焊接面罩、立体电视用快门、液晶打印机等液晶快门原理还可以用于改变光透射面积的光学光圈及可调节光透射量 的调光器件等例如，将上下基板都印有同心半圆形的笔段电极适当组合，使电 压作用在同心圆形内，就构成了一种光学光圈调光器件的典型例子是高分子微 滴散射液晶显示(PDLC),可作电控电子窗帘和屏风此外还有用作汽车司机夜间 行驶防强光的液晶眼镜等如果构成液晶盒的两片导电玻璃不是平行,而是互相倾斜做成尖劈形状 (或将导电玻璃弯成曲面),控制入射光的偏颇振方向,液晶盒就可以当作有两 个偏振角的棱镜使用对它施加电压,可以使对应的非寻常光的折射率连续变化 到寻常光的折射率通过电压控制盒内液晶分子的取向,改变折射率,相应地也 就调节了焦距依据这样的原理可做成焦距可变的液晶透镜。

已开发的有电压- 透射光强度特性透镜,可变焦的微型透镜利用液晶折射率各向异性和液晶界面全反射原理,以及偏振光分束器和 TN 液晶盒造成偏振面旋转原理,可以制成光开关而在向列型液晶盒内设置对 称结构或非对称结构的电极,建立电场分布,利用液晶分子重新取向所产生的折 射率分布使光转向,则可以制作光束偏振器但这种器件因液晶层要增厚到一定 程度,在透射特性、响应速度上都有一定的难度液晶光阀可作为制作全息图的空间调制器它是借光寻址,可把液晶层 形成的图像放大投影到屏幕上的显示器件除采用液晶光阀外,液晶的空间调制 器还可以采用矩阵结构、电控双折射、或胆甾相-向列相的相变效应来制作全息 图此外,液晶的空间调制器还可以制成光逻辑进行逻辑或图像处理,也 可制作成光储存器,用于信息的写入与擦除液晶传感器液晶分子的排列容易受外部热、电场、磁场、压力等的影响，因此，一旦 受到外部刺激，液晶的光学等特性就随之变化利用这种性质，可以制作各种液 晶传感器常见的有温度传感器当液晶的螺距与折射率的乘积在可见光范围内时， 会呈现出特定的颜色，而绝大多数的胆甾相液晶的螺距是随温度变化的根据此 原理就可经制作出温度传感器传感器可以用两片玻璃片夹液晶做成液晶盒，作 为温度的探头，也可以用胆甾相液晶直接涂覆在被测表面上；还可以用一定的液 晶做成微胶囊，。