热致液晶的物理性质

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（Δε） 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：

式中 ε∥, ε⊥ 平行和垂直于分子轴方向上的介电常数；

Δε----介电各向异性参数； A,B-----与材料无关的常数； μ---永久偶极矩； α-----极化度； T-----绝对温度，K；

?---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。Δε> 0的液晶称为正性液晶；Δε<0的液晶为负性液晶，通常正性液晶Δε=10~30，负性Δε= -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，ε∥>ε⊥，Δε>0。当分子结构中，用环已烷取代苯环时，л电子体系减少，极化度变弱，从而使Δε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，使Δε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[σ<10-10(Ω.cm)-1]。液晶的导电各向异性可以用来描述。在向列相液晶中总是σ∥、／σ⊥﹥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，σ∥、／σ⊥﹤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ρ代替电导率σ, ρ=1／σ.液晶电阻率的数量级一般为108-101 2Ω.cm。在制备液晶时，电阻率常作为纯度的表征量。ρ小(σ大)表示杂质离子多，即液晶的纯度差。一般ρ＜101 0Ω.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ρ值一

般取1011-101 2Ω.cm。

（3）光学各向异性（双折射）（△n） 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

当向列相液晶的光轴用指向矢n描述时，n∥= ne ，n⊥ = n0，△n = n∥- n⊥=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：

式中，N为向列相液晶的密度，

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л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△n。酯类液晶是非共轭体系，△n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△n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> K11> 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/ K11。

（5）粘度η 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η表示）和运动粘度（用υ表示）。二者之间的关系为υ=η/ρ，ρ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π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

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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—CH==N—，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：

当n=1时，清亮点为121℃；当n=2时，清亮点为297℃，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。

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—CH3、-CI、—F、—CN等基团时，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：

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℃熔融，而且是液晶相。在这种情况下，分子内氨基的一个氢与—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