液晶材料的特性及应用

1 绪论

近年来液晶材料得到了飞速发展，液晶现在已经走进了人们的日常生活，应用广泛也是人们所共知的，它正在不断地改变着人们的日常生活，我们生活中的许多电器都带有液晶器件如空调、冰箱、微波炉等，液晶电子表、液晶显示器、液晶传感器也是我们所熟悉的产品。液晶材料被广泛地用到了显示方面，通过近几年的发展，我国在液晶显示面板的生产技术上有了明显的提升，但上游配套产品却一直限制着产业的发展，在液晶材料市场中外资占有较大的比例，从中受益远比我国多。近年来，国家有关部门联合发布了有关新型液晶平板研发及产业化的有关通知，我国在液晶材料的发展中大概面临两方面困难：一方面，液晶厂商存在较高的技术壁垒，我国企业技术水平没有那么先进；另一方面，德国默克（Merck）、智索（Chisso）和DIC等企业建立了有关技术的专利阵营，使中国液晶技术的发展变得相对困难。液晶材料也在其他方面得到了应用，如应用于制备航天飞行器的外壳、用作润滑剂、也可用于医学诊断和药物的生产，现在有科学家正在研究将液晶材料用于人工智能、形状记忆、信息储存等新兴方面，可见液晶材料在未来的应用将会更加广泛。

本文通过对有关液晶的书籍、文献等材料的研究，总结出了液晶材料的特性和应用情况，并对一些应用给出了相关理论解释，最后对液晶材料的发展做出展望。

1.1液晶的发现

液晶的最早发现是在1888年，它由奥地利植物学家莱尼茨尔通过加热胆甾醇苯甲酸酯出现结晶发现的[1]。次年，德国的物理家莱曼用偏光显微镜发现这种结晶材料有双折射现象，后来他提出用“液晶”来命名这种材料，这两位科学家被人们认为是液晶领域的创始人。但在发现后的几十年间，液晶的研究并不被人看好，因为它长期以来没给人们带来太多的好处，直到上世纪60年代美国的Heilmeler[2]发现液晶动态散射效应，当他利用此效应研制出了第一台液晶显示器时，液晶的研究得到了人们的重视，这启发我们具体的应用能有力地推动基础研究的发展。

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1.2液晶的定义

物质的相态可划分为固态、液态和气态，晶态和非晶态是固态的两种划分。物质可随着外界条件的变化在这三种相态之间发生变化，称为相变。通常境况下，物质在这三种相态之间转变不会发生中间态，也就是不存在中间过渡的状态，例如液态在零度受冷变为固态冰，在液态时物质是无序列的，而变换成冰时就变的有序了。但是有些物质在某种条件下融化后，它的外观会像液态一样具有流动性，但却保留了熔融前物质的有序排列并能呈现出各向异性，我们把这种既有晶体又有液体性质的中间态叫做液晶态，在这种状态下的物质我们叫做液晶。

高分子液晶是将过渡相态的分子连接组成大分子，或者把它连接到聚合物框架上，但其仍保持液晶的性质。高分子液晶的结构由刚性和柔性部分组成，刚性部分一般会由两个苯环、脂肪环或者芳香杂环组成，这些环会由刚性连接单元连接，连接单元的一个作用是防止两个环的转动，刚性部分的外部则可以为其它柔软、易弯曲的极性或者非极性基团。

液晶分子的结构举例：

图1-1液晶分子结构

刚性连接单元为-N=N- 烃基-R为非极性基团，腈基-CN为极性基团。

1.3液晶的分类

由液晶形成条件的不同，可一般将其分为溶致型液晶、热致性液晶[3]。溶致型液晶是在一定的温度和浓度下，极性物质与某些溶剂在溶解的过程中，当其分子达到一定的浓度时，这些分子的序列变成有序随后成为了一个稳定的系统，这一系列的变化呈现出了一个过程即从结晶到液晶再到胶束液体然后再到溶液，溶致液晶是一个复杂的系统，在不同区域有不同的性质，显然这类晶体并不存在于纯物质中。热致性液晶一般由一种或少数化合物混合均匀形成，在一定的温度范围内才呈现出液晶相的性质。

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3 由刚性部分在液晶分子中的位置不同，连接次序也不同，可将液晶分子分为主链型和侧链型两种形态。主链型液晶的刚性部分在聚合物主链上，侧链型液晶的刚性部分由柔性链与聚合物相连组成，形状成梳状，可将侧链型液晶分为非双亲侧链液晶高分子和双亲侧链液晶高分子，主链型液晶和侧链型液晶在物理化学性质上有相当大的差异。

根据刚性分子堆积方式不同可将其分成向列型液晶、胆甾型液晶和近晶型液晶三种结构，如图1-2所示。

向列型液晶的特点是液晶分子沿长轴方向保持平行排列，但分子轴的指向不一定一致，可能上下交错，总体上向上的分子和向下的分子数目大致相同，分子有很大的流动性，呈现出一维有序，重心位置无序。这种结构特点可导致当液晶分子在电场、磁场影响下，分子朝相同的方向运动，表现为取向有序，这点和单轴晶体相似。因为分子的重心排列是无规则的，分子能在三维空间运动，分子运动方向不完全一致，取向规则程度用参数S 表示，则)1cos 3(212-><=θs θ为分子长轴和n 方向的夹角，< >表示取平均值，当S 取1时表示所有分子长轴都平行于n 方向，当3

1cos 2>=<θ时，S =0表示为无序态，若添加一些手性分子到此类分子中，在一定条件下可形成螺旋状液晶，向列型液晶在当今应用较广泛。

胆甾型液晶具有独特的光学性质，是向列型的一种特殊情况。分子排成一层一层，层内的分子和向列型分子特点相同，分子的长轴平行层的平面，但层与层的长轴有规律偏转呈现出螺旋状。正是由于螺旋状的作用，它可以选择反射某些波长的

图1-2 液晶的三种结构

光，这取决于光的入射角、反射角。

近晶型液晶和相列型不一样，它的特点是分子排列成层状，层内分子的长轴都相互平行且垂直于层平面，从外观上看，它和油脂状相似，具有较大的粘性。分子只能在层内滑动，而不能上下滑动，呈现出二维有序，这种类型的液晶具有较多的结构。

2液晶材料的特性

液晶相不同于固体相和液体相，它是液相和固相的一个中间相，这样的相态也促使它有许多优异的特性，例如液晶材料具有高强度、高模量、良好的阻燃性和耐热性以及电光效应、热光效应、各向异性等，正是由于液晶材料有这么多优异的特性才使它应用非常广泛。

2.1液晶材料具有高拉伸强度和高模量

热致性主链液晶有一个突出的特点就是容易在外力场中出现分子链取向的现象，在取向方向上拉伸强度和模量会有较大的提高[4]，这个特性使它非常适合做高性能的工程材料。例如，用聚对苯二甲酸对苯二胺和浓硫酸溶液作用后，可得到有名的kelvar纤维[5]，Kevlar纤维可用于飞机、火箭外壳、防弹衣等材料，其强度和模量比钢还要好10倍,而且密度也比钢丝小的多。

2.2液晶材料具有良好的耐热性和阻燃性

液晶的刚性部分通常是由芳环构成，所以相对来说其耐热性比较好。例如，Xydar的熔点高达四百多度，在空气中的分解温度也高达五百多度，明显比其它多数塑料耐热性要好。另外，大量的芳香环也使其有较好的阻燃性，被广泛用在电路板、接线板、传感器护套等。

2.3液晶材料具有良好的电性能和加工成型性

高分子液晶有较高的绝缘强度、较低的介电常数和膨胀因子，受温度的影响较小，也有较低的导热和导电性。由于分子中有柔性部分，其易发生滑动，压力也较

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