热致液晶的物理性质—中国光学光电子行业网

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；

ß---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10⁸-10^{1 2}Ω.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＜10^{1 0}Ω.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10¹¹-10^{1 2}Ω.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（n_e）大于寻常光的折射率（n₀），即n_e>n_0。这表明光在液晶中的传播速度（v）存在着v_e<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n_e<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_∥= n_e ，n_⊥ = n_0，△n = n_∥- n_⊥=n_e- n_0。

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> K_22，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。

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