2.3液晶态结构
液晶电光效应综合实验实验报告
液晶电光效应综合实验实验报告液晶电光效应实验报告Guizhou Minzu University液晶电光效应实验实验题目：液晶电光效应实验学院(系)：信息工程学院专业：光电信息科学与工程年级：2013级姓名：学号：完成时间：2016年6月6日一、实验目的1．学习液晶的电光效应原理；2．测量液晶光开关的电光特性曲线；3．由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。
二、实验仪器仪器二、实验原理 2.1 液晶液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性，粘度，形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。
液晶与晶体，液体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子有取向序，但无位置序；晶体则既有取向序又有位置序。
液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
热致液晶又可分为近晶相，向列相和胆甾相。
其中向列相液晶显示器件的主要材料。
2.2液晶电光效应液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场（电流），随着液晶分子取向结构发生变化，其光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（SD）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）型、电控双折射（ECB）等。
其中应用较为广泛的有：TFT型—主要用于液晶电视，笔记本电脑等高档产品；STN型——主要用于手机屏幕等中档产品；TN型——主要电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低端产品，是目前应用最广泛地液晶显示器件。
TN 型液晶显示器件显示原理较为简单，是STN TFT 等显示方式的基础。
本实验所用的液晶样品即为TN型。
2.3 TN型液晶盒结构TN型液晶盒结构是在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向列相液晶薄膜层，四周用密封材料（一般为环氧树脂）密封。
玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是以薄层高有机分子，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃板表面，沿定向处理的方向排列。
非晶态与取向态液晶态与织态结构
液晶基元包括棒状(条状)、盘状或双亲性分 子
棒状(或条状) 盘状 双亲性分子
长径比大于4 轴比小于1/4 有特殊的相互作用力
C5H11
2nm
CN
5CB C18oN36oI
2.5nm
0.5nm
C H 3 O
C HN
C 4 H 9
MBBA C22oN47oI
R
R
R R
R R
R= H2n+1Cn CO O H2n+1Cn O H2n+1Cn O
选定取向单元（例如高分子主链轴、高聚物结晶主 轴），然后选择取向度的参考方向，如拉伸方向。用 广角X射线衍射仪获取样品的衍射图，取赤道线上 Debye环（常用最强环）的强度分布曲线的半高宽 （单位为“度”），计算聚合物样品中高分子链及微 晶体的取向度：
式中，Π为聚合物样品中高分子链及微晶体沿样品 被拉伸方向的取向度，H°为赤道线上Debye环强度 分布曲线的半高宽度。Π值没有明确物理意义，只能 做相对比较的参考数据。
(2)双折射法表征纤维的取向度
用偏光显微镜观测浸于油中的纤维。“浸油”是已知折光指数的 油剂。变换不同折光指数的油剂浸泡纤维并置于偏光显微镜上进 行观测，直至偏光显微镜目镜中不再出现纤维和浸油界面因折射 率不同而出现的黑线带（贝克线）为止。此时，浸油的折光指数 就是纤维在某一个方向的折光指数（例称为n││）。旋转载物台90 度，用同样的方法测定纤维垂直于前一方向的折光指数（例称为 n┴）。纤维在二个相互垂直方向折光指数的差值Δn，可以用来定 性表 该纤维的取向度。
取向对性能的影响
( the effect of orientation on polylmer properties) 高分子材料取向后，拉伸强度、伸长率、疲劳强度大
《液晶态与织态结构》课件
在制造、建筑等领域，织态结 构的应用可以提高材料的强度
、韧性和耐久性等性能。
04
液晶态与织态结构的相互影响
液晶态对织态结构的影响
液晶态的各向异性
液晶态物质的分子排列具有方向 性，这会对织态结构产生影响， 导致纤维、薄膜等材料的力学、 光学和电学性能发生变化。
液晶态的流动性
液晶态物质的流动性使得其在织 态结构中能够进行分子重排和流 动，从而影响织态结构的稳定性 和形态。
织态结构对液晶态的影响
织态结构的约束作用
织态结构对液晶态物质的分子排列具 有约束作用，限制其自由流动和取向 ，从而影响液晶态的相变和性质。
织态结构的导电性
织态结构中的纤维或薄膜等材料可能 具有导电性，这会影响液晶态的电学 性质，如电场对液晶分子的作用和液 晶的导电行为。
液晶态与织态结构的相互作用机制
织态结构的特点
多组分、多层次、多相态
高度有序性
织态结构由多种组分构成，这些组分在空 间上按照一定的层次排列，形成复杂的相 态结构。
织态结构的空间排列方式具有高度的有序 性，这种有序性可以影响物质的物理、化 学和生物学性质。
时间动态性
形成和演化复杂性
织态结构不是静止不变的，而是随着时间 和环境条件的变化而发生演化。
实验方面也面临诸多挑战， 如如何制备高质量的液晶材 料、如何控制液晶的排列和
取向等。
此外，液晶态与织态结构在实 际应用中还需要解决一些问题 ，如稳定性、可加工性和可重
复性等。
液晶态与织态结构的研究前景
随着科技的不断进步和研究的深入，液晶态与织 态结构的研究将有望取得更多的突破性进展。
未来，研究者将更加关注液晶材料的合成和制备 方法，探索更加高效和环保的制备途径。
简述高分子液晶材料的结构特点
简述高分子液晶材料的结构特点0808010229 金俊摘要：液晶相是不同于固相和液相的一种中介相态。
本文系统地阐述了液晶高分子的分类及其结构特点，并用具体例子或者相应结构示意图形象说明。
关键词：液晶高分子、分类、结构引言：液晶高分子（简称LCP）是近几十年年迅速发展起来的新型高性能高分子材【】料，因具有独特的结构和优异的性能而引起世界各国的高度重视1。
与普通高分子材料不同，其最大特点是在一定条件下能形成液晶态，此时分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有某种程度的长程有序性。
高分子液晶的研究已成为高分子学科发展的一个重要方向。
随着高分子液晶材料合成研究的迅速发展,人们对高分子液晶的结构和性能研究产生了极大兴趣,并取得了很大的成就。
1 液晶高分子的分类液晶是一类具有特殊性质的液体，既有液体的流动性又有晶体的各向异性特征。
现在研究及应用的液晶主要为有机高分子材料。
一般聚合物晶体中原子或分子的取向和平移都有序，将晶体加热，它可沿着2 个途径转变为各向异性液体。
一是先失去取向有序而成为塑晶, 只有球状分子才可能有此表现, 另一途径是先失去平移有序而保留取向有序，成为液晶。
研究表明, 形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构，同时还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的结构因素，这种结构特征常常与分子中含有对位次苯基、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系【2】。
1.1 根据液晶分子结构特征根据刚性部分在分子中的相对位置和连接次序，可将其分成主链型高分子液晶和侧链型高分子液晶。
在高分子液晶中，刚性部分如果处于聚合物主链上，即为主链型液晶；刚性部分如果是由一段柔性链与聚合物主链相连．成梳状，即为侧链型液晶。
在物理化学性质上方面，主链型液晶与侧链型液晶表现出相当大的差异。
1.2 根据液晶形态【3】根据刚性分子链堆砌所形成的物理结构，可分为三种织态结构：即向列型液晶、近晶型液晶和胆甾型液晶(图1)。
在近晶型液晶中，棒状分子形成层状结构，每个分子都垂直于层面或与层面成一定角度排列。
液晶面板显示模式介绍
三、广视角技术
观察角度不同,获得的亮度不同
1.广视角分类：
TN+Film相位补偿方式 共面开关（In-Plane Switch, IPS）模式（日立的SuperIPS和现代电子的FFS(Fringe Field Switching)液晶模式 则是IPS的改进 ） 多畴垂直取向（Multi-domain Vertical Alignment, MVA ）模式（三星公司的PVA(Patterned Vertical Alignment)模式及夏普公司的ASV(Advanced Super V)模 式是MVA模式的延伸） 其它还有松下的OCB(Optical Compensated Birefringence)及NEC的SFT(Super-fine TFT)技术等等
CF Pixel Array: 马赛克式:：显示AV动态画面 直条式：较常显示文字画面,(Note Book)
面板Array:
单一画素结构：
TFT工作原理： TFT为一三端子元件，在LCD应用上可视为一开关 液晶组件的作用类似一个电容，藉Switch的 ON/OFF对电容储存的电压值进行更新/保持。 SW ON时信号写入(加入、记录)在液晶电容上，在 以外时间 SW OFF，可防止信号从液晶电容泄漏。
(1)Vgs>Vth：讯号读取
TFT组件在闸极(G)给予适当电压(VGS>起始电压Vth,注), 使通道(a-Si)感应出载子(电子)而使得源极(S)汲极(D)导 通。 【注】：Vth为感应出载子所需最小电压 。
(2)Vgs<Vth：讯号保持 当Vgs小于起始电压时没有感应出载子则通道成断 路。
IPS模式特性：
1.无论是垂直还是水平方向，±80º 内均没有阶调反转现象。 2.电压保持率很高。 3.视角特性的方位对称性不佳。在某些方位角视角范围不够宽。 4.开口率小，透过低。
高分子的液晶态结构课件
形成条件
需要达到一定的分子量和 溶剂条件，才能使高分子 材料形成液晶态。
分类
根据形成方式和结构特点 ，高分子液晶态可分为多 种类型，如近晶型、向列 型和胆甾型等。
高分子液晶态的分类
近晶型液晶
高分子链在晶格中以平面方式排 列，具有高度的有序性和稳定性
添加剂和填料
在高分子材料中添加特定的添加剂和填料可以促进或抑制液晶态的形成 。这些添加剂和填料可以改变高分子间的相互作用力和排列方式。
03
加工条件
高分子液晶态的形成还受到加工条件的影响。例如，温度、压力、剪切
速率等加工条件可以改变高分子材料的结晶度和液晶态结构。
高分子液晶态形成的研究进展
新材料设计
高分子液晶态的理论研究
总结词
通过理论计算和模拟，深入理解高分子液晶态的形成机制和 结构特性。
详细描述
理论研究者利用计算机模拟和数学模型，对高分子液晶态的 形成机制、相变行为和结构特性进行深入研究。这些理论研 究不仅有助于揭示高分子液晶态的本质，还能为实验研究和 应用提供理指导。
高分子液晶态的应用拓展
有助于推动相关领域的发展。
01
高分子液晶态的结 构
高分子液晶态的微观结构
分子排列
高分子液晶中的分子以一定的方式排列，形成有 序的结构。
分子取向
高分子液晶中的分子具有特定的取向，通常沿着 某个方向排列。
分子间相互作用
高分子液晶中的分子间存在相互作用，这些相互 作用对液晶态的结构和性质产生影响。
高分子液晶态的介晶结构
介晶单元
高分子液晶中的介晶单元是由多个分子组成的，这些分子以特定 的方式排列，形成有序的结构。
高分子物理课件第二章
2、同质多晶现象
聚乙烯的稳定晶系是斜方晶系，拉伸时可形成 三斜或单斜晶系。
同质多晶现象：由于结晶条件的变化，引起分 子链构象的变化或者堆积方式的改变，一种聚合 物可以形成几种不同的晶型。
形成的晶型不同，聚合物所表现出来的性能 也不相同。
3、 聚丙烯的晶胞结构
基于内聚能的加和性，即原子或基团摩尔吸引力常 数Gi的加和
CED
Gi
i
M0
CED与高聚物物理性质之间的关系
a. CED < 300 J/cm3时（70cal/cm3） 聚合物都是非极性的，分子间作用力主要是色散力，比较 弱，分子链属于柔性链，具有高弹性，作橡胶使用。 b. CED > 400 J/cm3时（100cal/cm3） 聚合物都是极性的，由于分子链上有强的极性基团或分子 间能形成氢键，分子间作用力较强，加上易于结晶和取向， 作纤维使用 c. 300 J/cm3 < CED < 400 J/cm3时（70-100cal/cm3） 聚合物的分子间作用力居中，适宜作塑料使
但是在用X射线研究聚合物的凝聚态结构时，人们 发现：聚合物内部确实存在着三维有序的规整结构。
结晶聚合物最重要的实验证据为:
x射线衍射花样(图)——一系列同心圆(德拜环) （非晶聚合物—弥散环或称无定形晕） 衍射曲线—尖锐的衍射峰 (非晶聚合物—很钝的衍射峰)
实验证明：如果高分子链本身具有必要 的规整结构，同时给予适宜的条件(温度等)， 就会发生结晶，形成晶体。
纤维（>100）
解释PE的 CED < 300J/cm3 却作为塑料使用，Why？ PE分子链的结构非常规整，很容易结晶， 从而使材料具有一定的强度，作为塑料使用。
《高分子物理》复习提纲(1)
《高分子物理》复习提纲第1章高分子链的结构一、概念：构型与构象、链段、均方末端距、等规立构与无规立构、顺反异构、链的柔顺性、高斯链、无扰尺寸、热塑性弹性体二、知识点：§1.1组成与构造●高分子结构分为高分子链结构和与高分子聚集态结构。
●高分子链的结构指高分子的结构和形态。
包括：①化学组成、构造、构型、共聚物的序列结构，为近程结构或一级结构。
②分子的大小与形态，为远程结构或二级结构，如伸直链、折叠链、钜齿链，螺旋链、无规线团。
●高分子聚集态结构（三级结构）是指高分子链之间的几何排列和堆砌状态。
包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构以及织态结构。
●高分子链结构决定的聚合物的基本性能特点，凝聚态结构与材料的性能有着直接关系。
1、第二页的※表1-1，一些常见高分子的化学结构、缩写和俗称。
2、构型（configurafiom）指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列。
这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。
旋光异构几何异构和链接异构。
●旋光异构：全同立构(或等规立构)、间同立构(或间规立构)、无规立构。
由于内消旋或外消旋作用，即使等规度很好的高分子也没有旋光性。
一般自由基聚合只能得到无规立构聚合物。
只有用特殊催化剂如Ziegler-Natta催化剂进行配位聚合得到有规立构聚合物。
例如：全同PS的结晶T m=240℃；无规PS为不结晶，软化温度T b=80℃。
全同或间同的聚丙烯，结构比较规整，容易结晶，可纺丝做成纤维，而无规聚丙烯却是一种橡胶状的弹性体。
几何异构(顺反异构)例如：用钴、镍和钛催化系统可制得顺式构型含量大于94%的聚丁二烯称作顺丁橡胶。
分子链与分子链之间的距离较大，不易结晶，在室温下是一种弹性很好的橡胶。
用钒或醇烯催化剂所制得的聚丁二烯，主要为反式构型，分子链的结构比较规整，容易结晶，在室温下是弹性很差的塑料。
又如：1.4、-顺式异戊二烯98%的天然橡胶Tm=28℃，Tg=－73℃，柔软弹性好。
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R=
(CH2)2
O
(c) 液晶基元
液晶基元的长度增加，通常使液晶相温度加宽，稳定性提高。
CH3 CH2 C
n
OC
O (CH2)6 O COO OCH3
Tm=309K, Ti=374K, T=65K
液晶基元加长
CH3 CH2 C n OC O (CH2)6O COO OCH3
Tm=333K, Ti=535K, T=202K
O C O （ 2）x-2 C CH O O C C CH H
3
n
x=8~14时一般为向列型液晶；x=13,14时还能呈现近晶型液 晶相。随着x的增加，熔点Tm和清亮点Ti呈下降趋势。但柔 性链段含量太大，最终也会导致聚合物不能形成液晶。
(b) 侧链型液晶高分子
柔性间隔段：柔性间隔段的引入，可以降低高分子主链对液晶 基元排列与取向的限制，有利于液晶的形成与稳定。
O O CH2 C
n
C
(CH2)x
O
CN
H
x=2时，不形成液晶；x=5,11时，呈现近晶型液晶行为。
主链：主链柔性影响液晶的稳定性。通常，主链柔性增加，
C
n
差
CH2
C
n
好
COOR
COOR
Tm=368K, Ti=394K, T=25K
Tm=320K, Ti=350K, T=30K
2.3.5 液晶的表征和应用
Polarized-light microscopy 偏光显微镜
液晶态的表征
DSC – Differential scanning clarometry 示差扫描量热法 XRD - X-ray diffraction X射线衍射 液晶原位增强聚合
液晶的应用
液晶显示 LCD- Liquid crystal display 液晶纺丝：在低牵伸倍数下获得高 度取向、高性能纤维。
热致液晶：通过加热而形成液晶态的物质 ---- 共聚 酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum
2.3.4 高分子结构对液晶行为的影响
液晶的化学结构直接影响其形成的可能性、相态和转变温度。
（a）主链型液晶高分子
链的柔顺性是影响液晶行为的主要因素。 完全刚性的高分子，熔点很高，通常不出现热致型液晶，而 可以在适当溶剂中形成溶致液晶。 在主链液晶基元之间引入柔性链段，增加了链的柔性，使聚 合物的Tm降低，可能呈现热致型液晶行为。
2.3
内容：
液晶态结构
高分子液晶的结构和性质 液晶态的结构 教学目的： 了解液晶的结构特征和形成条条件以及高聚物 液晶的应用
2.3.1 液晶概念
有序流动的液体
晶体三维有序
液晶
液态的无序
一些物质的结晶结构受热熔融或被溶剂溶解后，表观上虽 然变成了具有流动性的液体物质，但结构上仍然保持着晶体 结构特有的一维或二维有序排列，形成一种兼有部分晶体和 液体性质的过渡状态，这种中间状态称为液晶态。
盘状液晶基元
棒状液晶基元
•液晶的结构特点
刚性分子结构，分子长径比》1 强极性基团、氢键、对位苯撑（高度可
极化基团）
液态下维持分子的有序排列的力
柔性部分
流动性
4，4’－二甲氧基氧化偶氮苯
例：
熔点：116℃
加热到熔点，浑浊的液体，具有双折射的性质；升温到 134℃（清亮点），透明液体
热致液晶
高分子液晶融合了聚合物和小分子液晶的特点。 聚合物的链段上含有小分子液晶的化学结构，能表现 液晶的性质同时还兼有聚合物的其它性质。
液晶小分子
高分子量
液晶高分子
液晶相序
特 性
液晶高分子的高强度、 高模量、高流动
2.3.2 液晶的化学结构特点
结 构
液晶包括高分子和小分子液晶。不论高分子还是小分子，形 成有序流体都必须具备一定条件，从结构上讲，称其为液晶 基元。 基本的热致液晶分子一般具有刚性的棒状盘状板状等几何形 状凝聚在一起，由于不对称的分子间作用力形成取向排列。
Kevlar – PPTA
O C O H C N H N
n
LCD – Liquid crystal display
液晶聚合物 分子模型
主链液晶聚合物分子模型
侧链液晶的分子结构示意图
分子排列的形式和有序度的不同，液晶有三种不 同的结构类型：向列型、近晶型和胆甾型。
按液晶形成条件分类
溶致液晶：在某一温度下，因加入溶剂而呈现液晶 态的物质 ---- 核酸，蛋白质，芳族聚酰胺PBT, PPTA (Kevlar) 和聚芳杂环PBZT, PBO
2.3.3液晶的分类 主链液晶
侧链液晶 按液晶基元 所在位置分 主侧链液晶
向列相N：只有方向序无位置序
分 类
向列型
按分子排列的形 式和有序性分
近晶型 胆甾型
近晶A相SA：有位置序和方向序
近晶C相SC：有位置序和方向序 且既有层面的法向方向又有晶核 的共分方向
按液晶的形成 条件分
溶致液晶：液晶物质溶于溶剂所得 到的液晶。 热致液晶：液晶物质加热熔融形成 的液晶。