第1章绪论
　　1.1液晶及液晶显示
　　液晶是物质的一种状态，早在1888年被奥地利植物学家和化学家Reinitzer发现，1889年被德国物理学家Lehmann证实，并提出了“液晶”的概念。但是经过二三十年的发展，尤其是1910～1925年一些新液晶态被发现后，液晶才逐渐被科学界所接受。由于液晶是一种介于各向同性液体和各向异性晶体之间的物质状态，不仅具有液体的流动性，而且具有晶体的光学各向异性（双折射率），故被称为液晶（liquidcrystal）。自液晶被发现，人们就逐渐开始进行液晶相关理论的研究。例如，Winner等发展了液晶的双折射理论，Bose提出了液晶的相态理论，Oseen等创立了液晶的连续体理论，Grandiean等研究了液晶分子取向机理及织构等。
　　液晶作为一种有趣的物质存在状态，深受全球各地科学家的广泛关注。例如，1933年苏联科学家Freedericksz发现了液晶的Freedericksz转变，法国化学家Friedel完成了液晶的分类，Lichtennecker等提出了液晶的介电各向异性，Kast提出了正性液晶和负性液晶的概念等。继1888年胆甾醇苯甲酸酯首先被发现后，德国化学家Vorl.nder等于1908年首次合成了近晶相液晶化合物，并提出液晶相的出现与化合物的分子结构有关，他发现具有液晶相的化合物都具有近似直线的分子结构。19世纪20年代，Gattermann合成了具有偶氮结构的液晶化合物——氧化偶氮茴香醚和氧化偶氮苯乙醚，但是研究发现该类化合物因稳定性差而难以实际应用。
　　随着液晶基础理论研究的深入，研究人员越来越重视液晶材料的应用研究。1968年，N-（4-甲氧基苯亚甲基）-4'-丁基苯胺[N-（4-methoxybenzylidene）-4-butyl-aniline，MBBA]作为首*室温液晶态化合物被研究报道。同年，这类液晶材料被美国无线电公司（RadioCorporation　of　America，RCA）Heilmeier博士应用于动态散射模式的液晶显示器（dynamic　scattering-liquid　crystal　display，DS-LCD），虽然只是简单显示，但是这一成果是世界上基于液晶材料光电效应的第一套液晶显示器，展现出广阔的应用前景，震动了业界，引起了科学界的广泛关注。
　　1971年，Schadt等[2]发明了扭曲向列相液晶显示技术，随后Gray等合成了另一个室温向列相液晶化合物——4'-戊基-4-联苯腈（5CB），它被广泛应用于日本Sharp和Seiko-Epson开发的扭曲向列型液晶显示器（twisted　nematic-liquid　crystal　display，TN-LCD），使得液晶显示技术迅速进入工业化阶段。1984年，Scheffer发明了超扭曲向列相显示技术（super　twisted　nematic-liquid　crystal　display，STN-LCD）[3]，克服了早期TN-LCD在视角、显示容量等方面的不足。1985～1987年，STN-LCD实现了大规模工业化生产，并于1990年开始实现了彩色STN-LCD在笔记本电脑上的应用。为了满足STN-LCD需求的高弯曲/展曲弹性常数比（K33/K11），烯烃类液晶化合物逐步被开发出来，并主要应用于该类液晶显示器。
　　1980年以来，薄膜晶体管液晶显示（thin　film　transistor-liquid　crystal　display，TFT-LCD）技术在主动矩阵型显示（active　matrix-liquid　crystal　display，AM-LCD）技术的基础上，发展成为有源矩阵薄膜晶体管型液晶显示器（AM-TFT-LCD），可以分为四种显示模式[4-8]：扭曲向列（twisted　nematic，TN）型显示模式、垂直排列（vertical　alignment，VA）型显示模式、面内开关（in-plain　switching，IPS）型显示模式和边缘场开关（fringe　field　switching，FFS）型显示模式。伴随含氟液晶化合物的大量开发，基于含氟液晶材料的AM-TFT-LCD在1989年实现了规模化生产，1991年日本夏普公司研制了世界上第一台14英寸①彩色TFT-LCD，开创了液晶显示器的历史。液晶显示器从此真正进入高画质、真彩色显示的新发展阶段。随着液晶显示技术的进步，IPS-TFT-LCD和VA-TFT-LCD相继在1996年和1998年实现工业化生产，大尺寸（65寸②以上）液晶电视在2001年进入市场。由于IPS显示模式存在透光率、亮度、对比度等方面的不足，FFS型显示技术被成功开发并广泛应用于TFT-LCD。液晶显示器问世以来，不断有新型液晶化合物[9-11]被开发并应用于显示模式逐步优化的LCD（表1-1），这极大地改善了人们的工作条件，丰富了人们的生活。
　　液晶材料在显示领域取得了举世瞩目的成就，同时，基于向列相液晶、聚合物分散液晶、多稳态液晶、蓝相液晶（bluephaseliquidcrystal，BPLC）、双频液晶、铁电液晶、反铁电液晶的显示器都有研究和应用报道。其中，基于向列相液晶的显示器目前*成熟，市场占有量*大。
　　1.2液晶材料的性能及表征方法
　　了解液晶材料的各项物理性能及其构性关系是开展应用基础研究的前提，也是开发新型液晶材料的重要依据。液晶态物质表现出各向异性特性，如光学各向异性（双折射率）、介电各向异性、反磁各向异性等，同时还具有黏度①和弹性常数等，这些参数决定了与之相匹配的液晶显示器类型。液晶材料包括液晶化合物材料和混合液晶材料，显示用液晶材料是指混合液晶材料，其重要的物理性能包括液晶相变温度（Tm和Tc）、双折射率、介电各向异性、电阻率、旋转黏度、弹性常数（K）等。其中，有些物理性能可以通过经典设备进行测试，例如液晶材料的相态和相变温度可以通过偏光显微镜、差示扫描量热仪和X射线衍射仪等表征，而有些物理性能则只能通过专业设备或者组装设备进行表征，如弹性常数。
　　1.2.1介晶性能
　　液晶材料的介晶性能指的是液晶相态和液晶相变温度。液晶材料可以呈现不同相态，通常通过偏光显微镜（polarized-light　microscope，POM）观测各种液晶相特有的双折射光学织构，进而确定液晶相态。液晶织构特征由材料的不同缺陷结构引起[13]，如待测液晶层的厚度、杂质、表面等均可导致位错与相错，进而使其产生丰富的液晶织构。常见的液晶织构[14]包括纹影织构、丝状织构、焦锥织构、扇形织构、镶嵌织构、指纹织构等，通过液晶织构可判断液晶态的存在及其类型，探索液晶内部指向矢场的变化规律。一般而言，纹影织构/丝状织构（schlieren　or　thread-like　texture）、大理石纹织构（marble　texture）属于向列相（nematic　phase），简称“N相”；焦锥织构（focalconictexture）、镶嵌织构/马赛克织构（mosaic　texture）属于近晶相（smectic　phase），简称“S相”；指纹织构（fingerprint　texture）是胆甾相（cholesteric　phase），简称“Ch相”，均为典型液晶织构。
　　图1-1是液晶材料所呈现的纹影织构向列相和焦锥织构近晶相POM照片。对于非经典液晶织构和难以辨别的液晶相态，可以运用X射线衍射仪（X-raydiffractometer，XRD）测试液晶相特有的衍射峰，进而分析确认液晶相态。
　　图1-1液晶材料的纹影织构向列相和焦锥织构近晶相POM照片
　　液晶材料的相变温度是指化合物不同相态之间的转变温度，固态向液晶态转变的温度称为熔点，液晶态向各向同性液体转变的温度称为清亮点T（Tc），液晶相态之间转变的温度称为液晶相变点，如向列相向近晶相转变的温度为N-S相变点。对于相变温度的检测，*常用的仪器是差示扫描量热仪（differential　scanning　calorimeter，DSC），它不仅可以获取相变温度，还可以给出液晶材料相变时的热焓变化值。图1-2是液晶材料介晶性能表征常用的POM、XRD和DSC三种仪器照片。液晶相区间指的是从熔点到清亮点的温度区间，它决定了液晶器件工作的温度范围。一般而言，液晶材料如果具有低熔点和高清亮点，就可以获得宽液晶相区间，能够适用于更严苛的工作环境。例如，对于车载显示而言，液晶材料的向列相区间需要满足.40～110℃。
　　1.2.2光学性能
　　液晶具有晶体各向异性的特性，可以使光在液晶中传播时产生两个方向上的折射率，若非寻常光的折射率ne大于寻常光的折射率no时，称为正光性材料。向列相液晶和近晶相液晶材料通常为正光性材料，而胆甾相液晶及大多数溶致液晶为负光性材料。
　　Vuks公式[15]构建了双折射率与分子极化率的关系，以便通过理论计算液晶分子的双折射率：
　　（1-1）
　　（1-2）
　　式中，为分子平均极化率；为分子的极化率各向异性；S是Saupe取向有序度参数；N是单位体积内的分子个数；为真空介电常数。材料的双折射率是非寻常光的折射率与寻常光的折射率的差值，而液晶材料的Δn主要取决于分子共轭程度、键的共振强度和分子取向的有序度。
　　通常含共轭结构的液晶化合物具有较大双折射率，随共轭程度升高而增大。研究发现，液晶材料的具有波长和温度的依赖性，其随着使用波长和使用温度的增加而减小，但并不呈线性变化，如图1-3所示。
　　图1-3液晶材料.n随波长和温度变化的曲线
　　测量双折射率通常有两种方法，一种方法是使用阿贝折射仪直接测试混合液晶材料的折射率ne和no，然后计算得到其。如果液晶化合物的熔点高于室温，需要加热至液晶态后测量其ne和n，或者按某一质量分数掺入混合液晶材料中，用外推法获得液晶化合物的。另一种方法是采用偏光干涉法测量液晶材料的，其基本原理是基于相位调制量.与双折射率的关系，其中d为测试盒盒厚，.为测试波长。测量过程采用液晶光电参数测试系统测量液晶显示器件的透过率，然后换算得到相应相位调制量，进而通过公式计算获得液晶材料的Δn，这种方法的测试结果与液晶材料在液晶盒中的分子排列取向有关。图1-4是双折射率两种测试方法所使用设备的照片。
　　图1-4双折射率测试设备
　　1.2.3电学性能
　　液晶电学性能主要包括介电各向异性和电阻率。液晶材料在电场作用下表现出响应行为，主要取决于其介电各向异性，数值大的液晶材料即使在弱电场情况下也能够产生响应特性。一般情况下，Δ.数值越大，液晶器件的阈值电压（）就越小V。Maier和Meier公式[式（1-3）、式（1-4）和式（1-5）]将液晶化合物的宏th观性质（介电常数）与分子的微观性质（极化率和偶极矩）联系起来，根据式（1-5），是和的差值。
　　（1-3）
　　（1-4）
　　（1-5）
　　式中，分别为液晶分子长轴和短轴方向的介电常数；为Saupe取向有序度参数；

目录
前言
第1章　绪论　1
1.1　液晶及液晶显示　1
1.2　液晶材料的性能及表征方法　3
1.2.1　介晶性能　3
1.2.2　光学性能　5
1.2.3　电学性能　6
1.2.4　黏弹性能　8
1.3　液晶显示模式对液晶材料的要求　9
1.3.1　TN-TFT/VA-TFT对液晶材料的要求　10
1.3.2　IPS-TFT/FFS-TFT对液晶材料的要求　13
1.4　液晶材料的设计合成　15
1.4.1　棒状液晶材料的分子设计　15
1.4.2　棒状液晶材料的合成方法　16
1.5　液晶材料的应用前景　19
参考文献　20
第2章　环己烷类液晶材料　23
2.1　环己烷类液晶材料的类型　23
2.1.1　双环己烷液晶　24
2.1.2　苯基环己烷液晶　24
2.1.3　含桥键的环己烷液晶　25
2.1.4　其他环己烷液晶　26
2.2　环己烷骨架的构建　27
2.2.1　苯加氢法　27
2.2.2　环己烯法　28
2.2.3　环己酮法　29
2.3　环己烷顺反异构体转型　31
2.3.1　顺反异构体转型简介　31
2.3.2　顺反异构体转型方法　33
2.3.3　经典案例分析　38
2.4　典型环己烷类液晶的合成　39
2.4.1　典型环己烷液晶中间体的合成　40
2.4.2　苯基环己烷液晶的合成　42
2.4.3　双环己烷液晶的合成　44
2.4.4　含桥键环己烷液晶的合成　45
2.4.5　其他环己烷液晶的合成　47
2.5　环己烷类液晶的构性关系　48
2.5.1　环己烷结构对液晶热性能的影响　49
2.5.2　环己烷结构对液晶光电性能的影响　54
参考文献　55
第3章　萘衍生物液晶材料　60
3.1　萘衍生物液晶材料的类型　60
3.2　萘衍生物骨架的构建　61
3.2.1　萘骨架的构建　61
3.2.2　十氢萘骨架的构建　62
3.2.3　四氢萘骨架的构建　65
3.3　典型萘衍生物液晶的合成　66
3.3.1　萘环液晶的合成　66
3.3.2　十氢萘液晶的合成　69
3.3.3　四氢萘液晶　71
3.4　萘衍生物液晶的性能　73
3.4.1　萘衍生物液晶化合物的性能　73
3.4.2　萘衍生物混合液晶的性能　74
参考文献　83
第4章　桥键类液晶材料　86
4.1　桥键类液晶材料的类型　86
4.2　桥键的构建　87
4.2.1　乙炔桥键的构建　87
4.2.2　乙撑桥键的构建　94
4.2.3　二氟甲醚桥键的构建　96
4.2.4　酯基桥键的构建　99
4.2.5　亚甲氧基桥键的构建　100
4.2.6　乙烯桥键的构建　100
4.2.7　氟代乙撑桥键的构建　101
4.2.8　氟代乙烯桥键的构建　104
4.2.9　其他桥键的构建　106
4.3　典型桥键类液晶的合成　108
4.3.1　乙炔桥键液晶的合成　108
4.3.2　乙撑桥键液晶的合成　108
4.3.3　二氟甲醚桥键液晶的合成　110
4.3.4　酯基桥键液晶的合成　112
4.3.5　亚甲氧基桥键液晶的合成　112
4.3.6　乙烯桥键液晶的合成　113
4.3.7　1，1-二氟乙撑桥键液晶的合成　114
4.3.8　亚胺桥键液晶的合成　114
4.3.9　偶氮桥键液晶的合成　115
4.4　桥键类液晶的构性关系　116
4.4.1　桥键对液晶热性能的影响　116
4.4.2　桥键对液晶光电性能的影响　120
参考文献　121
第5章　含氟液晶材料　125
5.1　含氟液晶材料的类型　125
5.2　致晶单元中氟原子的构建　126
5.2.1　环己烷致晶单元中氟原子的构建　126
5.2.2　含氧杂环致晶单元中氟原子的构建　127
5.2.3　茚环/菲环致晶单元中氟原子的构建　128
5.3　侧氟液晶的合成　130
5.3.1　正性侧氟液晶的合成　130
5.3.2　负性侧氟液晶的合成　131
5.4　端氟液晶的合成　134
5.4.1　3，3，3-三氟丙烯端氟液晶的合成　134
5.4.2　2-氯-3，3，3-三氟丙烯端氟液晶的合成　135
5.4.3　5，6-二氟茚端氟液晶的合成　135
5.4.4　三氟甲基端氟液晶的合成　136
5.5　超级氟液晶的合成　137
5.5.1　超级氟液晶5075的合成　137
5.5.2　超级氟液晶5076和5077的合成　138
5.5.3　超级氟液晶5078的合成　139
5.6　含氟液晶性能及其构性关系　140
5.6.1　小介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系　140
5.6.2　正介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系　143
5.6.3　负介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系　150
参考文献　156
第6章　端烯液晶材料　161
6.1　端烯液晶材料的类型　161
6.2　端烯及端烯衍生物液晶的构建策略　162
6.2.1　分子中端烯的构建　162
6.2.2　典型端烯液晶的合成　164
6.3　端烯液晶的构性关系　174
6.3.1　末端取代基对端烯液晶性能的影响　174
6.3.2　致晶单元对端烯液晶性能的影响　176
6.3.3　侧向取代基对端烯液晶性能的影响　177
6.3.4　端烯液晶对混合液晶性能的影响　177
参考文献　178
第7章　杂环液晶材料　181
7.1　杂环液晶材料的类型　181
7.2　杂环结构的构建　182
7.2.1　三元杂环的构建　182
7.2.2　四元杂环的构建　184
7.2.3　五元杂环的构建　184
7.2.4　六元杂环的构建　193
7.3　典型杂环液晶的合成　195
7.3.1　呋喃液晶的合成　196
7.3.2　四氢吡喃液晶的合成　196
7.3.3　苯并噁唑液晶的合成　197
7.3.4　苯并咪唑液晶的合成　198
7.3.5　吡啶液晶的合成　198
7.4　杂环液晶的构性关系　199
7.4.1　杂原子种类对杂环液晶性能的影响　199
7.4.2　杂原子数量对杂环液晶性能的影响　200
7.4.3　末端取代基对杂环液晶性能的影响　200
7.4.4　侧向取代基对杂环液晶性能的影响　201
参考文献　202
第8章　手性液晶材料　206
8.1　手性液晶材料的类型　206
8.1.1　胆甾醇类手性液晶　206
8.1.2　非胆甾醇类手性液晶　207
8.2　手性试剂的构建　207
8.2.1　胆甾醇的构建　207
8.2.2　其他手性试剂的构建　207
8.3　典型手性液晶的合成　211
8.3.1　胆甾醇类手性液晶的合成　211
8.3.2　非胆甾醇类手性液晶的合成　212
8.4　手性液晶的构性关系　215
8.4.1　末端取代基对手性液晶性能的影响　215
8.4.2　侧向取代基对手性液晶性能的影响　218
8.4.3　致晶单元对手性液晶性能的影响　219
参考文献　220
第9章　混合液晶材料的纯化和制备　223
9.1　混合液晶材料简介　223
9.2　液晶材料的纯化　224
9.2.1　液晶化合物的纯化方法　224
9.2.2　液晶化合物的纯化实例　227
9.2.3　混合液晶材料的纯化方法　233
9.3　混合液晶材料的性能评价　234
9.3.1　评价方法　234
9.3.2　性能评价　236
9.4　混合液晶材料的制备　236
9.4.1　混合液晶材料配方设计原则　236
9.4.2　混合液晶材料制备方法　237
9.4.3　基础配方的制备　238
9.5　混合液晶材料的性能　240
9.5.1　TN-TFT混合液晶的性能　240
9.5.2　VA-TFT混合液晶的性能　243
9.5.3　IPS-TFT混合液晶的性能　245
9.5.4　FFS-TFT混合液晶的性能　247
参考文献　248