不同相下液晶5CB磁性的數值擬合研究

何景婷 喬士柱 段曉麗

(太原工業學院理學系 山西 太原 030008)

不同相下液晶5CB磁性的數值擬合研究

何景婷 喬士柱 段曉麗

(太原工業學院理學系 山西 太原 030008)

以液晶5CB材料為研究對象，分析不同相(晶體相，向列相，各相同性相)下液晶5CB的磁化強度隨外磁場變化情況，實驗結果表明，當外加磁場強度在5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs范圍內變化時，液晶5CB磁矩表現出抗磁性，對實驗數據進行分析，用最小二乘法進行線性擬合，表明液晶5CB磁化強度與外加磁場變化的關系符合線性關系，且當液晶5CB處于向列相時，其相關系數r=-0.99,處于各相同性相時，其相關系數r=-0.93,同時，經觀察發現，3種不同相下的液晶5CB的磁化強度線性擬合方程的斜率差別較大，向列相下的液晶5CB磁化強度線性擬合方程斜率最大，晶體相下的液晶5CB磁化強度線性擬合方程斜率最小，即表明其磁化強度隨外磁場強度變化情況相對較快，因此，可以通過判斷擬合直線方程斜率相對大小來判斷出液晶不同的相.

液晶5CB 磁化 線性擬合

液晶的光電性能一直是相關領域研究的熱點，而在外磁場作用下，物質可以被磁化，液晶同樣可以被磁化[1]，如果能夠實現在弱磁場作用下液晶的磁光[2]特性，并進行弱磁場的遠程控制，則在液晶顯示領域是一個全新的突破.本文從研究液晶5CB的磁化特性開始，研究其磁化強度隨外加磁場變化的規律.

實驗中采用的材料是液晶5CB(向列相熱致液晶,熔點24 ℃,清亮點35.5 ℃,室溫下為液態)，控制其溫度，觀察在不同相下液晶5CB的磁化特性，并用最小二乘法[3]進行線性擬合，分析其磁化強度與外加磁場強度之間的關系.

1 樣品制備

室溫下，分別將樣品置于半徑2 mm，長4 mm的3個圓柱體型塑料管中，封口.置于振動樣品磁強計(Lake,Shore生產，型號：7410)中，分別控制樣品溫度為294 K,300 K,323 K,進行實驗觀察.

2 實驗及結果分析

分別控制液晶5CB的實驗溫度為294 K(晶體相)、300 K(液晶相)、323 K(各相同性相)，外加磁場強度的變化范圍在0～23 000 Gs～-23 000 Gs～0，為了排除樣品池對測量結果的影響，單獨測量了裝樣品的塑料管及封口AB膠的磁化曲線，如圖1所示.從測試結果可以看出，裝樣品的塑料管及封口AB膠有很弱的抗磁性，并且與外加磁場基本呈線性關系，即磁化率是常數.此外其磁場增強及減弱過程曲線基本重合，無剩磁現象.

圖1 塑料管磁化曲線

圖2,3,4是不同相下樣品的磁化強度隨磁場的變化曲線(此3條磁化曲線均已扣除掉塑料管及封口AB膠的影響)，從圖中可看出其磁化特征整體表現出抗磁性的特點，只在-5 000～5 000 Gs的外磁場強度變化范圍內，液晶5CB表現出一定的順磁性.這是由于當外加磁場較弱時，5CB分子磁矩在外磁場作用下會產生微小的偏轉，分子部分被磁化因而表現出弱順磁性.當外加磁場增加到某個臨界值后，較多的5CB分子長軸將趨向于平行于外磁場方向排列，整體表現為抗磁性.當外加磁場強度的變化范圍為5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs時，5CB表現出抗磁性[4].且其磁化強度隨磁場的變化情況呈現出一定的規律性.對實驗數據進行線性擬合，結果如圖2,3,4擬合直線所示，可以看出液晶5CB的磁化強度與外磁場強度呈一定的線性關系.

圖2 294 K時液晶磁化曲線數值擬合

圖3 300 K時液晶磁化曲線數值擬合

圖4 323 K時液晶磁化曲線數值擬合

3 數據處理

分別將圖2,3,4中所示數據用最小二乘法進行線性擬合，其中選擇外磁場強度的變化范圍為-23 000～-5 000 Gs，數據處理結果如下.

當T=294 K時，擬合直線方程為

y=-2.7×10-8x-4.1×10-4

其中相關系數r=-0.9.

當T=300 K時，擬合直線方程為

y=-5.3×10-8x-5.6×10-4

其中相關系數r=-0.99.

當T=323 K時，擬合直線方程為

y=-3.9×10-8x-4×10-4

其中相關系數r=-0.93.

從擬合直線方程得出，當磁場強度在-23 000～-5 000 Gs時,不同相下的液晶5CB磁化強度隨磁場變化關系滿足線性關系，其r絕對值均接近于1.處于液晶態(溫度為300 K)下的液晶5CB磁化強度與外加磁場間的線性關系最明顯，直線方程相關系數r達到0.99.而處于晶體相(294 K)、各相同性相(323 K)的液晶5CB磁化強度與磁場雖呈線性關系，但相關系數r均小于0.99.

當外磁場變化范圍為5 000～23 000 Gs時，由圖3和圖4分別看出向列相液晶5CB及各相同性相液晶5CB磁矩變化直線斜率與磁場范圍在-23 000～-5 000 Gs時的直線斜率一致.

另外，通過分析3條擬合直線的斜率，如圖5所示，發現，當控制液晶5CB溫度為300 K時，即液晶5CB處于相列相時，直線斜率的絕對值最大0.56，即液晶5CB的磁矩隨外加磁場的變化情況相對較快，這是由于在相列相下，液晶5CB的分子磁矩排列相對整齊，在外加電場作用下，分子磁矩相對容易改變.當液晶5CB處于晶體相時，其直線方程斜率最小，因此，通過分析直線斜率，可以很快判斷出液晶的不同相，即液晶5CB所處的實驗溫度，這為后續研究不同溫度下液晶磁化強度隨外磁場變化情況提供了一定的理論依據.

圖5 不同溫度下液晶5CB線性方程斜率

4 結論

磁性材料種類繁多，發展迅速，磁性流體兼固體與液體的性質，被廣泛研究，應用在多個領域.液晶的光電特性一直以來是液晶顯示領域的研究重點，如果在磁場作用下同樣也能實現液晶的顯示功能，甚至在弱磁場作用下實現，實現遠程控制，則在液晶顯示領域將是一個重大的突破.本文從研究液晶5CB的磁性入手，分析得出液晶5CB在一定的磁場范圍內顯示出抗磁性，不同相(晶體相，向列相，各相同性相)[6]下液晶5CB的磁化強度隨外磁場變化情況表明，當外加磁場強度在5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs范圍內變化時，液晶5CB磁矩表現出抗磁性，對實驗數據用最小二乘法進行線性擬合進行分析，表明液晶5CB磁化強度與外加磁場呈線性關系，當液晶5CB處于向列相時(溫度為300 K)，相關系數r=-0.99,最接近于-1.同時，其線性擬合方程的斜率在最大差別較大，向列相下的液晶5CB線性擬合方程斜率絕對值0.56，相對最大.即表明磁場強度對其磁化強度影響相對較大，因此，可以通過判斷直線方程斜率相對大小來判斷液晶不同的相[7]，即所處的實驗室溫度，同時得出液晶5CB在向列相下的磁化效果最好，因此，上述結果將對后續進行的相關實驗有著重要的理論指導作用.

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5 王安蓉, 許剛, 舒純軍. 磁性液體及其應用. 成都: 西南交通大學出版社,2010

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7 劉公強, 樂志強, 沈德芳. 磁光學. 上海: 上海科學技術出版社, 2001

Study on the Numerical Fitting of Magnetization Curve of Liquid Crystal 5CB in Different Phases

He Jingting Qiao Shizhu Duan Xiaoli

(College of Sciene, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan, Shanxi 030008)

This article takes the the liquid crystal 5cb material as the research object, The magnetization of liquid crystal 5CB under different phases (crystalline phase, nematic phase and isotropic phase) is analyzed with the change of external magnetic field. the experimental results show that when the magnetic field intensity changes in the range of 5000 Gs～23000 Gs,-23000～5000 Gs,LCD 5cb exhibited anti magnetic moments, the experimental data were analyzed by linear fitting using least squares method, shows the relation of liquid crystal 5CB magnetization and magnetic field changes with the linear relation, and when the 5CB under the nematic liquid crystal the phase, the correlation coefficientr=-0.99, under isotropic phase, the correlation coefficient ofr=-0.93,At the same time, it is found that the slope of the linear fitting equation of the magnetization of the liquid crystal 5CB under three different phases is different, the slope of the linear fitting equation of the liquid crystal 5CB in nematic phase is maximum, the slope of the linear fitting equation of liquid crystal 5CB in crystal phase is the smallest. that shows the change of magnetization with the external magnetic field is relatively fast. Therefore, the liquid crystal phase can be determined by the relative size of the slope of the linear equation.

liquid crystal 5CB; magnetization; linear fitting

2016-10-10)