何景婷，喬士柱

太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西太原 030008

液晶5CB磁化特性的數(shù)值分析

何景婷，喬士柱

太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西太原 030008

以液晶5CB材料為研究對象，觀察不同相（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，并進行數(shù)據(jù)處理分析，實驗結(jié)果表明，外磁場強度在-5 000 A/m～5 000 A/m范圍內(nèi)變化時，液晶5CB表現(xiàn)出順磁性，當外磁場強度值繼續(xù)增加時，液晶5CB顯示出抗磁性，對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析得出，在不同的外磁場強度范圍內(nèi)，不同相下液晶5CB磁化強度變化規(guī)律基本滿足線性方程，當外磁場強度由臨界值逐漸減小時，處于液晶相和各相同性相的液晶5CB出現(xiàn)不同程度的磁滯現(xiàn)象，考慮到液晶盒的錨定作用，得到液晶5CB在不同相下磁化規(guī)律的擬合直線方程，各有其特點，因此可以通過分析不同直線斜率和截距，從而判斷出液晶5CB所處的不同狀態(tài).也可以根據(jù)液晶5CB的不同直線方程得出外磁場強度的變化范圍.

液晶5CB；磁矩；數(shù)值分析

磁性液體既具有軟磁體磁性，又具有液體流動性.這種新型的功能材料已經(jīng)在航空、冶金、化工、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.它是由納米級磁性顆粒高度地分散、懸浮在載液中，形成的穩(wěn)定膠體體系.1889年Breding Z首次報道磁性液體［1］，1965年P(guān)appel S S.獲得世界上第一個具有實際應(yīng)用價值的制備磁性液體的專利，1966年，日本東北大學(xué)飯坂潤三也研制成功，磁性液體制備方法的不斷完善使得其在問世后的短短幾年，就已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.自20世紀60年代末期以來，美國、日本、前蘇聯(lián)、英國等國家相繼開展了磁性液體技術(shù)的研究與應(yīng)用.中國于20世紀70年代開始磁性液體應(yīng)用研究［2-3］.近期美國加州大學(xué)河濱分校（UCR）的科學(xué)家們打造出一種新式的磁性液晶，具有可經(jīng)由外部磁場進行即時與可逆控制的光學(xué)特性，這種技術(shù)將會對未來的新式顯示器的研究與應(yīng)用起指導(dǎo)性的作用［4］.

液晶具有流動性，如何將液晶的流動性與磁性結(jié)合，實現(xiàn)其在磁場控制下的磁光特性，并最終實現(xiàn)其遠程控制，將是液晶顯示領(lǐng)域研究的熱點.液晶分子是一種有機分子，其分子結(jié)構(gòu)中含有芳香環(huán)，構(gòu)成這種環(huán)的電子可以形成電流，因此將液晶置于外磁場時，電子會形成電流，從而產(chǎn)生磁矩，并且其方向與外磁場方向相反，即在外磁場作用下，液晶表現(xiàn)出一定的抗磁性［5-6］.本文以液晶5CB為研究對象，分析其在外磁場作用下的磁化規(guī)律.

液晶5CB是一種向列相熱致液晶，當溫度在24℃～35.5℃時，其處于液晶相，可以看出，其具有相當寬的液晶相溫度.由于在不同相下液晶性質(zhì)有所不同，因此本實驗分別控制液晶5CB不同溫度，觀察其磁化特性，并在一定范圍內(nèi)用最小二乘法進行線性擬合［7-8］，分析磁化規(guī)律.

1 實驗部分

實驗樣品采用液晶5CB，室溫下將樣品分別置于半徑2 mm、長4 mm的3個柱體型塑料管中，并用AB膠封口.置于振動樣品磁強計（Lake，Shore生產(chǎn)，型號：7410）中，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），外加磁場在0 A/m～23 000 A/m和-23 000 A/m～0 A/m范圍變化，進行實驗觀察.為了排除樣品池對測量結(jié)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.測量得出樣品在不同相下磁化曲線，并進行線性擬合，如圖2～圖4所示.

圖1 塑料管磁化曲線Fig.1Magnetization curves of plastic tube

圖2 294K時液晶磁化曲線擬合Fig.2Numerical fitting of magnetization curves of liquid crystal at 294 K

圖3 300K時液晶磁化曲線擬合Fig.3Numerical fitting of magnetization curves of liquid crystal at 300 K

圖4 323K時液晶磁化曲線擬合Fig.4Numerical fitting of magnetization curves of liquid crystal at 323 K

2 結(jié)果與討論

由圖1可看出塑料管及封口AB膠顯示出一定的抗磁性，但其強度較弱，磁化路徑與退磁路徑基本重合，無剩磁現(xiàn)象，從結(jié)果分析得出其磁化過程與外磁場的變化過程滿足一定的線性關(guān)系.圖2～圖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2～圖4中可看出在-5 000 A/m～5 000 A/m的外磁場強度變化范圍內(nèi)，液晶5CB表現(xiàn)出一定的順磁性.但整體表現(xiàn)出抗磁性，存在剩磁現(xiàn)象，出現(xiàn)剩磁現(xiàn)象的原因是液晶盒的錨定作用［9-10］，因此，在分析液晶5CB磁化規(guī)律時需考慮液晶盒錨定影響.

分別將圖2～圖4中所示數(shù)據(jù)用最小二乘法進行線性擬合，并考慮液晶盒錨定作用，選擇外磁場強度變化范圍如下.

5 000 A/m～23 000 A/m，數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：

T=323 K，擬合直線方程為

從擬合直線方程看出，當外磁場強度從5000A/m～23 000 A/m變化時，各狀態(tài)下液晶5CB磁化過程均為抗磁性，當液晶5CB處于晶體相（T=294 K）時，其磁化過程與退磁過程的路徑重合范圍最大，當液晶5CB處于向列相和各相同性相時，出現(xiàn)一定的磁滯現(xiàn)象這可能由于液晶盒的錨定作用引起，T=300 K時，外磁場強度變化范圍15 000 A/m～23 000 A/m時，以及當T=323 K時，外磁場強度變化范圍在20000 A/m～23 000 A/m液晶5CB磁化路徑與退磁路徑基本重合［11］，這是因為隨著外磁場逐漸增加，液晶盒的影響逐漸減小，固可認為此時的線性擬合方程直接反映了液晶5CB的磁化過程.而在外磁場強度變化范圍分別在5 000 A/m～15 000 A/m，5 000 A/m～20 000 A/m時，有明顯的磁滯現(xiàn)象，故得到的線性方程包含了液晶盒錨定的影響［12-13］.因此兩種情況下得到的線性方程斜率不同.

當外磁場范圍在-23 000 A/m-5 000 A/m時，將向列相狀態(tài)液晶5CB（見表1）和各相同性相液晶5CB（見表2）磁矩變化實驗值（見表中第三列）與其在擬合直線方程中得到的理論值（見表中第二列）進行對比［14-15］，經(jīng)分析計算得出，理論值與實驗值基本符合，即表現(xiàn)在圖2和圖3中的特點是兩條直線平行，截距的絕對值相等.

表1 300K時液晶磁矩實驗值與理論值對比Tab.1Comparison of experimental and theoretical value of the magnetic moment of liquid crystal at 300 K

表2 323K時液晶磁矩實驗值與理論值對比Tab.2Comparison of experimental and theoretical value of magnetic moment of liquid crystal at 323 K

3 結(jié)語

液晶的光電特性一直以來是液晶顯示領(lǐng)域的研究重點，如何實現(xiàn)其在磁場作用下的顯示，并實現(xiàn)其在弱磁場作用下的磁光特性，最終實現(xiàn)小型儀器的遠程控制，則是近年來液晶顯示領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，本文通過對液晶5CB磁化規(guī)律的分析與數(shù)值擬合研究，得出，液晶5CB具有一定的抗磁性，但需要提供很強的磁場才能實現(xiàn)，在不同相下，液晶5CB磁化過程均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但現(xiàn)象有所不同，當液晶5CB處于晶體相時，液晶5CB的磁化路徑與退磁路徑基本重合，磁滯現(xiàn)象不明顯，當液晶5CB處于向列相和各向同性相狀態(tài)時，通過擬合直線方程可以得出其磁化過程滿足線性方程，但是其磁滯現(xiàn)象明顯，這是由于液晶盒的錨定作用引起，固考慮到液晶盒錨定作用，當外磁場強度取值范圍不同時可得到不同的擬合直線方程，因此本文對不同狀態(tài)下液晶5CB的磁化特性的研究結(jié)果對后續(xù)的實驗將有重要的理論指導(dǎo)作用.

［1］ONO H，HANAZAWA A，KAWAMURA T.Response characteristicsofhigh-performancephotorefractive misogynic composites［J］.Journal of Applied Physics，1999，38（38）：737-740.

［2］WIEDERRECHTGP，WASIELEWSKIMR. Photorefractivity in polymer-stabilized nematic liquid crystals［J］Journal of the American Chemical Society，1999，120（13）：102-109.

［3］ZHANG J，SINGER K D.Homogeneous photorefractive-polymer/nematogencomposite［J］.AppliedPhysics Letters，1998，72（23）：2948-2950.

［4］KUKHTAREV N V.Holographic storage in electro-optic crystal steady state［J］.Ferroelectrics，2011，22（1）：949-953.

［5］WANG X，PU S，JI H，et al.Enhanced magneticfield-inducedopticalpropertiesofnanostructured magnetic fluids by doping n ematic liquid crystals［J］. Nanoscale Research Letters，2012，7（1）：1421.

［6］PU S，DAI M，SUN G.Longitudinal field-induced polarized light transmittance of magnetic fluids［J］. Optics Communications，2010，283（20）：4012-4016.

［7］PATEL R.Mechanism of chain formation in nanofluid basedMRfluids［J］.JournalofMagnetismand Magnetic Materials，2011，323（10）：1360-1363.

［8］MARRUCCI L.Mechanisms of giant optical nonlinearity in light-absorbing liquid crystals［J］.Liquid Crystal Today，2002，11（3）：6-33.

［9］HANG J，OSTROVERKHOV，SINGER K D.Electrically controlled surface diffraction gratings in nemattic liquid crystals［J］.Optics Letters，2000，25（6）：414-416.

［10］ASHKIN A，BOYD G D，DZIEDEIC J M.Opticallyinduced refractive index inhomogeneities in LiNbO3and LiTaO3［J］.Applied Physics Letters，1966，9（1）：72-74.

［11］CHEN F S，LAMACCHIA J T，F(xiàn)RASER D B. Holographic storage in lithium niobate［J］.Applied Physics Letters，1968，13（7）：223-225.

［12］王安蓉，許剛，舒純軍.磁性液體及其應(yīng)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［13］LI Q，XUAN Y.Experimental investigation on heat transfer characteristics of magnetic fluid flow around a fine wire under the influence of and external magnetic field［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2009，33（4）：591-596.

［14］劉公強，樂志強，沈德芳.磁光學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

［15］ONO H，KAWATSUKI N.Orientational photorefrac-tive gratings observed in polymer dispersed liquid crys-tals with fullerene［J］.Japanese Journal of Applied Physics，1997，36（10）：6444-6448.

本文編輯：陳小平

Numerical Analysis of Magnetic Properties of Liquid Crystal 5CB

HE Jingting，QIAO Shizhu
Science Department,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008，China

Taking liquid crystal 5CB material as a study object,we observed the changing status of magnetization intensity of liquid crystal 5CB's with the external magnetic field at different phases(crystal,nematic and isotropic phase).The results show that the liquid crystal 5CB shows paramagnetism when the magnetic field strength changes from-5 000 A/m to 5 000 A/m,but it exhibits anti-magnetism when the magnetic field strength increases continuously.According to numerical analysis for experimental data,the varying patterns of magnetization intensity of liquid crystal 5CB at different phases are basically show linear equation in different ranges of external magnetic-field strength.As external magnetic-field strength is declined gradually from critical value,the liquid crystal 5CB with liquid crystal phase or isotropic phase may present on magnetic hysteresis at different levels.Considering docking interactions of liquid crystal cell,the obtained fitting straight-line equation of magnetic pattern for liquid crystal 5CB has its own characteristics at various phases,so the state of liquid crystal 5CB can be judged by analyzing different straight slopes and intercepts,and the variation range of external magnetic-field strength can be gained based on different straight-line equations of liquid crystal 5CB.

liquid crystal 5CB；magnetic moment；numerical analysis

O63

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.02.017

1674-2869（2017）02-0199-04

2016-12-06

太原工業(yè)學(xué)院院基金（2016LQ03）

何景婷，碩士，助教.E-mail：513123167@qq.com

何景婷，喬士柱.液晶5CB磁化特性的數(shù)值分析［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（2）：199-202.

HE J T，QIAO S Z.Numerical analysis of magnetic properties of liquid crystal 5CB［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（2）：199-202.