本发明属于液晶材料技术领域,具体涉及一种宽温液晶组合物及包含其的高频组件。
背景技术:
液晶用于微波器件研究始于20世纪末,高速发展于本世纪初,尤其是近几年得到了全世界的广泛关注,德国darmstadt大学在这一领域的研究处于世界领先,其研究工作涵盖可调滤波器、可重构天线、可调频率选择器及可调移相器等重要领域。
尽管我国才刚刚开始研究微波器件用液晶材料,但德国merck公司已经研究多年,迄今为止已研制出多种光学各向异性即双折射率大于0.3的液晶材料。而国内现用产品k15、e7,其δn值低于0.2,在高频下的δεr值很小,介电损耗较大,lc盒过厚(d=254μm),响应时间超过350ms;最近使用merck公司的gt3-23001液晶,δn值0.3左右,高频下δεr达到0.8,介电损耗明显减小,相位移量有所增加;最近几年德国merck公司报道了异硫氰基-多环芳乙炔基类高δn值混合液晶材料,其δn值达到0.35~0.38左右,对微波器件的介电性能有所改善,但介电损耗依然较大。2018年kowerdziejr.等人报道了含氟二苯乙炔异硫氰酸酯类液晶组合物在6ghz频段的光可调谐性随温度的变化情况,发现这类液晶对微波相位可调置性(τ)和介电性能随温度变化不明显,表明异硫氰基和乙炔基等结构单元对微波比较稳定,最近lapanikv.等人在kowerdziejr.工作的基础上,采用异硫氰基-多芳环类混合液晶材料,降低了介电损耗,提高了微波移相量,但其液晶材料的熔点仍在0℃以上。迄今为止,能适应极限低温,工作温度范围宽,且各方面性能都优良的液晶十分罕见。
技术实现要素:
为解决上述技术问题,本发明提供一种宽温液晶组合物及包含其的高频组件。
具体技术内容如下:
一种宽温液晶组合物,其不同之处在于,所述液晶组合物包括第一组份、第二组分及第三组分,所述第一组分如式ⅰ所示:
其中,m=0或1;x1及x2代表h原子或f原子,x3及x4各自独立地选自h原子或f原子或cl原子;
所述第二组分如式ⅱ所示:
其中,r1为碳原子数目1至10的直链烷基,x5、x6、x8及x9各自独立地选自h原子或f原子,x7表示h原子、f原子、甲基或乙基,r1为碳原子数目1至10的直链烷基或ncs;
所述第三组分如式ⅲ所示:
其中,r3为碳原子数目1至10的直链烷基,n=0或1;x10、x11、x12及x13各自独立地选自h原子或f原子或cl原子;
所述第一组分占液晶组合物百分比的8%~60%。
上述技术方案中,所述液晶组合物还包括第四组分或第五组分中的一种或两种,所述第四组分如式ⅳ所示:
其中,r4及r5各独自表示碳原子数目1至10的直链烷基;
所述第五组分如式ⅴ所示:
其中,r6表示碳原子数目1至10的直链烷基。
上述技术方案中,所述式ⅰ化合物选自式ⅰ-1~式ⅰ-8中的一种或多种:
上述技术方案中,所述式ⅱ化合物选自式ⅱ-1~ⅱ-2中的一种或多种:
其中,x7a表示甲基取代基或f取代基,r1a为碳原子数2~6的直链烷烃,r2a表示碳原子数2~6的直链烷烃;
其中,r1b为碳原子数2~6的直链烷烃,x5b及x6b各独自地选自h原子或f原子,r2b表示碳原子数2~6的直链烷烃或ncs。
上述技术方案中,所述液晶组合物由:
第一组份、第二组分及第三组分构成;
或
第一组分、第二组分、第三组分及第五组分构成;
或
第一组分、第二组分、第三组分、第四组分及第五组分构成。
含有上述液晶组合物的高频组件。
上述技术方案中,所述高频组件是在微波范围内操作的移相器。
含权利上述高频组件的微波器件。
上述液晶组合物在制备高频组件中的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于(1)混合配制成δn值在0.4~0.35范围内液晶组合物材料,提高了微波相位调制量,减少了微波波频插损量;(2)采用低熔点液晶组分,降低了液晶组合物的低共凝固点,低共熔点能达到-45℃,清亮点达到120℃,可满足微波器件室外工作要求,这对解决微波器件户外低温工作有利,使用的温度范围广。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案作出详细说明。
本发明涉及专业解释如下:
微波液晶工作原理:在微波范围条件k频段(10~40ghz)下可调节相位的液晶需满足微波相位可调谐性能要求,分子在外加电场e作用下,其分子排列方向不断发生旋转φ(y),使每一层液晶分子的有效非寻常折射率neff(y)和介电常数(εr)都随着施加电压的变化而改变,其介电常数与折射率的平方成正比,波频信号沿着外加偏电场方向传播,从而实现微波相位连续可调。
介电常数(δεr):介电常数分为平行液晶长轴的分量“εr∥”和垂直分量“εr⊥”,介电常数值为δεr=εr∥-εr⊥;
介电损耗(微波插损):物理上对微波“介电损耗”的量化表达是,介电损耗的正切值(tanδεr⊥,或tanδεrmax),是反映液晶材料在微波场中的主要性能指标参数,一般要求tanδεr⊥(或tanδεrmax)值≤0.03左右,tanδεr||'≤0.005左右。
双折射率:液晶化合物和混合液晶材料光学各向异性的表达方法,指光通过液晶材料后,经过液晶折射和散射,形成寻常光和非寻常光,寻常光折射率表示”no”,非寻常光折射率表示“ne”,双折射率用“δn”表示,“δn=no-ne”,微波高频器件要求δn值≥0.30以上,δn值越高越有利于提高微波移相量。
微波液晶移相器的“相位调制系数”:表示为“τ”,反映液晶材料对微波频率的相位调制能力的参数,0.15≤τ≤0.50。
液晶的“品质因素”(η,或fom)是指微波通过液晶以后的性能综合评价结果,反映出液晶材料的性能和质量,一般要求η≥15以上。“cr.”液晶组合物熔点或固态向液晶态的转化温度;“sm.”表示近晶相液晶的相转变温度;“n.”为液晶向列相态转变温度;“iso.”为液晶组合物的相态的清亮点温度(℃);
在微波范围内的介电各向异性定义为:δεr≡(εr||-εr⊥)。
可调谐性(τ)定义为:τ≡(δεr/εr||)。
材料品质(η)定义为:η≡(τ/tanδεr,max),其中最大介电损耗为tanδεr,max.≡max.{tanδεr⊥:tanδεr||}。
为便于表达,以下各实施例中,液晶组合物的集团结构用表1所列的代码表示:
表1液晶化合物的基团结构代码
其余化合物代码中所示阿拉伯数字为烷基链碳原子数。
实施例一
第一组分化合物的合成:
其中,m=0或1;x1及x2代表h原子或f原子,x3及x4各自独立地选自h原子或f原子或cl原子;
实施例二
式ⅱ化合物的制备
式ⅱ化合物制备方法记载在论文:章思汗,刘可庆,张智勇,等.含氟三苯二炔类液晶化合物合成及其性质研究[j].液晶与显示,2015,30(5):769-776.
参见文献:刘可庆,超高双折射率液晶合成及其性能研究[d],武汉轻工大学硕士毕业论文,2014年
参见文献:hsuc.s.,shyuk.f.,chuangy.y.;wush.c.;synthesisoflaterallysubstitutedbistolaneliquidcrystals[j].liquidcrystals,2000,27(2):283-287.
hermanj,dziaduszekj,dbrowskir,etal.novelhighbirefringentisothiocyanatesbasedonquaterphenylandphenylethynyltolanemolecularcores[j].liquidcrystals,2013,40(9):1174-1182.
实施例三
式ⅲ化合物的制备
式ⅲ化合物制备方法记载在黄江涛,二氟乙烯基氟二苯乙炔类液晶的合成与性能研究[d],武汉轻工大学硕士论文,2013年;
王勇丽,二氟乙烯基氟苯乙炔类液晶的合成与性能研究[d],武汉轻工大学硕士论文,2013年;
nputgvf的合成:
其中,r3为1至10的直链烷基。
nptuvf的合成
其中,n=1~10。
其中,r3为1至10的直链烷基。
实施例四
对液晶组合物中的所有组分进行电场吸附提纯精制和除微量离子,其操作方法见发明专利cn101760203(2009,武汉轻工大学,任占东,张智勇等)。
实施例五
第一组分、第二组分及第三组分按表2重量配比制备成液晶组合物a,并测试其介电性能。
表2.液晶组合物a组成与介电性能
实施例六
第一组分、第二组分、第三组分及第五组分按表3重量配比制备成液晶组合物b,并测试其介电性能。
表3.液晶组合物b组成与介电性能
实施例七
第一组分、第二组分、第三组分及第五组分按表4重量配比制备成液晶组合物c,并测试其介电性能。
表4.液晶组合物c组成与介电性能
对比例一
按表5重量配比制备成液晶组合物d,并测试其介电性能。
表5.液晶组合物d组成与介电性能
对比例二
按表6重量配比制备成液晶组合物e,并测试其介电性能。
必须说明的是,以上所述实施例只是本发明的一些实施方式。对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。