何景婷 乔士柱 段晓丽

(太原工业学院理学系 山西 太原 030008)

不同相下液晶5CB磁性的数值拟合研究

何景婷 乔士柱 段晓丽

(太原工业学院理学系 山西 太原 030008)

以液晶5CB材料为研究对象，分析不同相(晶体相，向列相，各相同性相)下液晶5CB的磁化强度随外磁场变化情况，实验结果表明，当外加磁场强度在5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs范围内变化时，液晶5CB磁矩表现出抗磁性，对实验数据进行分析，用最小二乘法进行线性拟合，表明液晶5CB磁化强度与外加磁场变化的关系符合线性关系，且当液晶5CB处于向列相时，其相关系数r=-0.99,处于各相同性相时，其相关系数r=-0.93,同时，经观察发现，3种不同相下的液晶5CB的磁化强度线性拟合方程的斜率差别较大，向列相下的液晶5CB磁化强度线性拟合方程斜率最大，晶体相下的液晶5CB磁化强度线性拟合方程斜率最小，即表明其磁化强度随外磁场强度变化情况相对较快，因此，可以通过判断拟合直线方程斜率相对大小来判断出液晶不同的相.

液晶5CB 磁化 线性拟合

液晶的光电性能一直是相关领域研究的热点，而在外磁场作用下，物质可以被磁化，液晶同样可以被磁化[1]，如果能够实现在弱磁场作用下液晶的磁光[2]特性，并进行弱磁场的远程控制，则在液晶显示领域是一个全新的突破.本文从研究液晶5CB的磁化特性开始，研究其磁化强度随外加磁场变化的规律.

实验中采用的材料是液晶5CB(向列相热致液晶,熔点24 ℃,清亮点35.5 ℃,室温下为液态)，控制其温度，观察在不同相下液晶5CB的磁化特性，并用最小二乘法[3]进行线性拟合，分析其磁化强度与外加磁场强度之间的关系.

1 样品制备

室温下，分别将样品置于半径2 mm，长4 mm的3个圆柱体型塑料管中，封口.置于振动样品磁强计(Lake,Shore生产，型号：7410)中，分别控制样品温度为294 K,300 K,323 K,进行实验观察.

2 实验及结果分析

分别控制液晶5CB的实验温度为294 K(晶体相)、300 K(液晶相)、323 K(各相同性相)，外加磁场强度的变化范围在0～23 000 Gs～-23 000 Gs～0，为了排除样品池对测量结果的影响，单独测量了装样品的塑料管及封口AB胶的磁化曲线，如图1所示.从测试结果可以看出，装样品的塑料管及封口AB胶有很弱的抗磁性，并且与外加磁场基本呈线性关系，即磁化率是常数.此外其磁场增强及减弱过程曲线基本重合，无剩磁现象.

图1 塑料管磁化曲线

图2,3,4是不同相下样品的磁化强度随磁场的变化曲线(此3条磁化曲线均已扣除掉塑料管及封口AB胶的影响)，从图中可看出其磁化特征整体表现出抗磁性的特点，只在-5 000～5 000 Gs的外磁场强度变化范围内，液晶5CB表现出一定的顺磁性.这是由于当外加磁场较弱时，5CB分子磁矩在外磁场作用下会产生微小的偏转，分子部分被磁化因而表现出弱顺磁性.当外加磁场增加到某个临界值后，较多的5CB分子长轴将趋向于平行于外磁场方向排列，整体表现为抗磁性.当外加磁场强度的变化范围为5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs时，5CB表现出抗磁性[4].且其磁化强度随磁场的变化情况呈现出一定的规律性.对实验数据进行线性拟合，结果如图2,3,4拟合直线所示，可以看出液晶5CB的磁化强度与外磁场强度呈一定的线性关系.

图2 294 K时液晶磁化曲线数值拟合

图3 300 K时液晶磁化曲线数值拟合

图4 323 K时液晶磁化曲线数值拟合

3 数据处理

分别将图2,3,4中所示数据用最小二乘法进行线性拟合，其中选择外磁场强度的变化范围为-23 000～-5 000 Gs，数据处理结果如下.

当T=294 K时，拟合直线方程为

y=-2.7×10-8x-4.1×10-4

其中相关系数r=-0.9.

当T=300 K时，拟合直线方程为

y=-5.3×10-8x-5.6×10-4

其中相关系数r=-0.99.

当T=323 K时，拟合直线方程为

y=-3.9×10-8x-4×10-4

其中相关系数r=-0.93.

从拟合直线方程得出，当磁场强度在-23 000～-5 000 Gs时,不同相下的液晶5CB磁化强度随磁场变化关系满足线性关系，其r绝对值均接近于1.处于液晶态(温度为300 K)下的液晶5CB磁化强度与外加磁场间的线性关系最明显，直线方程相关系数r达到0.99.而处于晶体相(294 K)、各相同性相(323 K)的液晶5CB磁化强度与磁场虽呈线性关系，但相关系数r均小于0.99.

当外磁场变化范围为5 000～23 000 Gs时，由图3和图4分别看出向列相液晶5CB及各相同性相液晶5CB磁矩变化直线斜率与磁场范围在-23 000～-5 000 Gs时的直线斜率一致.

另外，通过分析3条拟合直线的斜率，如图5所示，发现，当控制液晶5CB温度为300 K时，即液晶5CB处于相列相时，直线斜率的绝对值最大0.56，即液晶5CB的磁矩随外加磁场的变化情况相对较快，这是由于在相列相下，液晶5CB的分子磁矩排列相对整齐，在外加电场作用下，分子磁矩相对容易改变.当液晶5CB处于晶体相时，其直线方程斜率最小，因此，通过分析直线斜率，可以很快判断出液晶的不同相，即液晶5CB所处的实验温度，这为后续研究不同温度下液晶磁化强度随外磁场变化情况提供了一定的理论依据.

图5 不同温度下液晶5CB线性方程斜率

4 结论

磁性材料种类繁多，发展迅速，磁性流体兼固体与液体的性质，被广泛研究，应用在多个领域.液晶的光电特性一直以来是液晶显示领域的研究重点，如果在磁场作用下同样也能实现液晶的显示功能，甚至在弱磁场作用下实现，实现远程控制，则在液晶显示领域将是一个重大的突破.本文从研究液晶5CB的磁性入手，分析得出液晶5CB在一定的磁场范围内显示出抗磁性，不同相(晶体相，向列相，各相同性相)[6]下液晶5CB的磁化强度随外磁场变化情况表明，当外加磁场强度在5 000～23 000 Gs,-23 000～-5 000 Gs范围内变化时，液晶5CB磁矩表现出抗磁性，对实验数据用最小二乘法进行线性拟合进行分析，表明液晶5CB磁化强度与外加磁场呈线性关系，当液晶5CB处于向列相时(温度为300 K)，相关系数r=-0.99,最接近于-1.同时，其线性拟合方程的斜率在最大差别较大，向列相下的液晶5CB线性拟合方程斜率绝对值0.56，相对最大.即表明磁场强度对其磁化强度影响相对较大，因此，可以通过判断直线方程斜率相对大小来判断液晶不同的相[7]，即所处的实验室温度，同时得出液晶5CB在向列相下的磁化效果最好，因此，上述结果将对后续进行的相关实验有着重要的理论指导作用.

1 H. Ono, A. Hanazawa, T. Kawamura. Response Characteristics of High-performance Photorefractive Misogynic Composites’. Appl. Phys. 1999,86:1785～1790

2 G. P. Wiederrecht, M. R. Wasielewski. Photorefract- ivity in Polymer-stabilized Nematic Liquid Crystals. J. Am. Chem. Soc. 1998,120:3231～3236

3 J. Zhang, K. D. Singer. Homogeneous Photorefractive Polymer/Nematogen Composite. Appl. Phys. Lett. 1998,72(23):2948～2950

4 N. V. Kukhtarev，Holographic Storage in Electro-optic Crystal Steady State. Ferroelectrics. 1979,22(1):949～953

5 王安蓉, 许刚, 舒纯军. 磁性液体及其应用. 成都: 西南交通大学出版社,2010

6 Qiang L, Yimin X. Experimental investigation on heat transfer characteristics of magnetic fluid flow around a fine wire under the influence of and external magnetic field. Exp Therm Fluid Sci, 2009, 33(4):591～596

7 刘公强, 乐志强, 沈德芳. 磁光学. 上海: 上海科学技术出版社, 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)