第五章材料的結構與物理性能材料應用的依據或基礎是它們的一般物理性能（如力學性能）和特殊的物理性能（如光、電、磁等功能）.結構材料：以一般的物理性能作為應用基礎的材料往往起著承擔力學負荷的結構件作用。功能材料：以特殊的物理性能作為應用基礎的材料，應用的主要目標注重于光、電、磁等特殊性能。1材料的宏觀性能，都取決于它們的微觀結構特征。材料科學或工程研究的重要任務是了解材料的結構與它們物理性能的關系。25.1晶體材料的結構與物理性能組成晶體的分子、原子或離子在空間有一定規(guī)律的和周期性的重復排列，因此賦予了晶體材料一些共同的和基本的特性。晶體中分子、原子或離子排列的周期很小，在宏觀上分辯不出這種微觀上的不連續(xù)性，晶體材料的各個部位所體現(xiàn)出來的宏觀性能是相同的，也就是說材料總體體現(xiàn)出來的性能是均勻的，如密度、硬度等。1.均勻性3組成材料的元素不同，以及制備、加工方法、加工工藝的不同，分子、原子或離子在晶體材料中不同方向上的排列往往也是不同的，這使得晶體材料在不同方向上宏觀性能也往往產生差異，即宏觀的物理性能具有各向異性，如電導率、熱膨脹系數、折光率以及機械強度等。2.各向異性4

晶體材料在制備或加工過程中，晶體生長自發(fā)形成晶面，晶面相交成為晶棱，而晶棱相交又會聚成晶體的頂點，這使得堆積的晶體總體也呈現(xiàn)出多面體的結構。3.多面體外形5

由于每種晶體材料的微觀結構具有其共同性和均勻性，于是這種微觀的結構的破壞都具有確定性和很小的溫度范圍，即具有明顯的熔點。4.確定的和明顯的熔點

由于組成晶體材料的周期性排列的晶體相當于三維光柵，能使波長相當的X射線、電子流或中子流產生衍射效應，這就成為了解晶體材料內部結構的重要實驗方法。5.衍射效應65.2非晶體材料的結構與物理性能

相對于晶體材料的結構而言，非晶體材料其組成分子、原子或離子在空間缺少周期性的排列規(guī)律特征，它們的微觀結構千變萬化十分復雜，這就賦予了非晶體材料多種多樣的豐富性。7雖然非晶體材料的宏觀基本性能也具有均勻性等特征，但它們與晶體材料有完全不同的微觀結構形式，因此非晶體材料的宏觀基本性能與晶體材料有著完全不同的原理。就均勻性而言，非晶體材料是由于分子、原子或離子雜亂無章的分布，基于無序分布的統(tǒng)計性規(guī)律得到的，而不是晶體材料的周期性的排列規(guī)律得到的。8非晶體材料具有其本身的微觀結構特征，因此也具有其特殊的物理性能和應用。玻璃體的結構特點是缺少長程周期性。重要的玻璃體有：氧化物玻璃、金屬玻璃、非晶半導體和聚合物。

9玻璃的性質有兩大特點：透明和易碎。石英玻璃質地均勻，內部沒有反射光的界面，光線通過時，不發(fā)生反射和折射，所以是透明的。玻璃結構缺少能發(fā)生滑動或流動的平面，當超過允許的最大應變值時，就會發(fā)生鍵的斷裂而破碎。玻璃拉成纖維，力學性能就會發(fā)生極大的變化。氧化物玻璃105.3液晶材料的結構與物理性能液晶：是介于晶體和液體之間的一種物質形態(tài)（流動的晶體），各向異性流體，所以，有時又把它叫做介晶態(tài)。液晶的發(fā)現(xiàn)打破了人們關于物質三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）的常規(guī)概念。

材料的液晶態(tài)只有在一定的溫度區(qū)間內存在。液晶象液體，能夠流動；同時又象晶體，沿著分子長軸具有取向的長程有序性。從宏觀性能看，液晶的介電常數、折射率、磁化率和電導率等象晶體，是各向異性的。11用偏光顯微鏡來觀察液晶，根據它們呈現(xiàn)的紋理結構（一種圖案），可把液晶分成三種類型三種相。近晶型液晶或近晶相向列型液晶或向列相膽甾型液晶或膽甾相近晶型液晶的分層排列，有同一方向，與晶體相近。向列型液晶的分子位置雜化，但方向一致。膽甾型液晶，最早是從膽甾醇類物質中發(fā)現(xiàn)的。

12分子具有一長的剛性中心，呈棒狀,其一端或兩端具有柔性尾鏈。分子取向是長程有序的，但分子的質心的分布是無規(guī)則的，因此只保存著一維有序性。分子的長軸方向上到處都存在著連續(xù)的變化，在外力作用下發(fā)生流動時，由于這些分子容易沿流動方向取向，并可在流動取向中互相穿越，因此，向列型液晶都有相當大的流動性。1.向列相13向列型液晶結構示意圖142.膽甾相分子呈層狀排列，每層中分子長軸大致平行，相鄰兩個平面上的分子長軸方向相差一確定的角度，由分子取向的研究表明，分子的排列呈螺旋狀。由于這些扭轉的分子層之間的作用，使膽甾型液晶具有彩虹般的顏色和極高的旋光本領等獨特的光學性質。15

膽甾型液晶結構示意圖163.近晶相所有液晶中最接近晶體結構的一類。在這類液晶中，棒狀分子依靠所含官能團提供的垂直于分子長軸方向的強有力的相互作用，互相平行排列成層狀結構。分子的長軸垂直于層片平面。近晶型液晶一般在各個方向上都是非常粘滯的。在層內，分子排列保持著二維有序性，分子可以在本層內活動，但不能來往于各層，因此層與層之間可以相互滑動；而垂直于層片方向的流動則要困難的多。17

近晶型液晶結構示意圖18

液晶分子中分子排列的各向異性，使材料的宏觀性能出現(xiàn)以下各向異性。如介電常數、折射率、磁化率和電導率、反射率的各向異性。19電光效應：液晶在電場作用下，光學性能發(fā)生變化。電子計算器、鐘表等的數字顯示就是液晶電光效應的應用。利用液晶的熱效應（即液晶的光學性能隨溫度的變化）可作醫(yī)學上的皮癌檢查和腫瘤部位的測定，還可用于測定細胞內的化學反應。此外，還應用于航空機械和冶金產品的無損探傷和高分子反應中的定向聚合等。20液晶的分類方法按照液晶的形成條件分類按照分子排列的形式和有序性分類21按照液晶的形成條件分類

采用降溫的方法,即將熔融的液體降溫，當降溫到一定程度后分子的取向有序化，從而獲得液晶態(tài)。

有機分子溶解在溶劑中，使溶液中溶質的濃度增加，溶劑的濃度減小，有機分子的排列有序而獲得液晶。熔致液晶熱致液晶22構成液晶態(tài)的結構單元棒狀分子

盤狀分子由長鏈或盤狀分子連接而成的柔性長鏈聚合物由雙親分子自組裝而成的膜23液晶材料與液晶顯示器的原理液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的分類液晶的電光效應液晶顯示器的基本原理24液晶的發(fā)現(xiàn)

1888年，奧地利植物學家萊尼茨爾在做加熱膽甾醇苯甲酸脂結晶的實驗時發(fā)現(xiàn)：在145.5攝氏度時，結晶凝結成渾濁粘稠的液體，加熱到178.5攝氏度時,形成了透明的液體。德國物理學家萊曼用偏光顯微鏡觀察時，發(fā)現(xiàn)這種材料有雙折射現(xiàn)象，他闡明了這一現(xiàn)象并提出了“液晶”這一學術用語。25液晶材料

液晶的發(fā)現(xiàn)已經有100多年的歷史，但近20年來才獲得了快速的發(fā)展。這是因為液晶材料的電光效應被發(fā)現(xiàn)。因而被應用在低電壓和輕薄短小的顯示組件上。目前液晶材料已被廣泛應用于計算機顯示屏，電子表，手機，計算器等電子產品上。成為顯示工業(yè)不可或缺的重要材料。26

生活中的液晶顯示材料back27液晶分子的電光效應描述液晶分子電光效應的重要物理量

介電系數折射系數28液晶分子的電光性質

液晶分子大多由棒狀或碟狀分子形成,所以與分子長軸平行或垂直方向的物理特征會有所差異，這就是液晶分子結構的異方性．由于液晶分子結構的異方性，所以液晶分子在介電系數和光電系數等光電系數上都具有異方性．29液晶分子的電光性質介電系數：介電系數可以分為與指向矢平行的分量和與指向矢垂直的分量。當時稱為介電系數異方性為正型的液晶。可以用在平行配位。當時稱為介電系數異方性為負型的液晶。只有用在垂直配位才能顯示所需的電光效應。

30液晶分子的電光性質折射系數：折射系數也同介電系數相似，依照與指向矢垂直與平行的方向分成兩個方向的向量。與指向矢平行的分量為，與指向矢垂直的分量為．

back31液晶顯示器(LCD)的基本原理

LiquidCrystalDisplay１．偏振片透光原理２．液晶對光線的調制作用３．常見的三種液晶顯示器32液晶顯示器的基本原理偏振片透光原理：

偏振片只允許偏振方向與它的偏振化方向平行的光透過，如果讓兩個偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向與第二個偏振片的偏振化方向垂直，光不能通過第二個偏振片．33液晶顯示器的基本原理

把液晶放在兩個偏振片之間，在向列型液晶中，棒狀分子的排列是彼此平行的。如果上下兩玻璃槽定向是彼此垂直的，液晶分子將采取逐漸過渡的方式被扭轉成螺旋狀。34

當線性偏極光射入上層槽狀表面時，此光線隨著液晶分子的旋轉也產生旋轉。當線性偏極光射出下層槽狀表面時，此光線已經產生了90度的旋轉。液晶顯示器的基本原理

當在上下表面之間加電壓時，液晶分子會順著電場方向排列，此時入射光線不再會旋轉，因而光線直線射出下表面。液晶顯示器的基本原理液晶顯示器的基本原理

如果有光線進入，通過第一個偏振片后，將被液晶分子逐漸改變偏振方向。由于光線沿著分子排列的方向傳播，光線最終將從另一端射出。如果兩玻璃板之間加上電壓，分子排列方向將與電場方向平行，光線由于不能扭轉將不會通過第二個極板。37液晶顯示器的基本原理

液晶顯示器就是利用這一特性，在上下兩片柵欄相互垂直的偏光板之間充滿液晶，利用電場控制液晶的轉動。不同的電場大小就會形成不同的灰階亮度。38液晶顯示器結構液晶顯示器是一個由上下兩片導電玻制成的液晶盒，盒內充有液晶，四周用密封材料——膠框密封，盒的兩個外側貼有偏光片。39常見的三種液晶顯示器TN-LCD(扭曲向列型液晶顯示器）

TwistedNematic-LCD

常用于電子手表，計算器40常見的三種液晶顯示器STN-LCD(超扭曲向列型液晶顯示器）

SuperTwistedNematic-LCD

常用于手機顯示屏,游戲機屏

41常見的三種液晶顯示器TFT-LCD(薄膜型液晶顯示器）

ThinFilmTransistor-LCD

常用于液晶顯示屏，數碼照相機42TN、STN型的結構

液晶盒中玻璃片的兩個外側分別巾有偏光片，這兩片偏光片的偏光軸相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且與液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片一般是將高分子塑料薄膜在一定的工藝條件下進行加工而成的。43TN型液晶

向列型液晶夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明導電薄膜ITO(氧化銦錫)以作電極之用，然后在有薄膜電極的玻璃上涂取向層PI(聚酰亞胺)，以使液晶順著一個特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然狀態(tài)具有90度的扭曲，利用電場可使液晶分子旋轉，液晶的雙折射率隨液晶的方向而改變，結果偏振光經過TN型液晶后偏振方向發(fā)生轉動。44TN型液晶

只要選擇適當的厚度使偏振光的偏振方向剛好改變90度，就可利用兩個平行偏光片使得光完全不能通過。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場方向平行，這樣光的偏振方向就不會改變，光就可通過第二個偏光片．45STN型液晶

STN型的顯示原理與TN相類似，不同的是TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度，而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180~270度。46STN型液晶

單純的TN液晶顯示器本身只有黑白兩種情形，而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。如果在單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片，并將單色顯示像素分成三個子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的色彩。47TFT型液晶48TFT型液晶

在玻璃基片上沉積一層硅,通過印刷光刻等工序作成晶體管陣列,每個像素都設有一