随着 5G、人工智能、大数据等新一代信息技术逐步成熟，显示产业作为信息交互的重要端口，将持续引领电子信息产业的升级发展。我国已经成为全球新型显示面板的主要生产基地。液晶材料属于有机光电功能材料，是 21 世纪信息时代的一种重要显示材料，尽管液晶材料在器件中用量不大，但其决定着显示器件或光电器件的性能。
液晶材料的应用前景
我国相继实施了一系列电子信息产业创新发展计划，推动液晶显示成为电子信息产业的支柱，截至 2020 年已投产和即将投产的液晶显示屏生产线为 26 条，总投资额 4000 多亿元。近年来，随着我国液晶面板产能在全球市场占比的持续扩大，作为液晶面板产业链配套的核心——液晶材料在我国的耗用量也在不断攀升，2020 年我国液晶显示材料耗用量全球占比约 56% 。截至 2021 年， TFT-LCD 占整个平板显示行业总产值比例超过 80% ，是主流的液晶显示技术，其显示亮度高、对比度好、反应速度快、色彩逼真，在手机、电脑、电视等产品中应用广泛。近年来，亚毫米级发光二极管 (mini-light emitting diode ， Mini-LED) 背光成为了TFT-LCD 技术升级的创新驱动，性能并不逊于有机发光二极管 (organic lightemitting diode ， OLED) 产品，未来显示用液晶材料耗用量将随着大尺寸面板需求增加而同步增长。除显示领域外，液晶材料因为具备优异的可调制电光特性，在液晶智能窗、液晶空间光调制器、液晶太赫兹元件、蓝相液晶光子器件等非显示领域光电器件中的应用前景广阔且应用价值巨大。
液晶智能窗可以根据个人喜好调节入射光的强]弱，控制太阳光的热辐射，在节能建筑、汽车、火车、飞机及医疗保健等行业深受人们的喜爱。目前，液晶智能窗已经成熟应用于节能建筑和高档汽车，不仅有利于形成私密空间，而且在冷热循环系统中起着重要的作用。液晶智能窗是将液晶作为光调制材料，在外加电场作用下，改变液晶分子的指向矢，进而实现对光进行动态调控的目的。液晶智能窗使用的液晶材料主要包括：聚合物分散液晶 (polymer dispersed liquid crystal ，PDLC) 、聚合物网络液晶(polymer network liquid crystal ， PNLC) 和染料液晶。PDLC智能窗可以在透明和不透明状态之间切换，主要应用在商用办公场景，可灵活实现私人空间。另外两种液晶智能窗不仅有开和关两种状态，而且可以通过施加电压获得不同的透明度，在汽车、火车、飞机等行业具有广泛的应用。
液晶空间光调制器 (liquidcrystal-spatial light modulator ， LC-SLM) 是一种基于硅基液晶 (liquidcrystal on silicon ， LCoS) 显示技术的液晶光学器件，具有高亮度、高分辨率密度、高光学效率和低能耗等优点，在相位调制、增强现实显示、光束转向、激光束整形、自适应光学等领域已得到广泛应用。LC-SLM 是将液晶作为光调制材料，利用液晶的扭曲效应、动态散射效应、电控双折射率效应、宾主效应、相变效应，调节液晶分子的指向矢，进而调制光场的振幅、相位、偏振，或实现非相干-相干光的转换。随着 LC-SLM 对毫秒响应速度、 2π相位调制、低工作电压等性能的迫切需求，开发具有低黏度、高双折射率和大介电各向异性的液晶材料是未来液晶材料发展的重要方向之一。如果 LC-SLM 应用于激光显示、激光束整形、激光束转向等领域，还需考虑液晶材料的光热稳定性。
▲液晶材料的纹影织构向列相和焦锥织构近晶相 POM 照片
▲液晶材料介晶性能表征常用仪器
液晶太赫兹 (terahertz ， THz) 元件主要包括液晶 THz 相移器、液晶 THz 波片、液晶 THz 滤波器、液晶可调 THz 吸收器等。液晶材料具有独特的介电和光学各向异性，通过外场 ( 电场、磁场、光场等 ) 调节液晶分子的指向矢，从而对光在 THz波段的振幅、位相、偏振等性质进行有效调控，使得液晶 THz 元件在安检、生物医学、无损探测、自由空间通信等诸多领域具有巨大的应用潜力。未来在 THz 波段要发展综合性能优异的高 ∆n 液晶材料，探究蓝相液晶、铁电液晶等新型液晶材料在 THz 波段的特性，研究液晶材料在 THz 强场下的非线性效应，实现各种性能优异的液晶材料与超材料、 2D 材料三者相结合等，这些研究成果必将在 THz通信、 THz 成像、 THz 传感、 THz 探测等领域发挥其独特作用。
▲液晶材料的物理性能和显示器件参数之间的关系
蓝相液晶材料具备偏振无关、快速响应速度、选择性反射、软光子晶体特性等独特的性能，在衍射光栅、透镜、激光、相位调制器和可调光衰减器等光子器件领域有广阔的应用前景。聚合物稳定、弯曲型分子诱导、氢键诱导、偶氮基团诱导、纳米颗粒掺杂、功能化石墨烯掺杂等方法拓宽了蓝相液晶材料的温宽，为蓝相液晶光子器件的广泛应用奠定了坚实的基础。未来要在优化蓝相液晶材料的合成工艺和规模化制备技术，增大宽温区蓝相液晶材料的克尔常数，保证光固化后蓝相液晶系统具有稳定的性能等方面继续开展产、学、研协同合作研究，必将在下一代偏振无关、高速响应、节能蓝相液晶光子器件领域发挥无可替代的作用。
目前，液晶物理、液晶化学及液晶显示器件的成果比较多，但是重点介绍液晶材料合成的著作很少。《液晶合成与液晶材料》主要介绍显示用液晶材料的合成、纯化和分析表征技术等内容，期望能为从事有机光电新材料尤其是液晶材料开发与研制工作的人员提供基础知识与技术。本书所述液晶材料分为两类，一类是具有独特液晶特性的液晶化合物，另一类是满足实际应用需求的混合液晶。
全书共 9 章，第 1 章主要介绍液晶显示及液晶材料的发展历史，液晶材料的常见性能及其表征方法，液晶显示模式对液晶材料的要求，以及液晶材料的设计合成和应用前景等内容。第 2～8 章分别介绍环己烷类液晶材料、萘衍生物液晶材料、桥键类液晶材料、含氟液晶材料、端烯液晶材料、杂环液晶材料及手性液晶材料，主要围绕这几类液晶材料关键基团的构建、合成设计与典型反应、分离及表征方法、结构与性能关系等方面展开介绍。第 9 章重点介绍混合液晶材料的纯化技术和性能评价方法，同时介绍混合液晶材料的配方设计原则、薄膜晶体管液晶显示用混合液晶材料的性能等。
内容简介
《液晶合成与液晶材料》系统介绍液晶材料的合成、纯化及分析表征技术。首先介绍液晶材料性能及表征方法，液晶显示模式对液晶材料的要求，以及液晶材料的设计合成与应用前景等；其次介绍环己烷类液晶材料、萘衍生物液晶材料、桥键类液晶材料、含氟液晶材料、端烯液晶材料、杂环液晶材料，以及手性液晶材料关键基团的构建合成设计与典型反应、分离及表征方法、结构与性能关系等；最后介绍混合液晶材料的纯化、性能评价方法与制备技术，以及混合液晶材料的配方设计原则、混合液晶材料的性能等。
目录速览
前言
第1章 绪论 1
1.1 液晶及液晶显示 1
1.2 液晶材料的性能及表征方法 3
1.2.1 介晶性能 3
1.2.2 光学性能 5
1.2.3 电学性能 6
1.2.4 黏弹性能 8
1.3 液晶显示模式对液晶材料的要求 9
1.3.1 TN-TFT/VA-TFT对液晶材料的要求 10
1.3.2 IPS-TFT/FFS-TFT对液晶材料的要求 13
1.4 液晶材料的设计合成 15
1.4.1 棒状液晶材料的分子设计 15
1.4.2 棒状液晶材料的合成方法 16
1.5 液晶材料的应用前景 19
参考文献 20
第2章 环己烷类液晶材料 23
2.1 环己烷类液晶材料的类型 23
2.1.1 双环己烷液晶 24
2.1.2 苯基环己烷液晶 24
2.1.3 含桥键的环己烷液晶 25
2.1.4 其他环己烷液晶 26
2.2 环己烷骨架的构建 27
2.2.1 苯加氢法 27
2.2.2 环己烯法 28
2.2.3 环己酮法 29
2.3 环己烷顺反异构体转型 31
2.3.1 顺反异构体转型简介 31
2.3.2 顺反异构体转型方法 33
2.3.3 经典案例分析 38
2.4 典型环己烷类液晶的合成 39
2.4.1 典型环己烷液晶中间体的合成 40
2.4.2 苯基环己烷液晶的合成 42
2.4.3 双环己烷液晶的合成 44
2.4.4 含桥键环己烷液晶的合成 45
2.4.5 其他环己烷液晶的合成 47
2.5 环己烷类液晶的构性关系 48
2.5.1 环己烷结构对液晶热性能的影响 49
2.5.2 环己烷结构对液晶光电性能的影响 54
参考文献 55
第3章 萘衍生物液晶材料 60
3.1 萘衍生物液晶材料的类型 60
3.2 萘衍生物骨架的构建 61
3.2.1 萘骨架的构建 61
3.2.2 十氢萘骨架的构建 62
3.2.3 四氢萘骨架的构建 65
3.3 典型萘衍生物液晶的合成 66
3.3.1 萘环液晶的合成 66
3.3.2 十氢萘液晶的合成 69
3.3.3 四氢萘液晶 71
3.4 萘衍生物液晶的性能 73
3.4.1 萘衍生物液晶化合物的性能 73
3.4.2 萘衍生物混合液晶的性能 74
参考文献 83
第4章 桥键类液晶材料 86
4.1 桥键类液晶材料的类型 86
4.2 桥键的构建 87
4.2.1 乙炔桥键的构建 87
4.2.2 乙撑桥键的构建 94
4.2.3 二氟甲醚桥键的构建 96
4.2.4 酯基桥键的构建 99
4.2.5 亚甲氧基桥键的构建 100
4.2.6 乙烯桥键的构建 100
4.2.7 氟代乙撑桥键的构建 101
4.2.8 氟代乙烯桥键的构建 104
4.2.9 其他桥键的构建 106
4.3 典型桥键类液晶的合成 108
4.3.1 乙炔桥键液晶的合成 108
4.3.2 乙撑桥键液晶的合成 108
4.3.3 二氟甲醚桥键液晶的合成 110
4.3.4 酯基桥键液晶的合成 112
4.3.5 亚甲氧基桥键液晶的合成 112
4.3.6 乙烯桥键液晶的合成 113
4.3.7 1,1-二氟乙撑桥键液晶的合成 114
4.3.8 亚胺桥键液晶的合成 114
4.3.9 偶氮桥键液晶的合成 115
4.4 桥键类液晶的构性关系 116
4.4.1 桥键对液晶热性能的影响 116
4.4.2 桥键对液晶光电性能的影响 120
参考文献 121
第5章 含氟液晶材料 125
5.1 含氟液晶材料的类型 125
5.2 致晶单元中氟原子的构建 126
5.2.1 环己烷致晶单元中氟原子的构建 126
5.2.2 含氧杂环致晶单元中氟原子的构建 127
5.2.3 茚环/菲环致晶单元中氟原子的构建 128
5.3 侧氟液晶的合成 130
5.3.1 正性侧氟液晶的合成 130
5.3.2 负性侧氟液晶的合成 131
5.4 端氟液晶的合成 134
5.4.1 3,3,3-三氟丙烯端氟液晶的合成 134
5.4.2 2-氯-3,3,3-三氟丙烯端氟液晶的合成 135
5.4.3 5,6-二氟茚端氟液晶的合成 135
5.4.4 三氟甲基端氟液晶的合成 136
5.5 超级氟液晶的合成 137
5.5.1 超级氟液晶5075的合成 137
5.5.2 超级氟液晶5076和5077的合成 138
5.5.3 超级氟液晶5078的合成 139
5.6 含氟液晶性能及其构性关系 140
5.6.1 小介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系 140
5.6.2 正介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系 143
5.6.3 负介电各向异性含氟液晶性能及其构性关系 150
参考文献 156
第6章 端烯液晶材料 161
6.1 端烯液晶材料的类型 161
6.2 端烯及端烯衍生物液晶的构建策略 162
6.2.1 分子中端烯的构建 162
6.2.2 典型端烯液晶的合成 164
6.3 端烯液晶的构性关系 174
6.3.1 末端取代基对端烯液晶性能的影响 174
6.3.2 致晶单元对端烯液晶性能的影响 176
6.3.3 侧向取代基对端烯液晶性能的影响 177
6.3.4 端烯液晶对混合液晶性能的影响 177
参考文献 178
第7章 杂环液晶材料 181
7.1 杂环液晶材料的类型 181
7.2 杂环结构的构建 182
7.2.1 三元杂环的构建 182
7.2.2 四元杂环的构建 184
7.2.3 五元杂环的构建 184
7.2.4 六元杂环的构建 193
7.3 典型杂环液晶的合成 195
7.3.1 呋喃液晶的合成 196
7.3.2 四氢吡喃液晶的合成 196
7.3.3 苯并噁唑液晶的合成 197
7.3.4 苯并咪唑液晶的合成 198
7.3.5 吡啶液晶的合成 198
7.4 杂环液晶的构性关系 199
7.4.1 杂原子种类对杂环液晶性能的影响 199
7.4.2 杂原子数量对杂环液晶性能的影响 200
7.4.3 末端取代基对杂环液晶性能的影响 200
7.4.4 侧向取代基对杂环液晶性能的影响 201
参考文献 202
第8章 手性液晶材料 206
8.1 手性液晶材料的类型 206
8.1.1 胆甾醇类手性液晶 206
8.1.2 非胆甾醇类手性液晶 207
8.2 手性试剂的构建 207
8.2.1 胆甾醇的构建 207
8.2.2 其他手性试剂的构建 207
8.3 典型手性液晶的合成 211
8.3.1 胆甾醇类手性液晶的合成 211
8.3.2 非胆甾醇类手性液晶的合成 212
8.4 手性液晶的构性关系 215
8.4.1 末端取代基对手性液晶性能的影响 215
8.4.2 侧向取代基对手性液晶性能的影响 218
8.4.3 致晶单元对手性液晶性能的影响 219
参考文献 220
第9章 混合液晶材料的纯化和制备 223
9.1 混合液晶材料简介 223
9.2 液晶材料的纯化 224
9.2.1 液晶化合物的纯化方法 224
9.2.2 液晶化合物的纯化实例 227
9.2.3 混合液晶材料的纯化方法 233
9.3 混合液晶材料的性能评价 234
9.3.1 评价方法 234
9.3.2 性能评价 236
9.4 混合液晶材料的制备 236
9.4.1 混合液晶材料配方设计原则 236
9.4.2 混合液晶材料制备方法 237
9.4.3 基础配方的制备 238
9.5 混合液晶材料的性能 240
9.5.1 TN-TFT混合液晶的性能 240
9.5.2 VA-TFT混合液晶的性能 243
9.5.3 IPS-TFT混合液晶的性能 245
9.5.4 FFS-TFT混合液晶的性能 247
参考文献 248
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（本期编辑：王芳）
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