CN111196927B - 液晶组合物及其制备方法、微波器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液晶组合物及其制备方法、微波器件，属于液晶材料领域。该液晶组合物包括：占所述液晶组合物总质量1％‑30％的由炔基‑苯环‑异硫氰基构成的第一类化学结构的化合物，占所述液晶组合物总质量1％‑80％的由炔基‑苯环‑异硫氰基构成的第二类化学结构的化合物，占所述液晶组合物总质量1％‑60％的由炔基‑苯环‑异硫氰基构成的第三类化学结构的化合物，以及占所述液晶组合物总质量1％‑60％的由苯环‑异硫氰基构成的第四类化学结构的化合物。该液晶组合物具有较高的介电调谐率、较低的介电损耗以及较宽的向列相温度范围，适用于制备高性能的微波器件。

Description

液晶组合物及其制备方法、微波器件

技术领域

本发明涉及液晶材料领域，特别涉及液晶组合物及其制备方法、微波器件。

背景技术

液晶材料广泛应用于滤波器、可调频率选择表面、移相器、相控阵雷达、5G通信网路等基于液晶的微波器件中，液晶材料的介电调谐率以及介电损耗直接影响着微波器件的性能。

研究发现，液晶材料的介电调谐率(τ)由液晶材料在微波下的介电各向异性(Δε)及分子平行方向的介电常数(ε_∥)所决定，其中，τ＝Δε/ε_∥。而液晶材料的介电损耗一般由其损耗最大值max(tanδ_∥,tanδ_⊥)所决定，其中，δ_∥为分子平行方向上的介电损耗角，δ_⊥为分子垂直方向上的介电损耗角，两者均可表示介电损耗角δ的大小。

以品质因子η来表征液晶材料的性能参数，η＝τ/max(tanδ_∥,tanδ_⊥)，可见，为了获得高品质的微波器件，期望液晶材料的品质因子尽可能地高，即介电调谐率尽可能地高，而介电损耗尽可能地低。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种具有高品质因子的液晶组合物及制备方法、微波器件。具体而言，包括以下的技术方案：

一方面，提供了一种液晶组合物，所述液晶组合物包括：占所述液晶组合物总质量1％-30％的具有通式Ⅰ的化合物

占所述液晶组合物总质量1％-80％的具有通式Ⅱ的化合物

占所述液晶组合物总质量1％-60％的具有通式Ⅲ的化合物

占所述液晶组合物总质量1％-60％的具有通式Ⅳ的化合物

其中，X₁、X₂均选自H、F或者碳原子数为1～5的烷基；

X₃-X₁₄均选自H或F；

Z₁、Z₂中的一个为-C≡C-，另一个为单键；

环

环

均选自

在一种可能的实现方式中，所述具有通式Ⅰ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

在一种可能的实现方式中，所述具有通式Ⅱ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

在一种可能的实现方式中，所述具有通式Ⅲ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

在一种可能的实现方式中，所述具有通式Ⅳ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

在一种可能的实现方式中，所述具有通式Ⅰ的化合物、所述具有通式Ⅱ的化合物、所述具有通式Ⅲ的化合物、所述具有通式Ⅳ的化合物分别占所述液晶组合物总质量的10％-30％、20％-50％、10％-30％、10％-30％。

另一方面，提供了一种液晶组合物的制备方法，所述制备方法包括：按照液晶组合物中各个化合物的质量百分比，将所述各个化合物加入反应器中，搅拌均匀，得到所述液晶组合物。

再一方面，提供了一种微波器件，所述微波器件上述的任一种液晶组合物制备得到。

在一种可能的实现方式中，所述微波器件为滤波器、可调频率选择表面结构、移相器、相控阵雷达或者微波天线。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的液晶组合物，包括上述配比的各化合物，其中，具有通式Ⅰ、具有通式Ⅱ和具有通式Ⅲ的化合物中，炔基-苯环-NCS基(异硫氰基)能够形成共轭体系，使得以上化合物的分子极化率较高，因此在微波作用下的介电较高，从而使得该液晶组合物具有较高的介电调谐率及较低的介电损耗，获得更高的品质因子。另外，通过具有通式Ⅳ的化合物能够调节液晶向列相的温度范围，例如能够在较低温度下维持向列相，使得该液晶组合物获得较宽的向列相温度范围。可见，本发明实施例提供的液晶组合物的上述性质使其适用于制备得到高性能的微波器件。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一方面，本发明实施例提供了一种液晶组合物，该液晶组合物包括：占液晶组合物总质量1％-30％的具有通式Ⅰ的化合物(即，具有通式Ⅰ的化合物的质量百分比为1％-30％)

占液晶组合物总质量1％-80％的具有通式Ⅱ的化合物

占液晶组合物总质量1％-60％的具有通式Ⅲ的化合物

占液晶组合物总质量1％-60％的具有通式Ⅳ的化合物

其中，X₁、X₂均选自H、F或者碳原子数为1～5的烷基；

X₃-X₁₄均选自H或F；

Z₁、Z₂中的一个为-C≡C-，另一个为单键；

环

环

均选自

本发明实施例提供的液晶组合物，包括上述配比的各化合物，其中，具有通式Ⅰ、具有通式Ⅱ和具有通式Ⅲ的化合物中，炔基-苯环-NCS基(异硫氰基)能够形成共轭体系，使得以上化合物的分子极化率较高，因此在微波作用下的介电较高，从而使得该液晶组合物具有较高的介电调谐率及较低的介电损耗，获得更高的品质因子。另外，通过具有通式Ⅳ的化合物能够调节液晶向列相的温度范围，例如能够在较低温度下维持向列相，使得该液晶组合物获得较宽的向列相温度范围。可见，本发明实施例提供的液晶组合物的上述性质使其适用于制备得到高性能的微波器件。

需要说明的是，X₁、X₂可以相同，也可以不同；X₃-X₁₄可以全部相同，还可以部分相同，也可以全部不同；环

与环

可以相同，也可以不同。并且，对于Z₁和Z₂来说，当Z₁为-C≡C-时，Z₂为单键，反之亦然。上述涉及的“碳原子数为1～5的烷基”可以是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基等。上述涉及的“△”基团指的是环丙基。

以下结合上述各化合物的化学通式，就各自适用的具体化合物种类进行示例说明：

其中，具有通式Ⅰ、具有通式Ⅱ、具有通式Ⅲ和具有通式Ⅳ的化合物分别可以包括多种，当用于组成液晶组合物中，它们均可以采用其中的一种，也可以采用其中的多种(当采用多种时，它们之间的质量比可以任意搭配)。举例来说，可以提供这样的液晶组合物，其包括：一种或多种类型的具有通式Ⅰ的化合物、一种或多种类型的具有通式Ⅱ的化合物、一种或多种具有通式Ⅲ的化合物、一种或多种类型的具有通式Ⅳ的化合物。

作为示例，具有通式Ⅰ的化合物选自以下化合物中的至少一种(即可以采用下述的任意一种或者同时采用多种)：

当然，不仅仅限于以上，具有通式Ⅰ的化合物还可以如下述所示：

等。

作为示例，具有通式Ⅱ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

当然，不仅仅限于以上，具有通式Ⅱ的化合物还可以如下述所示：

等。作为示例，具有通式Ⅲ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

当然，不仅仅限于以上，具有通式Ⅲ的化合物还可以如下述所示：

等。

作为示例，具有通式Ⅳ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

当然，不仅仅限于以上，具有通式Ⅳ的化合物还可以如下述所示：

等。

为了使液晶组合物的介电调谐能力和向列相温度范围足够均衡，本发明实施例中，具有通式Ⅰ的化合物、具有通式Ⅱ的化合物、具有通式Ⅲ的化合物、具有通式Ⅳ的化合物分别占液晶组合物总质量(即质量百分比)的10％-30％、20％-50％、10％-30％、10％-30％。

举例来说，具有通式Ⅰ的化合物的质量百分比可以为10％、13％、15％、18％、20％、22％、25％、27％、30％等。

具有通式Ⅱ的化合物的质量百分比可以为20％、22％、25％、27％、30％、22％、33％、36％、39％、40％、44％、47％、49％等。

具有通式Ⅲ的化合物的质量百分比可以为11％、12％、15％、17％、21％、23％、25％、28％、30％等。

具有通式Ⅳ的化合物的质量百分比可以为10％、12％、15％、18％、20％、22％、26％、28％、30％等。

以下结合实例来进一步描述本发明实施例提供的液晶组合物及其物理性能。其中，物理性能测试方法如下所示：将液晶组合物封装于内径为0.6mm，外径为1mm的PTFE毛细管中，插入金属谐振腔，使用磁场对液晶组合物进行取向，应用谐振腔微扰法，采用矢量网络分析仪对该液晶组合物进行测试，具体是测试19GHz、20℃下介电各项异性、介电调谐率(τ)和介电损耗(tanδ)，并计算得到品质因子η。

表1-表3中所示的液晶组合物均由本发明实施例所提供，表4所示液晶组合物为目前现有技术所提供的，在此用作对比，以确定本发明实施例提供的液晶组合物的品质因子是否得到显著提高。

表1

表2

表3

表4

表1-表4所示液晶组合物的物理性能(即，高频性能)可以参见表5：

表5

项目	介电调谐率τ	介电损耗tanδ	品质因子η
				表1所示液晶组合物	0.3	0.012	25
表2所示液晶组合物	0.32	0.013	24.6
				表3所示液晶组合物	0.34	0.012	28.3
表4所示液晶组合物	0.07	0.018	3.8

由表5可知，本发明实施例提供的液晶组合物表现出良好的高频性能，适用于制备得到高品质的微波器件。

另一方面，本发明实施例还提供了上述液晶组合物的制备方法，该制备方法包括：按照液晶组合物中各个化合物的质量百分比，将各个化合物加入反应器中，搅拌均匀，得到液晶组合物。

其中，上述搅拌过程可以通过磁力搅拌来实现，搅拌时间可以为0.5-2小时，例如1小时、1.5小时等。在一种示例中，反应器可以为玻璃反应瓶，在其中加入磁力转子，利用磁力搅拌器即可进行上述搅拌过程。

在上述制备液晶组合物的过程中，可以使反应器内温度保持在55-70℃，例如55℃、58℃、60℃、63℃、65℃等。

再一方面，本发明实施例还提供了一种微波器件，该微波器件采用上述提及的任一种液晶组合物制备得到。

基于上述液晶组合物GHz频率下对电磁波具有较高的介电调谐率以及较低的介电损耗，使得所制备的微波器件具有良好的调谐能力，获得优异的品质。

举例来说，本发明实施例所涉及的微波器件包括但不限于：滤波器、可调频率选择表面结构、移相器、相控阵雷达或者微波天线等，例如，在用于微波天线时，其能够获得高性能的5G通信网路。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包括：占所述液晶组合物总质量10％-30％的具有通式Ⅰ的化合物

占所述液晶组合物总质量20％-50％的具有通式Ⅱ的化合物

占所述液晶组合物总质量10％-30％的具有通式Ⅲ的化合物

占所述液晶组合物总质量10％-30％的具有通式Ⅳ的化合物

其中，X₁、X₂均选自H、F或者碳原子数为1～5的烷基；

X₃-X₁₄均选自H或F；

Z₁、Z₂中的一个为-C≡C-，另一个为单键；

环

环

均选自

2.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述具有通式Ⅰ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

3.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述具有通式Ⅱ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

4.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述具有通式Ⅲ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

5.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述具有通式Ⅳ的化合物选自以下化合物中的至少一种：

6.权利要求1-5任一项所述的液晶组合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：按照液晶组合物中各个化合物的质量百分比，将所述各个化合物加入反应器中，搅拌均匀，得到所述液晶组合物。

7.一种微波器件，其特征在于，所述微波器件采用权利要求1-5任一项所述的液晶组合物制备得到。

8.根据权利要求7所述的微波器件，其特征在于，所述微波器件为滤波器、可调频率选择表面结构、移相器、相控阵雷达或者微波天线。