安泰电压放大器赋能聚合物稳定胆甾相液晶智能窗口研究

实验名称：胆甾液晶的光学性能，其反射谱、透射谱以及在不同条件下的光学响应研究

研究方向：可见光透过率可调的mnSmart窗因其易于控制、外观美观、显著提高建筑居民的舒适度而受到学术界和工业界的广泛关注，并已应用于建筑、交通、电子或光学器件等各个领域。聚合物分散液晶（PDLC）作为智能窗户已经得到了广泛的应用。由于液晶分子组成的液滴的光轴是自由取向的，通过基体的光被液滴散射明显，由于它们的折射率不匹配，呈现不透明的乳白透明状态。LC分子在带电状态下与电场排列一致，呈现透明。与PDLC相比，聚合物稳定液晶（PSLC）倾向于形成具有节点或纤维构象的松散聚合物网络。据文献报道，PSLC可以在透明或不透明状态下初始化，并且可以在较低的外部电压下驱动快速切换。但PSLC在散点状态下40%-50%的相对轻度雾霾也严重制约了其实际利用。胆固醇液晶（CLC）由自组装成螺旋结构的细长分子组成，不仅可以在透明和散射状态之间切换，而且具有反射不同波长的功能。聚合物稳定胆固醇液晶（PSCT）可以成功地取代PSLC中的向列相液晶。PSCT可以在initialized透明模式下初始化，其中，chlc呈平面织构(P)，由于chlc的原始布拉格反射而反射入射光。

当施加适当的电压时，LC分子在电场作用下倾向于转变为各向同性织构（H态）。然而，聚合物网络与LC分子之间的相互作用倾向于保持P态。因此，两种力对抗的结果是最终在PSCT中形成多域焦锥织构（FC态），由于聚合物网络和lc之间的折射率不匹配，该织构是不透明的。去除外部电压后，在LC分子相互作用和聚合物网络平衡取向的双重作用下，PSCT恢复到初始P态，PSCT变得透明，并再次反射红外光。由于聚合物网络的稳定作用，chlc电池可以在透明状态和不透明状态之间循环稳定地切换。PSCT也可以在正常不透明模式下初始化（与之前的正常透明模式相反），在这种模式下，chlc在没有外电场的情况下处于散射纹理（Fc），并且可以在外电场的作用下横向切换到透明模式。

实验目的：深入理解胆甾液晶的光学特性，这种结构如何影响光的传播和调制，从而为实现智能窗口的动态透光率控制提供理论基础。

测试设备：ATA-2021B高压放大器、信号发生器、示波器、精确温控台、偏振光显微镜

实验过程：基于高热稳定聚合物稳定胆甾液晶的智能窗口，其工作原理主要依赖于胆甾液晶的光学调制性能和聚合物的热稳定性。当外界条件（如温度、电场等）发生变化时，胆甾液晶分子会发生取向变化，从而改变窗口的透光率和热辐射透过量。高热稳定聚合物则确保这一过程中窗口的整体结构稳定性和性能持久性。在Chlc中加入了YP-011PSCT。后将YP-011PSCT注入10μm细胞，放在精确温控台控制温度。电光的性能采用液晶材料自动测试系统，使用信号发生器产生激励信号再通过高压放大器ATA-2021B放大施加电场至样品两端，同时示波器可以观察输出端电压，从而控制电场，再用偏振光显微镜观察实验现象。

图1：高热稳定聚合物稳定胆甾液晶智能窗口实验流程图

实验结果：

图2(a)透射率与电压的关系；(b)3%、4%和5%RM257掺杂YP-的透射率随时间的变化011PSCT细胞。

利用自动LCD测试仪对3%、4%和5%RM257掺杂YP-011PSCT的电光性能进行了评价，如图2所示，通过提高RM257的掺杂浓度，驱动正常透明YP-011PSCT变为不透明的阈值电压显著增加，但相应的上升时间和衰减时间显著减少。其中，3%RM257掺杂YP-011PSCT的阈值电压、上升时间和衰减时间分别为22.908v、85.442ms和18.617ms；将RM257的掺杂浓度提高到5%，阈值电压提高到31.172V，上升时间和衰减时间分别缩短到66.001ms和5.336ms，阈值电压提高了36.07%，上升时间减少了22.75%，衰减时间减少了71.34%。聚合物基体越坚固、密度越高，chlc的锚定能越强，阈值电压越高。同时，更坚固、更致密的聚合物基体也会产生空间位阻的升高，从而显著缩短了提升时间和衰减时间，从而阻碍了外电场对chlc的尺寸切换。

电压放大器推荐：ATA-2021B

图：ATA-2021B高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇