1

2.2 晶态材料和非晶态材料

2.2.1 晶态材料和非晶态材料的异同

晶体广泛存在，并可以用各种偏离理想晶体的缺陷使其具有一定的性质，晶体材料是固体

材料的核心。非晶态材料指非结晶状态的材料，一般指以非晶态半导体和非晶体金属为主的普

通低分子的非晶态固体材料，广义地，还包括玻璃、陶瓷以及非晶态聚合物。

晶态材料和非晶态材料都是真实的固体，其内部的原子都处于完全确定的平衡位置附近，

并围绕平衡位置坐振动；都具有固体的基本属性，即宏观表现为连续刚体，不流动有确定的形

状，体积不变动；具有弹性硬度，可反抗切应力。

两者的本质区别是晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空

间排列的状态；非晶态材料只有在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态，为短

程有序。

2.2.2 水泥和玻璃

水泥、玻璃和陶瓷都属于传统的无极非金属材料。它们都是以硅酸盐为主要成分的材料，

也包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。由于化学结构的原因，它们大多具有耐压强度高、

硬度大、耐高温、抗腐蚀等特点。

1.水泥

水泥是一类非常基础的建筑材料，与水混合后，经过物理化学过程能由可塑性浆体变成坚

硬而具有一定强度的石状体并能将散粒材料胶结成为整体。硅酸盐水泥兴起于 19 世纪。它的

化学成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。它是一种水硬性胶凝材料。普通硅酸盐水泥

强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。为了建筑需要，水泥可做成白色、黑

色或其他各种颜色。

（1）水泥的优点：水泥具有以下优点，因此在土木工程领域得到广泛的应用。

水硬性、与钢筋粘结性好、耐久性、工艺简单、可塑性、低成本、多样性

（2）水泥的分类

水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。

通用水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉

煤灰硅酸盐水泥、复合水泥

专用水泥包括砌筑水泥、油井水泥

2

特性水泥包括快硬水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥、中热水泥

水泥按化学成份可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。其特点及用途如下：

硅酸盐水泥用于一般工程；铝酸盐水泥的特点是快硬、早强，主要用于紧急抢修工程、早

强工程、冬季施工、抗蚀、抗冻等工程；硫酸盐水泥特点是早强、膨胀，适用于抢修工程、锚

固和地下工程等。

尽管水泥的品种很多，但是工程中 90%以上使用的是硅酸盐水泥。

（3）水泥的生产

以粘土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏，并

研成细粉就得到普通水泥。凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰或熟化高炉矿渣、适量石膏共同

磨细制得的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥代号 P.Ⅰ、P.Ⅱ。PⅠ表示不掺混合材料的硅酸盐水

泥，PⅡ表示混合材料掺量不超过 5%的硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥的生产过程

（4）硅酸盐水泥的矿物组成及特性

硅酸盐水泥的主要矿物组成包括硅酸三钙 、硅酸二钙 、铝酸三钙、铁铝酸四钙。其矿物

组成及其性质见下表。

表 3.2.1 硅酸盐水泥的矿物组成

组成 化学分子式 缩写

硅酸三钙 3CaO·SiO2 C3S

硅酸二钙 Tricalcium silicate C2S

铝酸三钙 3CaO·Al2O3 C3A

铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF

表 3.2.2 矿物组成性质

矿物种类 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙

缩写 C3S C2S C3A C4AF

含量（%） 37-60 15-37 7-15 10-18

3

水化速度 快 慢 最快 快

水化热 多 少 最多 较多

强度 高 早低后高 低 低

抗腐蚀性 好 好 差 极好

收缩 中 较大 大 小

（5）水泥的水化、凝结和硬化

①水化机理

水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产

物并放出一定热量的过程。硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的

速度快，形成早期强度并生成早期水化热。

3CaO·SiO2+H2O→CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度慢，对后期龄期混

凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多

的水化产物。

2CaO·SiO2+H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如

果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。通常通过在水泥中掺

有适量石膏，可以避免上述问题的发生。

3CaO·Al2O3+H2O→3CaO·Al2O3·3H2O+6H2O

硅酸二钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶。该水化反应的速度和水化放热量均

属中等。

4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+ CaO·Fe2O3·H2O

石膏调节凝结时间的原理

石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹在水泥

熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水

泥熟料水化产生闪凝现象。所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。

3CaO·Al2O3·6H2O+H2O+ CaSO4·2H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

②凝结与硬化

凝结是指水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐

4

渐变稠失去可塑性的过程。硬化是指失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐

渐发展成为坚硬的水泥石的过程。

初始反应期表现为初始的溶解和水化，约持续 5~10 分钟；潜伏期持续 1 小时，流动性可

塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长；凝结期时凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进一步水

化，持续 6 小时，多孔的空间网络-凝聚结构，失去可塑性；硬化期凝胶体填充毛细管，持续 6

小时以上至若干年硬化石状体密实空间网。如下图所示：

影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。

（6）硅酸盐水泥的特点和应用

强度高，适用于高强混凝土和预应力钢筋混凝土工程；硬化快，适用于要求凝结快、早强

高的工程，冬季施工，预制、现浇等工程；抗冻性好， 适用于冬季施工及严寒地区遭受反复

冻融的工程；耐蚀性差，不适用于与淡水及海水等腐蚀性介质接触的工程；耐热性差，不适用

于有耐热要求的混凝土工程；水化热大，不适用于大体积混凝土工程，但有利于低温季节蓄热

法施工；耐磨性好，适用于公路、地面工程；抗碳化性好，对钢筋的保护作用强，适合 CO2

浓度高的环境。

2.玻璃

广义包括的玻璃包括无机玻璃和有机玻璃两大类，这里玻璃指无机玻璃。玻璃是介于晶态

和液态之间的一种特殊状态，由熔融体过冷而得，其内能和构形熵高于相应的晶态，其结构为

短程有序和长程无序。下图为石英晶体和石英玻璃种原子的排列方式。

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玻璃通常按主要成分分类，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃，非氧化物玻璃的品种和数量

很少，主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。氧化物玻璃主要

有石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氟化物玻璃，其

中硅酸盐玻璃的产量最大、品种最多。

（1） 普通玻璃的结构

普通玻璃组成含有 Na2O （ 12%~16% ）， CaO

（6%~12%）， SiO2（66%~75%），还有少量 Al2O3，MgO

等氧化物，属钠钙系玻璃。左图为钠钙玻璃的结构。

（2）玻璃的熔制

玻璃在玻璃熔炉（玻璃熔窑）（如下图所示）中进行熔制，由耐火材料制成，规格用面积

表示，炉壁寿命 3 年。有两种类型：池窑和坩埚窑。熔制温度为 1500~1600℃。

玻璃熔制过程分为 5 个阶段

①硅酸盐形成阶段

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反应在较大程度上是在固态下进行的，这一阶段结束时，配合料变成了由硅酸盐和二氧化

硅组成的不透明烧结物；在 800℃-900℃完成。

②玻璃形成阶段

继续加热，硅酸盐与剩余二氧化硅相互熔解，烧结物变成了透明体，化学组成和性质不稳

定；温度在 1200℃-1250℃之间。

③澄清阶段

温度提高，粘度逐渐下降，玻璃液中的可见气泡慢慢跑出，进入炉气，即所谓澄清过程；

温度 1400℃-1500℃、粘度维持在 100P 左右。

④均化阶段

玻璃的化学组成和折射率趋向一致的阶段叫均化；温度稍低于澄清阶段。

⑤冷却阶段

玻璃的质量达到了要求，冷却玻璃液使温度下降 200℃~300℃；冷却后温度约为 1200℃、

粘度增加到可向供料机供料所需数值（1000P)。

熔制过程是连续作业，5 个阶段在熔炉的不同部位进行。

（3）常见的几种玻璃

①强化玻璃

又叫钢化玻璃。玻璃的强化技术是根据玻璃的抗压强度比抗拉强度高的原理而设计的，采

用热处理或离子交换方法，将能抵抗拉应力的压应力层预先置入玻璃表面，使玻璃在受到拉应

力时，首先抵消表面层的压应力。玻璃的强化技术与双层涂敷工艺相结合，开发研制了高强度

轻量玻璃容器，成为当今玻璃包装材料的一个主要发展方向。

玻璃的强化技术有两种。一种是玻璃表面的热处理，一种是化学强化法。

玻璃表面的热处理就是通过热处理然后急冷制造钢化玻璃的技术是较早采用的强化玻璃

的方法，也叫风冷强化法。基本作法是用冷空气或油浴急剧冷却处于高温但尚未软化的玻璃。

化学强化处理就是在玻璃表面

进行离子交换使玻璃强化的方法统

称为化学钢化。原理是把玻璃组成中

的 Na+置换为半径较大的 K+，由于 这

种置换作用，将其抵抗拉应力的压应

力层预先置入玻璃表面，实现了玻璃

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强化的目的。将普通玻璃置于欲置换离子的熔岩中，在高温下进行离子交换处理是一种使玻璃

化学钢化的方法。下图是化学强化玻璃的结构，（a）为普通玻璃的二维网络，（b）为经化学强

化处理后的玻璃表面。

钢化玻璃的强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯强度是普通玻璃的 3~5 倍，抗冲击强度是普

通玻璃 5~10 倍；钢化玻璃使用安全，其承载能力增大，改善了易碎性质，钢化玻璃破坏也呈

无锐角的小碎片，对人体的伤害极大地降低了。

②光学玻璃

光学玻璃透光性能好、有折光和色散性。用于眼镜片、望远镱用凹凸透镜等光学仪器。

③石英玻璃

石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、可滤光。用于化学仪器、高压水银灯、紫外灯等

的灯壳、光导纤维等。

④玻璃纤维与玻璃钢

玻璃在熔化状态下抽成丝成为玻璃纤维，玻璃纤维用合成树脂一层层胶合压制成一定形

状，并在加压下加热固化，形成玻璃钢，强度大如钢，比钢轻。玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不

导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀等。

⑤夹丝玻璃

夹丝玻璃也称防碎玻璃和钢丝玻璃。它是将普通平板玻璃加热到红热软化状态，再将预热

处理的铁丝或铁丝网压入玻璃中间制成的。夹丝玻璃具有防火性、安全性 、防盗性。按着建

筑法规定，夹丝玻璃用于防止火焰扩散延烧的开口部分；用于屋顶、天窗、阳台等部分，一旦

玻璃破碎，碎片也没有落下的危险；（３）用于防火区、防烟壁。

⑥夹层玻璃

夹层玻璃一般由两片普通平板玻璃和玻璃间的有机中间胶合层构成，也可以是三层玻璃与

两层胶合层构成，还可以有更多的层复合在一起。经加热，加压粘合成的平的或弯曲的复合玻

璃制品。

防弹玻璃是夹层玻璃的一种。防弹玻璃是由多层玻璃和胶片叠合制成，总厚度一般在

20mm 以上，要求较高的防弹玻璃总厚度可以达到 50mm 以上。防弹效果与防弹玻璃的下述结

构因素有关：防弹玻璃的总厚度与防弹效果成正比；防弹玻璃结构中的胶片厚度与防弹效果有

关，如 1.52mm 胶片防弹效果优于使用 0.76mm 胶片的防弹玻璃；玻璃强度与防弹效果有关，

采用钢化玻璃制作的防弹玻璃，其防弹效果优于普通玻璃制作的防弹玻璃。

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防弹玻璃的使用安全效果主要有两个判断标准，第一是子弹不得贯穿，若子弹穿破而过即

丧失了屏护作用、第二不能背面玻璃掉碴，因为碎碴的飞溅也可能伤及人身。

⑦中空玻璃

两片或两片以上的玻璃组合，玻璃与玻璃之间保持一定的间隔，间隔中是干燥的空气，周

边用密封材料包裹，由此加工成中空玻璃.，具有隔热、隔音、防霜、防结露等优良性能。

⑧磨砂玻璃

又叫毛玻璃、暗玻璃。是用普通平板玻璃经机械喷砂、手工研磨或氢氟酸溶蚀等方法将表

面处理成均匀毛面制成。由于表面粗糙，使光线产生漫射，透光而不透视，它可以使室内光线

柔和而不刺目。常用于需要隐蔽的浴室、卫生间、办公室的门窗及隔断。使用时应将毛面向窗

外。收集气体时用毛玻璃片是为了保证毛玻璃与集气瓶接触更为紧密。因为集气瓶的瓶口也是

磨沙的，用毛玻璃平时也应用磨沙的这一面。这样收集的气体就不容易外漏了。

⑨彩色玻璃

彩色玻璃在玻璃种添加着色剂（主要是一些有色的金属氧化物）来实现的。

2.2.3 陶瓷

1.陶瓷的定义

陶瓷指通过烧结包含有玻璃相和晶相的特征的无机材料。一般由陶土或瓷土等硅酸盐经过

成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体包裹结合而成。

陶瓷包括陶器和瓷器。陶器多孔透气、强度较低；瓷器加了釉层、质地致密不透气、强度高。

陶瓷为土器、陶器、炻器、瓷器的总称。

陶瓷较为全面的定义是天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，由金

属和非金属元素或非金属与非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。

2.陶瓷的分类

（1）按化学结构分

①氧化物陶瓷，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、氧化

钛、氧化钍、氧化铀等。

②非氧化物陶瓷

氮化物陶瓷，如氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等； 碳化物陶瓷，如碳化硅、碳化硼、

碳化铀等；硼化物陶瓷，如硼化锆、硼化镧等；硫化物陶瓷，硫化锌、硫化铈等；氟化物陶瓷，

如氟化镁、氟化钙、氟化镧等。

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③例子

氧化铝陶瓷（人造刚玉）的主要特点是高熔点；高硬度；可制成透明陶瓷；无毒；不溶于

水、强度高；对人体有较好的适应性。主要用途是高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯

管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等。

氮化硅陶瓷的主要特性是超硬度，耐磨损；抗腐蚀，高温时也抗氧化；抗冷热冲击而不碎

裂；耐高温且不易传热；本身具有润滑性。主要用来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永

久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等。

光导纤维（二氧化硅）的主要特性是传导光的能力非常强；抗干扰性能好，不发生辐射，

通讯质量好；质量轻、耐腐蚀。主要用于用于通讯外，还用于医疗、信息处理、遥测遥控等。

光纤光缆与普通电缆的对比如下表：

光纤光缆 普通电缆

信息量大，信息量大，每根光缆上理论上可同时通过 10亿路电话

8 管同轴电缆每条通话 1800 路

原料来源广（石英玻璃），节约有色金属 资源较少

质量小，每 km27g，不怕腐蚀，铺设方便 每 km1.6t

成本低，每 km 10000 元左右 普通光缆每 km 200000 元左右

性能好，抗电磁干扰保密性强 ，能防窃听，不发生电辐射

（2）按功能分为功能陶瓷和工程陶瓷两类。

①功能陶瓷： 指利用陶瓷特有的物理性质（非力学性质）和对力、热、光、磁、电、声

等的敏感性制成的具有一定应用功能的材料，或对生物体起到特定功能的材料。

电子陶瓷指具有电磁特性和电磁功能的陶瓷。有压电陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、磁性

陶瓷、热释电陶瓷、铁电陶瓷。

光学陶瓷包含有透光陶瓷，只能透过特定的波长的光线，多为非氧化物；电光陶瓷，具有

光电效应，可用于制造光盘、显示元件等；光色陶瓷，光照射材料变色，停止照射颜色还原，

用于制造变色片；光纤陶瓷，石英玻璃等拉制而成，具有通信量大、质量轻、耐腐蚀等特点；

激光 陶瓷：用于激光器，主要有红宝石等。

生物陶瓷必须具备生物相容性、力学相容性、与生物组织有优异的亲和性、抗血栓、灭菌

性、具有良好的物理和化学稳定性。生物陶瓷分为惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、吸收性

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生物陶瓷、生物复合材料

②工程陶瓷：指采用粉末冶金方法制得的具有高强度、高硬度、质轻、耐高温、耐腐蚀等

力学性能为特征的材料，应用于机械切削和设备制造、空间技术、生物工程、电子工程及其他

多种工业领域的陶瓷材料。

按制造方法分，工程陶瓷可分为冷压烧结陶瓷、反应烧结陶瓷、热压陶瓷和其他方法制造

的陶瓷。按化学成分可分为氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。按用途可分为耐磨损陶瓷、

耐高温陶瓷、耐腐蚀陶瓷、其他用途的陶瓷。

重要的工程陶瓷有氧化铝， 高纯超细氧化铝经高温烧结而得，使用温度高达 1980℃，用

途极广。高纯氧化铝加入少量 Y2O3 和 MgO 等，特殊烧结，可得透明陶瓷。少量 Cr2O3 与 Al2O3

形成固溶体，称红宝石，是激光材料。 氧化锆，离子键结合，性脆。加入少量 Y2O3 和 CaO

等可实现增韧，得到“陶瓷纲”。氮化硅，硬度为 9，低膨胀，高热导，可适应温度的急剧变

化。 Si3N4 可与 Al2O3 形成固溶体，制得新材料“塞龙(sialon)”。 碳化硅，俗称“金刚砂”，

原子晶体。高温强度极高， 掺杂可制得半导体材料，作发热元件。 已用于制造无冷却式陶瓷

发动机。

2.2.4 液晶材料

1.液晶材料的发现

1888 年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸脂结晶的实验时发现：在 145.5

摄氏度时，结晶凝结成浑浊粘稠的液体，加热到 178.5 摄氏度时,形成了透明的液体。 德国物

理学家莱曼用偏光显微镜观察时，发现这种材料有双折射现象，他阐明了这一现象并提出了“液

晶”这一学术用语。液晶的发现已经有 100 多年的历史，但近 20 年来才获得了快速的发展。这

是因为液晶材料的光电效应被发现。因而被应用在低电压和轻薄短小的显示组件上。

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目前液晶材料已被广泛应用于计算机显示屏，电子表，手机，计算器等电子产品上。成

为显示工业不可或缺的重要材料。

2.液晶的结构

一些典型的液晶结构，如下所示

12

13

3.液晶的分类

（1）按照液晶的形成条件分类

热致液晶，采用降温的方法,既将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序

化，从而获得液晶态。

熔致液晶，有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分

子的排列有序而获得液晶。

（2）按照分子排列的形式和有序性分类

①向列型

分子倾向于沿特定的方向排列，存在长程的方序．分子的质心位置分布却是杂乱无章的，

不存在长程的位置序．表现出液体的特征，具有流动性．此类是最早被应用的，常见于液晶电

视、手提电脑以及各类型的显示原件。

②胆甾型

在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长

轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。常用于温

度感应器中，如电子元件故障检测或机械材料中的应力显示。

③近晶型

棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直与层面．在层内，分子的排列具有

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二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动．在层间具有一维平移

序，层间可以相互滑移。多用于光记忆材料。

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4.液晶技术的应用

液晶技术还广泛应用于无损害产品检验、电磁波可视

化检测、工程压力测量、可擦写光盘制造、全彩色计算机

辅助制图。

5. 液晶分子的光电效应

液晶分子大多由棒状或碟状分子形成,所以与分子长

轴平行或垂直方向的物理特征会有所差异，这就是液晶分

子结构的异方性。由于液晶分子结构的异方性，所以液晶

分子在介电系数和光电系数等光电系数上都具有异方性。

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介电系数 ε：

介电系数可以分为与指向矢平行的分量 ε∥和与指向矢垂直的分量 ε⊥。当 ε∥>ε⊥ 时称为介

电系数异方性为正型的液晶，可以用在平行配位；当 ε∥<ε⊥时 称为介电系数异方性为负型的液

晶，只有用在垂直配位才能显示所需的光电效应。

折射系数 n：

折射系数也同介电系数相似，依照与指向矢垂直与平行的方向分成两个方向的向量。

与指向矢平行的分量为 n∥，与指向矢垂直的分量为 n⊥。

【附录一】液晶显示器的基本原理

1.偏振片透光原理

偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个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与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二

个偏振片。

把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的．如果上下

两玻璃棒定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状。

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如果有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向。由于光线沿着

分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出。如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向

将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板。

液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电

场控制液晶的转动。不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度。

2. 液晶显示器结构

液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料——

胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。

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3. 常见的三种液晶显示器

（1）TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器，Twisted Nematic-LCD）常用于电子手表，计算器。

（2）STN-LCD(超扭曲向列型液晶显示器，Super Twisted Nematic-LCD），常用于手机显

示屏,游戏机屏。

（3）TFT-LCD(薄膜型液晶显示器，Thin Film Transistor-LCD），常用于液晶显示屏，数码

照相机。

（4）TN、STN 型的结构

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液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字

的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏

光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的。

①TN 型液晶

向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜 ITO(氧化铟

锡)以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层 PI(聚酰亚胺)，以使液晶顺着一个特

定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然状态具有 90 度的扭曲，利用电场可使液晶分子

旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，结果偏振光经过 TN 型液晶后偏振方向发生转动。

只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变 90 度，就可利用两个平行偏光片使得

光完全不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向就

不会改变，光就可通过第二个偏光片。

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②STN 型液晶

STN 型的显示原理与 TN 相类似，不同的是 TN 扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光

旋转 90 度，而 STN 超扭转式向列场效应是将入射光旋转 180~270 度。

单纯的 TN 液晶显示器本身只有黑白两种情形，而 STN 液晶显示器牵涉液晶材料的关系，

以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。如果在单色 STN 液晶显示器

加上一彩色滤光片，并将单色显示像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝

三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

③TFT 型液晶

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在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列,每个像素都设有一个半

导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。再把液晶灌注在两片玻璃之间，由于每个像素

都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计

不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以 TFT 液晶的色彩更逼真，

称为真彩。

对于 TFT-LCD 而言彩色滤光片是很重要的，利用红，绿，蓝三原色，可混合出各种不同

的颜色，很多平面显示器就是利用此原理显示色彩，把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有

不同的灰阶变化，然后把临近的三个 RGB 显示的点当作一个像素。

【附录二】高分子液晶

1.高分子液晶的定义

高分子液晶是一种性能介于液体和晶体之间的一种有机高分子材料，它既有液体的流动

性，又有晶体结构排列的有序性。低温下它是晶体结构，高温时则变为液体，在中间温度则以

液晶形态存在。

2.高分子液晶的结构

高分子液晶是由刚性部分和柔性部分组成。从外形上看，刚性部分通常呈现近似棒状或片

状的形态，因为这样有利于分子的有序堆积。刚性部分通常由两个苯环或脂肪环或芳香杂环通

过一个刚性连接单元连接组成。这个刚性连接单元的作用是阻止两个环的旋转。如反式偶氮基

—N＝N—、反式乙烯基—C＝C—。在刚性部分的端部还有一个柔软、易弯曲的基团 R，常见

的 R 有-R，-CN，-X，-OR。液晶分子结构举例：

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3. 高分子液晶的特性

（1）取向方向的高拉伸强度和高模量

最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向，在取向方向上呈现高拉伸强度和高模

量。如 Kevlar 的比强度和比模量均达到钢的 10 倍。

（2）耐热性突出

由于高分子液晶的刚性部分大多由芳环构成,其耐性相对比较突出。如：Xydar 的熔点为

421 ℃，空气中的分解温度达到 560 ℃,其热变形温度也可达 350℃，明显高于绝大多数塑料。

（3）阻燃性优异

高分子液晶分子链由大量芳香环所构成，除了含有酰肼键的纤维外,都特别难以燃烧。如：

Kevlar 在火焰中有很好的尺寸稳定性，若在其中添加少量磷等,高分子液晶的阻燃性能更好。

（4）电性能和成型加工性优异

高分子液晶的绝缘强度高和介电常数低，而且两者都很少随温度的变化而变化，并导热和

导电性能低。由于分子链中柔性部分的存在，其流动性能好，成型压力低,因此可用普通的塑

料加工设备来注射或挤出成型,所得成品的尺寸很精确。

4. 高分子液晶的应用

（1）高强度高模量材料

在外力场容易发生分子链取向，在取向方向上可以得到高强度高模量。如：kelvar 纤维可

在-45℃～200℃使用。阿波罗登月飞船软着陆降落伞带就是用 kevlar29 制备的。kevlar 纤维还

可用于防弹背心，飞机、火箭外壳材料和雷达天线罩等。

（2）精密温度指示材料

向列型液晶和胆甾型液晶的混合物呈平行并顺次扭转的螺旋结构，而且其螺距随温度变化

而发生显著变化。被测物体的表面温度若有变化，液晶分子排列的螺距即发生变化，偏振光的

旋转角度也随之发生变化，因而返回光的强度也会发生变化。人们利用此现象制造出微温传感

器。

5. 高分子液晶的发展前景

液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应用于当代各个工业部门。而且由于物质的液晶态

结构普遍存在于生物体中，液晶结构及变化与生命现象之间的关系，也正在引起人们的重视。

英国著名生物学家指出：“生命系统实际上就是液晶，更精确地说，液晶态在活的细胞中

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无疑是存在的”细胞膜中的磷脂可形成溶致型液晶；构成生命的基础物质 DNA 和 RNA 属于生

物性胆甾液晶，它们的螺旋结构表现为生物分子构造中的共同特征；植物中起光合作用的叶绿

素也表现液晶的特性；大多数生物体组织，如脑、神经、肌肉、血液等和生命现象关系密切的

主要组织是由溶致性大分子液晶构成的。

随着科学技术的发展，人们将逐渐掌握蛋白质、核酸、酶和类脂化合物的合成，并了解生

物体活动中使这些大分子发生结构相变的环境，即形成液晶的环境,从而合成或“加工”出各种

生物体组织,进而能够得到各种人造器官、人造血液为人类服务。

另一方面，人们可以细胞为蓝本,设计并制造出具有自检测、自判断、自结论和自指令的

新型“智能”材料，应用于人类生命活动中。

可见，由于高分子液晶作为一种较新的高分子材料，人们对它的认识还不足，但可以肯定

在不远的将来，高分子液晶的应用会愈来愈广泛，对人类的生存和发展做出新的贡献。