使用铁电性向列型材料的机电转换器的制作方法

背景技术：

0、现有技术

1、现代文明在很大程度上依赖于使用电力来进行各种机械行为，主要由各种机械中的电磁发动机驱动，包括但不限于工具、泵、车辆、机器人、消费电子产品、玩具等。同样，我们所有的电力都是由基于相同电磁原理的发电机的行为产生的。

2、现代电磁发动机和发电机由于在过去数十年间开发的可用强永磁体而非常高效。然而，电磁原理的一些缺点是固有的，所述缺点是复杂的电气线圈制造、在低速下采用的高电流、需要大量铜和稀土材料(例如钕)用于磁体材料、生热等。由于小规模制造磁性线圈和磁性组件的复杂性，因此磁性发动机的小型化受到限制。

3、替代的机电行为称为静电吸引和排斥。已反复提出静电发动机和发电机。通常电极间隙是用空气、真空或绝缘体填充。通常，使用非常高的电压进行操作。在中等电压下，机械输出远不如磁性发动机且其迄今为止几乎尚未引起商业兴趣。

4、对替代的机电转换器的改进存在较高兴趣。大多数电磁发动机仅在足够的速度水平下实现其最佳功率效率。因此，期望在低速度下或在静止时需要很少电力的机器。用于致动器或发动机的简单结构原理是极具吸引力的，尤其当涉及小型化和成本节约时。从在对电磁干扰敏感的环境中工作的角度来看，非磁性电力系统也是具有吸引力的。

5、材料的介电常数对大多数材料而言是众所周知的。其可通过测量填充该材料的电容器相对于空心电容器的电容来确定。无量纲相对介电常数(εr)定义为

6、εr＝ε/ε0,

7、其中ε是电容率和ε0是真空电容率。ε和εr值可取决于电场的频率和强度、空间方向、温度和历史。此处使用εr的静态或低频值。大多数材料的εr值低于10。一些极性液体(例如水或硝基甲烷)具有最高可达102(在1khz下)的两位数εr值。一种突出的高介电常数材料是例如钛酸钡。虽然据报导其电容率值高达约1·104，但只有在存在强电场时才能获得这样的值。

8、电场作用于介电材料且反之亦然。根据静电学的理论，电容器内部的能量密度与介电材料的相对介电常数(εr)线性相关。在电介质在恒定电压下仅部分填充电容器的情况下，该电介质在电场内部被机械地拉动，从而使电容器内部的能量密度最大化。电介质上的力可表示为电介质的表面上的压力p，该表面与电场e相切：

9、p＝ε0/2·(εr-1)·e2

10、其中ε0是真空中的介电常数(约8.8·10-12cv-1m-1)和e是电场强度(vm-1)。此处忽略了空气的介电常数。

11、在电场内具有相对电介质值εr1和εr2的不同电介质的情况下，分离边界上的压力值为

12、p＝1/2·ε0·(│εr1-εr2│)·e2

13、在过去几年里，液晶化合物的应用领域已显著扩展至各种类型的显示器装置。大部分这些装置采用互变性的向列型液晶相，包括所有常见的lcd电视机、lcd桌上型监视器和移动lcd装置。已知一些替代性液晶相，如铁电性近晶相或蓝相。然而，数十年来，铁电性向列相(n f-lc相)仅为理论假设，未发现具有这种向列和铁电特性的适合液晶材料。直至最近，才报导几个化学结构展示铁电性向列行为。示例性地，atsutaka manabe,matthiasbremer,martin kraska(2021):ferroelectric phase at and below room temperature,liquid crystals,48,1079-1086(doi 10.1080/02678292.2021.1921867)公开了一种式c的铁电性向列型物质，其被描述为具有接近于环境温度的单变性铁电性向列型液晶相(nf-lc相)。

14、

15、仍需改进铁电性向列相在环境温度下和于长时间周期内的温度稳定性。

16、氟代液晶物质的用途是本领域技术人员已知的。含有两个2,6-二氟代1,4-亚苯基环的各种化合物已被描述为液晶或介晶材料，例如公开wo 2015/101405 a1和各种其他公开。其中提出的化合物被良好地表征，但没有报道具有任何铁电性质。

17、发明的简要说明

18、在第一方面中，本发明涉及机电转换机器，其包含用于在分布在至少两个电极之间的空间体积中产生电场的两个或更多个电极、至少部分位于至少两个所述电极之间的所述电场的空间体积中的介电材料，其中所述介电材料可以呈现相对于所述电极的空间可变位置，和

19、其中所述电介质包含一种或多种优选在10至30℃的温度下呈铁电性向列(nf)相，优选互变性铁电性向列相的液晶(lc)材料，其中所述铁电性向列型lc材料包含至少两种具有式i的分子结构的化合物，

20、

21、其中

22、a1表示

23、

24、a2表示

25、

26、a3表示

27、

28、或单键,

29、r1是具有1至12个c原子、优选1至8、更优选1至6且最优选1至5个c原子的烷基，其中此外，这些基团中的一个或多个ch2基团在每种情况下可彼此独立地被-c≡c-、-cf2-o-、-ocf2-、-ch＝ch-、-o-、-s-、-(co)-o-或-o-(co)-以o/s原子不彼此直接连接的方式替代，且其中此外，一个或多个h原子可被卤素替代，或者表示h，

30、x是cn、f、cf3、-ocf3、-ncs、cl，优选cn或f，

31、l1是h或ch3，

32、z1是cf2o或-(co)-o-或单键，

33、和

34、z2是cf2o或-(co)-o-或单键。

35、本发明的另一方面是制备机电转换机器的方法，其包括将如上下文定义的铁电性向列型液晶介质插入限定的空间体积内并附接两个或更多个电极，其中所述电极限定分布在至少两个所述电极之间的第二空间体积，且所述介电材料被定位成与所述第二空间体积接触或部分地位于所述第二空间体积内。

36、在本发明的一个方面中，机电转换器将电脉冲转换为机械运动。在另一方面中，机电转换器将机械运动转换为电脉冲。

37、本发明的一个方面涉及使用在相当大的温度范围内，优选在环境温度下显示铁电性向列型液晶相的液晶介质。优选地，这些介质包含一种或多种式i化合物，更优选包含如下文定义的式ia和ib中的每个式、和ic-1至ic-3中的一个或多个式的化合物。

38、环境温度，有时也称为室温，本文中在狭义上意指20℃的温度。

39、用于技术应用的nf-lc相的应用明显会得益于对环境温度的适用性。技术器件和电子应用通常设计成具有高于和低于环境温度，相应的室温的工作范围，例如从15℃至25℃，优选地从0℃至50℃且更优选地甚至更广的范围。

40、本发明包括适合作为铁电性向列型液晶介质的一种或多种组分，特别是用于本发明的机电器件的稳定化合物。

41、出人意料地是，已发现，包含如下文所描述的若干所选化合物的液晶介质可在高度有利的温度范围内实现铁电性相，且某些公开的化合物的组合极其适合作为nf-lc介质的组分。其可用于获得具有前所未有的特性的lc介质，包括但不限于用于利用高介电常数(dielectric permittivity)的材料的机电器件的液晶介质。根据本发明使用的介质和化合物是足够稳定的。特别地，其特征在于极高介电常数，且尤其是极高介电各向异性(δε)，归因于此，需要低得多的阈值电压使其均匀配向。化合物对于具有相当特性的化合物具有合理地良好的溶解度，且可与类似化合物掺合。另外，根据本发明使用的化合物具有高清亮点。这些化合物也具有相对较低的熔点，或可以过冷的熔体形式稳定地保持低于其熔点。本发明能够在高于和低于室温的相当大的工作范围内形成所需nf-lc相。

42、高介电常数能够实现出色的物理效能。高(相对)介电常数对于电介质尤其有利，因为其在带电电极之间的任何体积中提供高的相对电容率。另外，介质具有极低导电性，是绝缘体，且由于其流体性质和对低电压的响应性而优于常规的高εr材料(例如钛酸钡)。

技术实现思路