相变材料研究

简述相变材料研究

一、引言

随着人们生活水平以及对工作与居住环境舒适度要求的提高，相应地建筑能耗也增加，造成能源消耗过快，环境污染加剧。如何在维持可持续发展的前提下，使用最低能耗达到居住环境舒适度最大化已成为建筑节能领域里研究的热点。通过用相变储能建筑材料(即向普通建筑材料中加入相变材料，制成具有较高热容的轻质建筑材料）构筑的建筑构件，可以降低室内温度波动，提高舒适度，减少电力的峰谷差，优化电力的负荷，使建筑供暖或空调不用或者少用能量，提高能源利用效率，并降低能源的运行费用。

相变材料(简称PCM)是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质，储热系统按照储热方式不同可以分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三类。与显热储能材料相比，相变材料具有储能密度大，效率高以及近似恒定温度下吸热与放热等优点，因而可以应用于很多领域，如太阳能利用、废热回收、智能空调建筑物、调温调湿、工程保温材料、医疗保健与纺织行业等方面。但化学反应热蓄热虽然具有储能密度大的特点，由于应用技术和工艺太复杂，目前只能在太阳能利用研究领域受重视，离实际的应用还很远，因此相变材料成为了热能储存的主要应用方式。

相变材料根据其相变温度不同，主要有四方面的用途：

（1）低温相变材料用来蓄冷，如已经广泛使用相变材料进行空调蓄冷。低温相变材料还可以用来跨季节蓄冷

（2）室温相变材料可以用来增加房屋的热惰性，降低房屋的温度波动，从而降低空调负荷，达到建筑节能。

（3）50～60℃相变材料可以用在太阳能应用领域，如可以用作被动太阳能房的蓄热墙或者蓄热地板，还可以用作主动太阳能房中的蓄热器，与集热器、换热器等一起构成太阳能利用系统

（4）高温相变材料则主要用于工业余热利用。

相变材料的利用方式分为两种：

（1）用相变材料做成储能器件。

（2）相变材料与其他基本材料复合，制成相变储能复合材料。

二、相变材料的蓄热机理

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态

的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

三、可用于建筑节能的相变储热材料的研究进展

依据相变前后的物态，可以将相变材料分成固－液类相变材料、固－固类相变材料、固－气类相变材料及液－液类相变材料等几种。其中固－气类相变材料及液－气类相变材料在相变过程中有大量气体存在，材料体积变化较大，在建筑节能领域难以应用。因此，固－固类和固－液类相变材料是在建筑节能中主要研究和应用的两类相变材料。

1、固－固相变材料

固－固相变材料在发生相变前后，固体的晶格结构改变而放热吸热。因此，这种相变材料在相变过程中无液体产生，相变前后体积变化小，且无毒、无腐蚀，对容器的材料和制作技术要求不高，其相变潜热与固－液相变材料处于同一数量级，且过冷度小，使用寿命长，是一类有应用前景的蓄热材料。

多元醇类相变材料以及层状钙钛矿类相变材料是能够用于建筑节能领域的两类固－固相变材料。还可以将多元醇类相变材料中的两种或三种按不同比例混合，形成“共融合金”，以调节相变温度合相变潜热。目前，关于固－固相变材料的研究和工作还刚刚开始，它们的分子结晶态及能量的转化过程机理还有待进一步探明，其热性能、机械性能、化学稳定性液有待进一步提高。但是，由于相变过程独有的优点，其在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料。

2、固－液相变材料

固－液相变材料包括无机材料和有机材料两大类。

无机固－液相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等。其中，结晶水合盐是中低温相变材料中最重要的一类，可以提供相变温度从几摄氏度到一百多摄氏度的材料供选择。用于供暖、空调系统的结晶水酸盐、磷酸盐、醋酸盐等盐类水合物。结晶水合盐类材料的优点是价格便宜，相变潜热大，体积储热密度大，导热系数比有机相变材料大。但是这一类材料存在的最大问题是过冷度大、易析出分离而不能长期使用。

有机固－液相变材料包括某些高级脂肪烃类、脂肪酸类或其酯类、盐类化合物以及某些醇类、芳香烃类化合物。其中，石蜡是较受关注的一类有机固－液相变材料。这类材料常用熔点-12～75.9℃，熔化热150～250Kj/kg,且价格较低，是一种比较理想的相变材料。有机类材料一般不会出现过冷和相分离现象，相变潜热与水合盐类材料相当，性能稳定，腐蚀性小或无腐蚀性。影响有机类相变材料使用的一个问题是其导热系数较小。为了增强有机相变

材料的导热能力，通常采取向相变材料中添加金属粉末、金属网、石墨粉，或者在相变材料的封装壁面增加肋片等措施。另外，有机固－液相变材料还有易挥发燃烧、易氧化而老化的特点，所以对这一类材料的使用要加以选择，以确保使用的安全性。

3、形状稳定的固－液相变材料

这一类相变材料仍然采用固－液相变形式。但是与一般的固－液相变材料不同的是，在相变蓄热时，这一类相变材料的外形一直保持固定形状而没有流动性。其主要成分是工作物质和载体基质。工作物质是固－液相变材料，以有机类固－液相变材料居多；载体基质是一类相变温度较高、在工作物质的相变温度范围内保持固体形状、物化性能稳定、有一定机械性能的物质，目前主要采用一些交联高分子树脂类物质。工作物质和载体基质通过熔融下共混或封装的方法结合在一起。与一般的固－液相变材料相比，形状稳定的固－液相变材料主要优点是无须容器封装。但是此种相变材料的工作物质与载体基质结合在一起后，储热能力下降，储热密度降低；且在长期使用过程中，存在着工作物质与载体基质的相分离现象，载体基质机械性能的下降也容易导致工作物质的泄露。此外，这种相变材料的制造成本也较高。因此，这一种相变材料目前仍处于实验室研究阶段，但是有着一定的应用前景。

四、相变材料与建筑材料的复合工艺

相变材料与建材基体的结合工艺，目前主要有以下几种方法：（1）将PCM密封在合适的容器内，后置入建筑材料中。（2）通过浸泡将PCM渗入多孔的建材基体(如石膏墙板、水泥混凝土试块等)。（3）将PCM直接与建筑材料混合。（4）将有机PCM乳化后添加到建筑材料中。

通过直接浸泡法所制备的相变储能材料，虽然储能密度有较大的提高，但是相变材料与基本材料的相容性问题始终难以有效解决，可能会使相变储能混凝土发生严重的开裂。

目前研究的具体实施方法主要有：

（1）共混而成，即利用二者的相容行，熔融后混合在一起而制成的成分均匀的蓄能材料（2）采用封装技术，即把载体基质做成微胶囊、多孔泡沫塑料或三维网状结构，再把相变材料灌注于其中，这样微观上仍是发生固－液相变，进行储能控温。但从蓄能材料的整个宏观特性上来看仍然保持其固体形状。这类蓄能材料的优点是无需容器盛装，可以直接加工乘兴，不会发生过冷现象，使用安全方便。但是也存在着一些缺点：一是以共混形式制成的蓄能材料，难以克服低熔点相变材料在熔融后通过扩散迁移作用，与载体基质间出现分离的难题；二是相变材料加入一定的载体后，导致整个材料储热能力的下降，材料的能量密度较小；三是载体中掺入相变材料后又导致材料机械性能的下降，整个材料的硬度、强度、柔韧性等性能都收到很大的损失，以至于寿命的缩短、易老化而使工作物质泄漏、污染环境。因此，到目前为止相变材料合载体相互之间还存在着难以克服的矛盾。