相变材料的发展及应用

陈少磊田玉琢

1上海华电闵行能源有限公司 2上海电力学院能源与机械工程学院

随着人类社会的发展和科技的不断进步，能源的需求量和消耗量都在逐年上升，能源浪费的情况也愈加严重。因此，节能环保材料开始受到广泛关注。相变材料（PCM-Phase Change Material）是指随着外界温度的变化，内部的物质状态同时发生改变，并会吸收或者释放大量潜热的物质[1]。相变材料是一种良好的绿色环保载体，它具有体积小、储热密度高、温度较为稳定和易于控制等特点，节能效果显著，因此在人类的生活中有着广泛的应用前景。

1 相变材料的分类

相变储热材料的常见分类方式有三种，第一种是按照相变形式，可分为固-固、固-液、固-气、液-气储热材料。其中，固-气相变材料和液-气相变材料在发生物理性质变化的过程中，会释放大量的相变潜热。此材料应是较为理想的选择，但是由于变化后存在大量的气体，使材料的体积变化非常大，因此在生活中较难使用。而固-固相变和固-液相比也拥有着较不错的相变潜热，且它们克服了气体相变材料体积变化大的不足，因此成为最常使用的相变储热材料。常见的固-固相变储热材料有多元醇、高分子类和层状钙钛矿，常见的固-液相变储热材料有硫酸钠类、醋酸钠类、氯化钙类和磷酸盐类等[2]。

第二种分类方式是按照材料的相变温度，可分为低温相变材料、中温相变材料和高温相变材料。一般情况下，把相变温度Tm在-50℃～90℃范围内的材料称为常低温相变储热材料，应用最广的常低温相变储热材料就是石蜡。中温相变储热材料的相变温度变化范围是90℃～400℃，此前国内外对于中温相变储热材料的研究较少，但是由于中温相变材料的相变温度变化范围较为宽泛（大约有360℃），并且其物质形态几乎包括了相变储热材料的所有类型，近年来大热的太阳能热发电、移动蓄热技术使中温相变材料也得到了广泛关注。而相变温度在400℃以上的材料就是高温相变材料，常见的高温相变材料有盐与复合盐、金属、合金等，主要应用于太阳能的利用和高温烟气余热回收等方面[3]。

第三种分类方式就是按照成分分类，可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变储热材料。无机类相变材料使用温度宽、体积小、形态稳定；有机类相变材料的成型较为优良，没有过冷现象，也没有相分离现象，且有机类相变材料的腐蚀性较小，性能也相对稳定，不足的地方就是其导热率较其他材料更低；复合相变储热材料则是克服了无机类或有机类的单一的缺点并集合两者的优点，近年来逐渐成为研究热点[4]。

2 相变材料的制备方法

2.1 相变建材的制备

在建筑方面，制备复合相变材料主要有三种方法：一是浸渍法，这种方法是将多孔的建筑材料浸泡在熔融状态的相变材料中，利用毛细作用吸附相变材料。这种方法的优点就是操作简单，限制条件少，可以随时随地将普通建筑材料变成相变建材。并且由于大多数的建材都有固定的结构，会对熔融状态下的相变材料产生约束，所以相变材料不会流淌。

二是直接加入法，直接加入法就是在制作建筑材料的过程中，直接将相变材料作为一种成分加入到混合物中。这种方法与第一种方法相比较操作更为简单，造价成本也较为廉价，并且相变材料能够均匀分布在建材之中。

第三种方法是封装法，此方法是将相变材料进行封装之后再与普通建材相复合形成新材料。封装法又分为宏观封装和微观封装。宏观封装是将相变材料封装在一个有约束性质的容器之中，微观封装法是将相变材料颗粒封闭在高分子聚合物薄膜中，且各材料之间都相容。封装法的优点就是建筑材料的传热面积大，传热效果好[5]。

2.2 相变纺织材料的制备

相变纺织材料的制备方法可分为以下四种：

（1）纺丝法。该方法是将相变材料微胶囊添加到纺丝熔体当中，生产出含有相变材料微胶囊的纤维，然后再与其他纤维混纺。该方法易操作，现已应用于纺织品的制作之中。

（2）相变材料微胶囊法。该方法是将相变材料放于特制的微胶囊之中，然后再将微胶囊混合在纺织材料的表面。这样可以使相变材料更平均地融入纺织材料，增大面料的热传导面积。这是生产相变材料最常用的方法之一。

（3）中空纤维填充法。这种方法是先将纤维的内径进行处理，使纤维和相变材料能够更好地结合，并且要在相变材料中添加表面活性剂，使其表面性能得到增强，能够顺利进入到中空纤维中。然后要将已经填充了相变材料的纤维放置于相变材料溶液中，一段时间后取出并进行干燥，再将两头进行封闭，防止相变材料泄漏，保证保温时间。

（4）后整理法。后整理法分为浸渍法和涂层法，浸渍法与建材的浸渍法类似，将原始纺织材料浸泡在浸渍液下得到新材料，涂层法是将涂层浆液于纺织面料表层然后烘干。浸渍液和涂层浆液需要有相变材料微胶囊、乳化剂、分散剂和催化剂等，以提高复合效果[6]。

3 相变材料的广泛应用

3.1 航天方面的应用

外太空的温度属于极寒或者极热环境，这对航天器外壳、内部仪器仪表和宇航员的服装的要求都非常严格，普通的材料不能适用于这种条件。为了研制出一种特殊材料克服这种恶劣环境，美国和前苏联的科学家首先研制出相变材料，应用在了返回舱的外壳和宇航员服装上，解决了之前的难题。

人造卫星上的电子仪器的正常运行温度通常是15℃～35℃，在20℃～30℃内为最佳运行温度，这就需要一种精密的温控装置，使得卫星内部的温度不受外表面的温度剧烈变化而变化，维持在一个恒定状态。用相变储热材料制成的温控装置能很好地达到这一目的。当外部温度高于所需要的特定温度时，相变储热材料就开始熔融吸热；而当外部材料低于所需要的特定温度时，相变储热材料就开始结晶放热，使得卫星内部的温度维持在恒定的最佳温度[7]。

航天员的舱外航天服同样需要较好的温控系统，当航天员从舱内走出到舱外时，温控系统需要将整个飞行过程中，航天器内的设备运行产生的热能和航天员自身新陈代谢所产生的能量都排放到环境中。同时，航天服也要保证航天员在舱外行走方便和安全，服装的体积变化不能过大。这种温控系统可以通过相变储热材料来实现，因为相变储热材料的相变温度较为稳定，体积变化小，传热性能好，不会对航天员的身体健康造成危害[7]。

3.2 建筑方面的应用

相变材料在建筑方面的应用，在外墙、地板和家具中都有体现。在墙体的混凝土中加入相变材料，可以加强墙体的保温性能，使得室内大致维持在一个比较适宜的温度，减少室内空调的使用，达到节能环保的目的[8]。将相变材料运用到地板上可以制成一种相变发热地板，其外观与常规木地板无异，但是它具有相变材料才有的高储热特性，结合碳晶材料的高导热技术，并利用峰谷电价，减少电能消耗。现代生活中，所有的楼房几乎都离不开窗户，但是窗户也是增加建筑物能耗的主要原因之一。在炎热的夏天，阳光可以透过窗户直接射入室内，造成室内温度很高。而在寒冷的冬天，普通窗户也没有保温的效果，热量也会流失到室外，室内温度很低。而相变材料制成的窗户会有效地弥补这方面的不足，夏天能够减少阳光的照射，使房间内温度不会过于升高，冬天也能够保持室内温度较为恒定而不至于使热量流失。但是用于制作窗户的相变材料必须要是透明的才能保证光线的通过[9]。

相变材料不仅可以运用于普通的楼房建筑和室内家居，在室外也同样适用。如岗亭采用无机相变材料储能技术作为主要的恒温方式，能在断电情况下保持室内温度恒定数小时，从而减少空调使用，冬暖夏凉，为设备和工作人员提供了适宜的工作温度。电力、冶金、交通、部队等行业的室外建筑都可以采用相变储能材料。

3.3 制冷设备方面的应用

传统制冷设备，如冰箱、空调、冷藏车等，几乎都是通过压缩机对制冷系统做功达到制冷的效果。这种做法不仅耗电量特别大，而且不环保，不符合当代节约能源方面的要求。采用相变技术，可以代替压缩机节能60%以上。

随着自然灾害和突发事故的发生，例如地震、大型车祸，往往会出现大范围的伤病人员和后续疫情，这时会急需大量的血液、疫苗进行救治和防疫。然而，发生大型灾难之后，往往会造成路面拥堵，外来车辆不能快速到达现场，加上医护人员不足，这类基础物资通常不能及时地供应，因此研制一种由相变材料制成的无源、高效、保温时间长的便携式冷链保障装备具有重要的意义。

空调可以说是家家户户必备的电器之一，尤其是在四季分明的华中长江沿岸，夏天通过空调制冷，冬天运用空调制热。空调的处理系统中一般都含有水和冰，环保的制冷空调还会含有相变材料。相变储能材料的体积较其他储能物质要小得多，这样可以提高空调处理系统对于能量的利用率。对空调使用的相变材料一般是添加了铝粉末的石蜡，这种相变储能材料初期的投入成本较高，但是在运行过程中产生的费用会低得多。因此相变材料在制冷设备方面有着广泛的应用前景[9]。

3.4 纺织方面的应用

当人体所处的环境发生变化时，外界温度必然会发生变化，仅凭人体机能无法快速适应，比如消防员、工厂工人、军事训练者以及前文中提到的宇航员都会面临这样的情况，那么我们有必要制作一种智能调温纺织品，它可以对周围环境的温度变化做出反应，发生固-液可逆变化，达到双向温度调节的作用，给人体创造一个舒适的温度环境。

在我们睡觉的时候，由相变储能材料制成的床上用品，比如被褥、床单、枕头等都能给我们带来很大的便利。它们通过相变材料特有的恒温性质，即保暖，使床上的环境保持在一个舒适的温度，睡眠者才能够一直保持良好的睡眠状态[10]。

在医学方面，譬如医用口罩、医用绷带、医用手套等都可以使用相变材料，这对整个医学的进步是很有帮助的。英国的STP公司将微胶囊和纱布结合达到了良好的杀菌效果；英国皇家艺术院将药物制作成微胶囊，使其成分散发到血液中，开发出可以减缓关节炎等慢性疾病的产品。日本KOMATSU SEIREN公司将防螨介质胶囊植于面料表面进行防螨处理，能够有效的保护皮肤，不受螨虫困扰[6]。

4 结论

相变材料作为一种环保型材料，从1982年被美国提出，经过数十年的研究，现在的理论研究已经日益成熟，并且可以被广泛应用在我们的日常生活中，给我们的生活提供便利。然而现有的相变材料种类有限，我们仍需要研究出适用于不同场合、价格低廉，可以真正走进寻常百姓家且具有传统相变材料特点的新型相变材料。除此之外，在相变材料的制备方法上我们也可以抱有期望。如何制备出一种相变材料，使其更好地融入到主体材料之中，仍旧是研究的重点和难点。

我国作为世界上的能源消耗大国，在相变材料上的起步较晚，因此我们需要加倍的努力，缩小与其他发达国家的差距，争取在新型相变材料的制作上实现飞速发展，响应国家政策，坚持走绿色发展之路。