相變材料的發展及應用

陳少磊田玉琢

1上海華電閔行能源有限公司 2上海電力學院能源與機械工程學院

隨著人類社會的發展和科技的不斷進步，能源的需求量和消耗量都在逐年上升，能源浪費的情況也愈加嚴重。因此，節能環保材料開始受到廣泛關注。相變材料（PCM-Phase Change Material）是指隨著外界溫度的變化，內部的物質狀態同時發生改變，并會吸收或者釋放大量潛熱的物質[1]。相變材料是一種良好的綠色環保載體，它具有體積小、儲熱密度高、溫度較為穩定和易于控制等特點，節能效果顯著，因此在人類的生活中有著廣泛的應用前景。

1 相變材料的分類

相變儲熱材料的常見分類方式有三種，第一種是按照相變形式，可分為固-固、固-液、固-氣、液-氣儲熱材料。其中，固-氣相變材料和液-氣相變材料在發生物理性質變化的過程中，會釋放大量的相變潛熱。此材料應是較為理想的選擇，但是由于變化后存在大量的氣體，使材料的體積變化非常大，因此在生活中較難使用。而固-固相變和固-液相比也擁有著較不錯的相變潛熱，且它們克服了氣體相變材料體積變化大的不足，因此成為最常使用的相變儲熱材料。常見的固-固相變儲熱材料有多元醇、高分子類和層狀鈣鈦礦，常見的固-液相變儲熱材料有硫酸鈉類、醋酸鈉類、氯化鈣類和磷酸鹽類等[2]。

第二種分類方式是按照材料的相變溫度，可分為低溫相變材料、中溫相變材料和高溫相變材料。一般情況下，把相變溫度Tm在-50℃～90℃范圍內的材料稱為常低溫相變儲熱材料，應用最廣的常低溫相變儲熱材料就是石蠟。中溫相變儲熱材料的相變溫度變化范圍是90℃～400℃，此前國內外對于中溫相變儲熱材料的研究較少，但是由于中溫相變材料的相變溫度變化范圍較為寬泛（大約有360℃），并且其物質形態幾乎包括了相變儲熱材料的所有類型，近年來大熱的太陽能熱發電、移動蓄熱技術使中溫相變材料也得到了廣泛關注。而相變溫度在400℃以上的材料就是高溫相變材料，常見的高溫相變材料有鹽與復合鹽、金屬、合金等，主要應用于太陽能的利用和高溫煙氣余熱回收等方面[3]。

第三種分類方式就是按照成分分類，可分為無機相變材料、有機相變材料和復合相變儲熱材料。無機類相變材料使用溫度寬、體積小、形態穩定；有機類相變材料的成型較為優良，沒有過冷現象，也沒有相分離現象，且有機類相變材料的腐蝕性較小，性能也相對穩定，不足的地方就是其導熱率較其他材料更低；復合相變儲熱材料則是克服了無機類或有機類的單一的缺點并集合兩者的優點，近年來逐漸成為研究熱點[4]。

2 相變材料的制備方法

2.1 相變建材的制備

在建筑方面，制備復合相變材料主要有三種方法：一是浸漬法，這種方法是將多孔的建筑材料浸泡在熔融狀態的相變材料中，利用毛細作用吸附相變材料。這種方法的優點就是操作簡單，限制條件少，可以隨時隨地將普通建筑材料變成相變建材。并且由于大多數的建材都有固定的結構，會對熔融狀態下的相變材料產生約束，所以相變材料不會流淌。

二是直接加入法，直接加入法就是在制作建筑材料的過程中，直接將相變材料作為一種成分加入到混合物中。這種方法與第一種方法相比較操作更為簡單，造價成本也較為廉價，并且相變材料能夠均勻分布在建材之中。

第三種方法是封裝法，此方法是將相變材料進行封裝之后再與普通建材相復合形成新材料。封裝法又分為宏觀封裝和微觀封裝。宏觀封裝是將相變材料封裝在一個有約束性質的容器之中，微觀封裝法是將相變材料顆粒封閉在高分子聚合物薄膜中，且各材料之間都相容。封裝法的優點就是建筑材料的傳熱面積大，傳熱效果好[5]。

2.2 相變紡織材料的制備

相變紡織材料的制備方法可分為以下四種：

（1）紡絲法。該方法是將相變材料微膠囊添加到紡絲熔體當中，生產出含有相變材料微膠囊的纖維，然后再與其他纖維混紡。該方法易操作，現已應用于紡織品的制作之中。

（2）相變材料微膠囊法。該方法是將相變材料放于特制的微膠囊之中，然后再將微膠囊混合在紡織材料的表面。這樣可以使相變材料更平均地融入紡織材料，增大面料的熱傳導面積。這是生產相變材料最常用的方法之一。

（3）中空纖維填充法。這種方法是先將纖維的內徑進行處理，使纖維和相變材料能夠更好地結合，并且要在相變材料中添加表面活性劑，使其表面性能得到增強，能夠順利進入到中空纖維中。然后要將已經填充了相變材料的纖維放置于相變材料溶液中，一段時間后取出并進行干燥，再將兩頭進行封閉，防止相變材料泄漏，保證保溫時間。

（4）后整理法。后整理法分為浸漬法和涂層法，浸漬法與建材的浸漬法類似，將原始紡織材料浸泡在浸漬液下得到新材料，涂層法是將涂層漿液于紡織面料表層然后烘干。浸漬液和涂層漿液需要有相變材料微膠囊、乳化劑、分散劑和催化劑等，以提高復合效果[6]。

3 相變材料的廣泛應用

3.1 航天方面的應用

外太空的溫度屬于極寒或者極熱環境，這對航天器外殼、內部儀器儀表和宇航員的服裝的要求都非常嚴格，普通的材料不能適用于這種條件。為了研制出一種特殊材料克服這種惡劣環境，美國和前蘇聯的科學家首先研制出相變材料，應用在了返回艙的外殼和宇航員服裝上，解決了之前的難題。

人造衛星上的電子儀器的正常運行溫度通常是15℃～35℃，在20℃～30℃內為最佳運行溫度，這就需要一種精密的溫控裝置，使得衛星內部的溫度不受外表面的溫度劇烈變化而變化，維持在一個恒定狀態。用相變儲熱材料制成的溫控裝置能很好地達到這一目的。當外部溫度高于所需要的特定溫度時，相變儲熱材料就開始熔融吸熱；而當外部材料低于所需要的特定溫度時，相變儲熱材料就開始結晶放熱，使得衛星內部的溫度維持在恒定的最佳溫度[7]。

航天員的艙外航天服同樣需要較好的溫控系統，當航天員從艙內走出到艙外時，溫控系統需要將整個飛行過程中，航天器內的設備運行產生的熱能和航天員自身新陳代謝所產生的能量都排放到環境中。同時，航天服也要保證航天員在艙外行走方便和安全，服裝的體積變化不能過大。這種溫控系統可以通過相變儲熱材料來實現，因為相變儲熱材料的相變溫度較為穩定，體積變化小，傳熱性能好，不會對航天員的身體健康造成危害[7]。

3.2 建筑方面的應用

相變材料在建筑方面的應用，在外墻、地板和家具中都有體現。在墻體的混凝土中加入相變材料，可以加強墻體的保溫性能，使得室內大致維持在一個比較適宜的溫度，減少室內空調的使用，達到節能環保的目的[8]。將相變材料運用到地板上可以制成一種相變發熱地板，其外觀與常規木地板無異，但是它具有相變材料才有的高儲熱特性，結合碳晶材料的高導熱技術，并利用峰谷電價，減少電能消耗。現代生活中，所有的樓房幾乎都離不開窗戶，但是窗戶也是增加建筑物能耗的主要原因之一。在炎熱的夏天，陽光可以透過窗戶直接射入室內，造成室內溫度很高。而在寒冷的冬天，普通窗戶也沒有保溫的效果，熱量也會流失到室外，室內溫度很低。而相變材料制成的窗戶會有效地彌補這方面的不足，夏天能夠減少陽光的照射，使房間內溫度不會過于升高，冬天也能夠保持室內溫度較為恒定而不至于使熱量流失。但是用于制作窗戶的相變材料必須要是透明的才能保證光線的通過[9]。

相變材料不僅可以運用于普通的樓房建筑和室內家居，在室外也同樣適用。如崗亭采用無機相變材料儲能技術作為主要的恒溫方式，能在斷電情況下保持室內溫度恒定數小時，從而減少空調使用，冬暖夏涼，為設備和工作人員提供了適宜的工作溫度。電力、冶金、交通、部隊等行業的室外建筑都可以采用相變儲能材料。

3.3 制冷設備方面的應用

傳統制冷設備，如冰箱、空調、冷藏車等，幾乎都是通過壓縮機對制冷系統做功達到制冷的效果。這種做法不僅耗電量特別大，而且不環保，不符合當代節約能源方面的要求。采用相變技術，可以代替壓縮機節能60%以上。

隨著自然災害和突發事故的發生，例如地震、大型車禍，往往會出現大范圍的傷病人員和后續疫情，這時會急需大量的血液、疫苗進行救治和防疫。然而，發生大型災難之后，往往會造成路面擁堵，外來車輛不能快速到達現場，加上醫護人員不足，這類基礎物資通常不能及時地供應，因此研制一種由相變材料制成的無源、高效、保溫時間長的便攜式冷鏈保障裝備具有重要的意義。

空調可以說是家家戶戶必備的電器之一，尤其是在四季分明的華中長江沿岸，夏天通過空調制冷，冬天運用空調制熱。空調的處理系統中一般都含有水和冰，環保的制冷空調還會含有相變材料。相變儲能材料的體積較其他儲能物質要小得多，這樣可以提高空調處理系統對于能量的利用率。對空調使用的相變材料一般是添加了鋁粉末的石蠟，這種相變儲能材料初期的投入成本較高，但是在運行過程中產生的費用會低得多。因此相變材料在制冷設備方面有著廣泛的應用前景[9]。

3.4 紡織方面的應用

當人體所處的環境發生變化時，外界溫度必然會發生變化，僅憑人體機能無法快速適應，比如消防員、工廠工人、軍事訓練者以及前文中提到的宇航員都會面臨這樣的情況，那么我們有必要制作一種智能調溫紡織品，它可以對周圍環境的溫度變化做出反應，發生固-液可逆變化，達到雙向溫度調節的作用，給人體創造一個舒適的溫度環境。

在我們睡覺的時候，由相變儲能材料制成的床上用品，比如被褥、床單、枕頭等都能給我們帶來很大的便利。它們通過相變材料特有的恒溫性質，即保暖，使床上的環境保持在一個舒適的溫度，睡眠者才能夠一直保持良好的睡眠狀態[10]。

在醫學方面，譬如醫用口罩、醫用繃帶、醫用手套等都可以使用相變材料，這對整個醫學的進步是很有幫助的。英國的STP公司將微膠囊和紗布結合達到了良好的殺菌效果；英國皇家藝術院將藥物制作成微膠囊，使其成分散發到血液中，開發出可以減緩關節炎等慢性疾病的產品。日本KOMATSU SEIREN公司將防螨介質膠囊植于面料表面進行防螨處理，能夠有效的保護皮膚，不受螨蟲困擾[6]。

4 結論

相變材料作為一種環保型材料，從1982年被美國提出，經過數十年的研究，現在的理論研究已經日益成熟，并且可以被廣泛應用在我們的日常生活中，給我們的生活提供便利。然而現有的相變材料種類有限，我們仍需要研究出適用于不同場合、價格低廉，可以真正走進尋常百姓家且具有傳統相變材料特點的新型相變材料。除此之外，在相變材料的制備方法上我們也可以抱有期望。如何制備出一種相變材料，使其更好地融入到主體材料之中，仍舊是研究的重點和難點。

我國作為世界上的能源消耗大國，在相變材料上的起步較晚，因此我們需要加倍的努力，縮小與其他發達國家的差距，爭取在新型相變材料的制作上實現飛速發展，響應國家政策，堅持走綠色發展之路。