相变材料：

相变材料

(PCM - Phase Change

概述：

相变材料可分为有机（Organic）和无机(Inorganic) 相变材料。亦可分为水合盐（Hydrated Salts）相变材料和蜡质(Paraffin Wax)相变材料。

我们最常见的相变材料非水莫属了，当温度低至0°C时，水由液态变为固态（结冰）。当温度高于0°C时水由固态变为液态（溶解）。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。冰的数量（体积）越大，溶解过程需要的时间越长。这是相变材料的一个最典型的例子。

从以上的例子可看出，相变材料实际上可作为能量存储器。这种特性在节能，温度控制等领域有着极大的意义。因此，相变材料及其应用成为广泛的研究课题。

有机相变材料和无机相变材料的最大区别在于运用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差异，后者多优于前者。

蓄热机理与特点

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。

相变材料的分类相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；复合相变储热材料的应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。因此，研制复合相变储热材料已成为储热材料领域的热点研究课题。但是混合相变材料也可能会带来相变潜热下降，或在长期的相变过程中容易变性等缺点。

什么是相变

物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。

一级相变

在发生相变时，有体积的变化同时有热量的吸收或释放，这类相变即称为“一级相变”。例如，在1个大气压0℃的情况下，1千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收79.6千卡的热量，与此同时体积亦收缩。所以，冰与水之间的转换属一级相变。

二级相变

在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化，这一类变化称为二级相变。正常液态氦（氦Ⅰ）与超流氦（氦Ⅱ）之间的转变，正常导体与超导体之间的转变，顺磁体与铁磁体之间的转变，合金的有序态与无序态之间的转变等都是典型的二级相变的例子。

广泛应用

航天

由于外太空温度属于极寒或极热环境，对宇航员、航天器的保护要求非常严格，普通材料无法适应恶劣条件，因此，需要特殊材料进行保护。美国和前苏联科学家首先研制出相变材料，使得宇航员的服装、返回舱外壳等得以应用。该技术一直处于垄断地位。我国进入21世纪以来，经过科学家的不断努力，已经克服了关键技术部分，开始进行实际运用。

建筑

相变材料引用到建筑，是建筑领域革命性发展。主要作用结果是节能，可以达到节能60%-99%。以北方采暖为例，使用相变材料，按照100平米的房屋为测量单位计算，一个采暖季的用电量只有10度左右。

服装

在服装领域，使用相变材料，将相变材料植入纤维中，可以极大的改变人们的生活质量，不使用任何能源，可以让普通衣服变成微空调。

制冷设备

传统制冷设备，如空调、冷藏车、冷库，均是采取压缩机制冷技术进行制冷，不仅耗电，而且不环保。采用相变技术，可以替代压缩机进行制冷，节能60%以上。

军事

一旦装备部队，将是相变材料一重大贡献。军车、军人服装、舰船、飞机、坦克、潜艇等军事各个方面，均是相变材料运用的重要领域，可以极大的提高战斗力和防护持久能力。

通讯、电力

在通讯、电力等设备箱（间）降温方面，相变材料可以节省设备成本75%以上。在通讯领域，已经广泛应用于通讯基站的机房、电池组间，使传统的一年寿命的设备可以延长到4年或更多。

运用范例：相变材料恒温UPS机箱

1. 介绍

不间断电源（UPS）作为一种可靠的电源供给系统被广泛应用于各行各业如通信，铁路和油田等。在很多情况下UPS与用电设备一起被安装在野外，受环境的影响很大。而UPS中蓄电池的充放电产生的高温和环境温度升高都会影响其寿命。在常温25℃时，温度每上升10℃，电池的寿命将缩短一半。使用空调给UPS降温的运行和维护成本甚至比更换电池的成本还高。大部分安装UPS的野外机箱或设备箱的箱内温度控制是通过箱体的隔热材料并利用空气对流来实现的，这种控制温度方式存在两个很大的缺陷：一、当箱外的环境温度升高时，箱内的UPS或其它设备运行都产生热量，自身的热再加上环境的热，就非常容易产生高温；二、箱体使用了隔热材料，是为减少受箱外的温度的影响，亦正因为这样，内部的热无法及时散去而会慢慢积累，最终导致温度上升；这些箱体都是长年放置于野外使用的，往往因为长期高温工作，因而影响了箱内的UPS 和各种设备或电子元件的性能，使正常的使用寿命缩短，增加了经营成本。特别是在边远地区或温室效应大的区域，以上的问题仍然没有较好的解决方法，所能做得只是频繁地更换电池和各种设备。

2 解决方案

为了解决野外UPS机箱、设备箱或信号箱的温度控制难题，研发者提供了一种特殊的相变材料能量存储热交换的方案。已知许多物质在特定温度下会改变形态，这类物质称为相变材料（Phase Change Material- PCM）. 相变材料在改变形态时会吸收或释放能量，称之为潜热。本方案利用相变材料在发生相变时吸收潜热的特性，在UPS机箱、设备箱、信号箱等内填装一定数量的相变材料，并使用进风/排风扇和相应的箱内外温度监控装置而达致温度控制的效果；当监测到箱体外环境温度低于相变温度及箱体内的温度高于设备指定温度时，通风控制系统的装置会将箱外的空气输入箱内，一方面为箱体制冷，另一方面将能量储存在相变材料中；当监测到箱体外环境温度高于相变温度或箱体内的温度低于某一指定温度时，通风控制系统会停止工作，释放已存储的冷能量，达到制冷的目的。在这过程中只消耗少许的电能（风扇耗电），但可以很好地解决野外UPS机箱的温度控制难题。

本方案所采用32°C的相变材料，具有潜热大和稳定性高的特点，使用周期可长达二十年以上。相变材料被嵌入特制的铝合金散热器中，散热器的一部在机箱内部，吸收机箱内UPS和设备产生的热量。另一部在机箱上部通过风扇和环境进行热交换。

温度控制系统的工作由监控装置控制，其监测的目的是：维持箱内的温度于某一特定的温度，此温度有利于箱中的UPS电池和电子部件的寿命得以延长；恒定温度的选择要保证在夏天机箱外的温度非常高的时候也不会影响内部部件的寿命，增加经营成本。

一个典型的温度控制过程如下：

当监测到箱内的温度高于40℃及箱外温度低于30℃时，进风风扇及排风风扇会即刻起动，为相变材料提供能量的交换，相变材料散热器吸收机箱内的热量和外部环境进行能量交换，达至温度控制的效果；当监测到箱内的温度低于37℃或箱外的温度高于32℃时，进风风扇及排风风扇会停止工作，利用相变材料已存储的能量进行交换，达至温度控制的效果。

实际应用测试效果

对安装了相变材料的UPS机箱的温度进行测试

测试条件与环境：采用29°C相变材料，机箱外温度40°C，相变材料重量为50公斤。

建筑材料

简述

相变储能建筑材料兼备普通建材和相变材料两者的优点，能够吸收和释放适量的热能；能够和其他传统建筑材料同时使用；不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建筑材料；能够用标准生产设备生产；在经济效益上具有竞争性。

建筑运用

相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年，由美国能源部太阳能公司发起。20世纪90年代以PCM处理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发展起来了。随后，PCM在混凝土试块、石膏墙板等建筑材料中的研究和应用一直方兴未艾。1999年，国外又研制成功一种新型建筑材料－固液共晶相变材料，在墙板或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料，可以保持室内温度适宜。另欧美有多家公司利用PCM生产销售室外通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋，可在冬夏天均保持在适宜的工作温度。此外，含有PCM的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深夜结冰。

复合工艺

相变材料关系图

PCM与建材基体的结合工艺，主要有以下几种方法：（1）将PCM密封在合适的容器内。（2）将PCM密封后置入建筑材料中。（3）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)。（4）将PCM直接与建筑材料混合。（5）将有机PCM乳化后添加到建筑材料中。国内建筑节能某知名企业成功地将不同标号的石蜡乳化，然后按一定比例与相变特种胶粉、水、聚苯颗粒轻骨料混合，配制成兼具蓄热和保温的可用于建筑墙体内外层的相变蓄热浆料。试验楼的测试工作正在进行中。同时在开发的还有相变砂浆、相变腻子等产品。

在建筑中的应用

现代建筑向高层发展，要求所用围护结构为轻质材料。但普通轻质材料热容较小，导致室内温度波动较大。这不仅造成室内热环境不舒适，而且还增加空调负荷，导致建筑能耗上升。采用的相变材料的潜热达到170J/g甚至更高，而普通建材在温度变化1℃时储存同等热量将需要190倍相变材料的质量。因此，复合相变建材具有普通建材无法比拟的热容，对于房间内的气温稳定及空调系统工况的平稳是非常有利的。

这种复合的产品的缺点是，强度不够。

材料选择

应具备的特点

用于建筑围护结构的相变建筑材料的研制，选择合适的相变材料至关重要，应具有以下几个特点：（1）熔化潜热高，使其在相变中能贮藏或放出较多的热量；（2）相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少；（3）有合适的相变温度，能满足需要控制的特定温度；（4）导热系数大，密度大，比热容大；（5）相变材料无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便。

在实际研制过程中，要找到满足这些理想条件的相变材料非常困难。因此，人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大相变潜热的相变材料，而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

存在问题研究

现存的问题主要在相变储能建筑材料耐久性以及经济性方面。

耐久性主要体现在三个方面：

相变材料在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体的泄漏问题；相变材料对基体材料的作用问题。

经济性主要体现在：

如果要最大化解决上述问题，将导致单位热能储存费用的上升，必将失去与其他储热法或普通建材竞争的优势。相变储能建筑材料经过20多年的发展，其智能化功能性的特点勿容置疑。随着人们对建筑节能的日益重视，环境保护意识的逐步增强，相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地，也会逐渐被人们所认知，具有非常广阔的应用前景。

代表人物

徐祖耀院士，在马氏体相变、贝氏体相变、形状记忆材料及材料热力学诸领域研究获丰硕成果。揭示了无扩

徐祖耀

散的马氏体相变中存在间隙原子的扩散，由此重新定义了马氏体相变、修正了经典动力学方程；成功地由热力学计算铁基。

1995年当选为中国科学院院士。

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