相变材料种类及优缺点比较(2)

样品与容器的相容性问题成为硅铝合金相变储热材料应用的关键。

相变储能材料的导热强化，克服单纯相变储能材料存在的导热系数低,有腐蚀性等缺点。与金属复合的相变复合材料、与陶瓷复合的相变复合材料和与碳质纳米材料复合的相变复合材料。

金属基主要包括铝基(泡沫铝)和镍基等,相变储能材料主要包括各类熔融盐和碱。金属作为强化材料可以提高材料的导热性能,但是金属在高温下化学活性比较强,容易与容器发生反应,并且成本比较高,所以只能用于特殊的用途。

与陶瓷复合提高相变储能复合材料导热性能陶瓷基相变储能复合材料主要是将相变材料分布于陶瓷基体的超微多孔网络中,相变材料受热熔化时吸收潜热,而液态相变材料受陶瓷基体毛细张力的作用不会流出,从而使相变前后维持复合材料原来的形状。主要优点有:可供选择的无机盐种类多;可同时利用显热和潜热,蓄热密度大;无需封装,不存在腐蚀问题;不存在过冷和相分离的问题。无机盐/陶瓷基复合相变储能材料[15]具有独特的蓄热性能和机械性能,可用于工业余热回收、太阳能、电力调峰等领域,目前备受关注的是Glück A[16]等和张仁元[17]等研究的用无机盐/陶瓷基复合储能材料代替工业窑炉中的显热耐火砖和用于空间站太阳能发电系统的蓄热器。

微/纳米胶囊相变材料的应用

3.1建筑领域

在建筑材料中添加PCM的一种成功的方法就是将MCPCM混入砖瓦、墙板、天花板、地板等建筑结构材料中进行太阳能贮存[20,21]。白天接受太阳辐射，吸收太阳能，夜间释放出来以保持室内温度，减少室内温度波动，使室内保持良好的热舒适，减少空调系统的设备容量，转移用电负荷。在沙漠和温差较大的地区特别有效。 3.2纺织服装领域

将MCPCM与普通纤维共混后熔融纺丝制备可调温纤维，或者也可直接进行织物涂层整理[22，23]。其用途有很多方面，例如，相变材料微胶囊可应用在民用服装如运动服装上。运动员在进行剧烈的运动时，会产生大量的热量，体内的微气候的温度急剧升高，从而人体的温度也急剧升高。在运动服装上应用相变材料微胶囊，可以利用相变材料微胶囊吸收存储和重新释放身体的热量，避免身体过热与发冷，使身体始终保持较舒适的状态。蓄热调温纺 织品还可应用于职业服装如消防服、野战服、冷库工作服、潜水服飞行服等以及室内装饰、床上用品和睡袋方面。此外，还可具有医疗用途[24]，涂层织物用于手术服，可防止液体透过，防止部分细菌感染。蓄热调温织物用做医用恒温绷带，可防止局部温度过高，防止出汗引起伤口感染，影响伤口愈合，也可防止冻伤。还可用于烧伤病人服装。 3.3军事领域

MCPCM还可用于军事红外线伪装领域[25]。将MCPCM分散在基质中以涂料或遮障的形式用于军事目标上，通过改变、调节相变物质的含量、组成等，使其尽可能吸收目标放出的热量，使得军事目标的温度与周围环境的温度保持相同，从而可以达到最佳的伪装效果。 3.4功能热流体领域

功能热流体是指热流体为连续相、其他添加剂(有相变或没有相变)为分散相的多功能流体[26]。在传热流体中添加可发生相变（固–液或固–固相变的微胶囊是当前功能热流体研究领域的一个热点问题。将相变材料包裹在微胶囊状的壳体内形成潜热微封装材料，并将其添加到液体工质中，可提高热流体的比热容，从而起到强化传热的作用。

在热流体中添加纳米胶囊相变材料并将得到的热流体称为功能纳米相变热流体。功能纳米相变热流体除保留微胶囊相变热流体的优点外，因相变材料在尺度上从微米级变为纳米级，增大了表面积与体积的比率，从而提高了传热速率；此外，功能热流体的输送泵功也将减小，

并大大降低长时间运行时粒子之间碰撞破坏的可能性，相变材料的相变效率也将提高。 在MCPCM（微胶囊）中发生相变的物质被封闭在球形胶囊中，从而可有效解决相变材料的泄漏、相分离以及腐蚀性等问题，有利于改善相变材料的应用性能。纳米胶囊相变材料(NCPCM)在保留微胶囊相变材料优点的同时，因胶囊尺寸从微米级降为纳米级，使胶囊表面积与体积的比率增大，有利于提高相变材料的传热速率；同时，在使用过程中还可大大降低长时间使用时粒子之间碰撞破坏的可能性。

将石蜡与一热塑弹性体SBS复合制备了在石蜡熔融状态下仍能保持形状稳定的复合相变蓄热材料,复合材料保持了石蜡的相变特性,相变潜热可高达纯石蜡潜热的80%,在复合相变材料中加入膨胀石墨后,热传导性有了显著提高,其放热时间比纯石蜡缩短了61%。 组合相变材料

为了得到合适相变温度的相变材料，同时又能提高相变材料的导热性能，可将现有的几种相变材料采用一定的方法进行组合，得到新的相变材料。相变材料的组合方式主要有2种：一种是沿传热流体流动方向分别放置相变温度不同的2种或2种以上的相变材料储热单元；另一种是在同一储热单元内或沿垂直于传热流体流动的方向上，合理组合放置相变温度不同的2种或2种以上的相变材料。结果表明，采用组合相变材料，潜热储、放热过程传热速率提高15％。

（1）储能系统体积趋向于小巧和轻便，要求相变材料的储能性能更高。这对于采取合适的强化传热手段提出了更高的要求。

（2）相变材料的可逆性和稳定性还要进一步提高。如相变材料在多次储热-放热循环后储能性能的劣化、相变材料和基体材料或添加物之间的相容性问题等。这不仅关系到相变材料的导热性能，也关系到其使用寿命。

（3）经济性问题，即材料成本问题。应该在满足使用的前提下寻找成本更低的相变材料，并在制备工艺和封装技术等方面研究出更经济的方法，

导热增强方式及优缺点比较：

金属颗粒和翅片结构

由金属构成的翅片结构能够起到增加受迫对流进而增强换热的作用，Liu等[5]研究表明翅片结构可以有效地增加热传导和自然对流，可以使热导率增加67%，并分析了翅片大小和齿距对导热的影响作用，提出减少宽度和翅距均可以增加导热性能；

碳纤维

碳纤维能与绝大多数相变材料相容，耐腐蚀能力较强，且纤维直径很小，有利于在材料中均匀布置 膨胀石墨

膨胀石墨是以鳞片石墨为原料采用特殊工艺，使鳞片石墨沿层间方向膨化而成的产物。它既保留了天然鳞片石墨的导热性好、无毒害等优良性质,又具有天然鳞片石墨所没有的吸附性、生态环境协调性以及生物相容性等特征。在以石蜡为相变材料时多辅以膨胀石墨来提高其热导率。

有机相变材料成型性好、没有过冷和相分离现象、性能稳定、无毒性，但是有机材料导热系数小，相变过程中增加了储能和释能时间，降低了热控系统的效率 纳米流体

美国Argonne国家实验室的Choi等提出了纳米流体的概念：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成新的强化传热工质。纳米流体导热系数增大的原

因，一是固体颗粒的加入改变了基础液体的结构,增强了混合物内部的能量传递过程,使得导热系数增大;二是纳米粒子的小尺寸效应，使得粒子与液体间有微对流现象存在,这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递过程,增大了纳米流体的导热系数

三种主要的强化传热方法，分别是泡沫金属、金属固体和金属翅片、膨胀石墨 泡沫金属是一种内部充满气泡的金属制品，既有金属特性又有气泡特性。其重量减轻为其致密固体的1/2～1/50，且仍能保持致密固体的大部分强度，具有比表面积大、导热系数高等优点。复合相变材料的传热性能大大提高，但是储能能力有所降低。并且指出，如果与风扇或制冷工质回路等主动冷却系统相结合，可以很好地解决高热流密度、短时和间歇性大功 率组件的温控问题

热流方向与翅片方向一致即构成并联时，翅片能有效提高热流方向的导热能力。但是，当翅片与热流方向垂直时，填充在翅片间的相变材料构成主要热阻，有效导热系数基本等于相变材料的导热系数，这时，翅片的强化泡沫金属复合相变材料和膨胀石墨复合相变材料的热传导性，结果表明，两者都能明显提高导热效率，进而缩短储放热时间，结果还显示，泡沫金属明显优于膨胀石墨。，电子设备能有效抗击高的热流、并且能保证操作的可靠性和稳定性 这种复合相变材料能大大提高相变材料的导热系数和储热能力。并且发现泡沫石墨的孔径大小和韧带的厚度对导热系数和储热量也有影响，孔径越小、韧带越厚，结果导热系数越高。孔径越大、韧带越薄，储热量越大。 在选取提高导热系数的添加物时，应该满足下面几个条件：导热系数高；物质密度不能太高；材料应该与相变材料相容；具有一定的耐腐蚀能力；价格相对便宜，易购得。在对各种强化传热方法回顾以后，可以得出以下几点结论：

1)添加金属颗粒会显著增加系统的总重量，并且分布不均匀容易造成传热不稳定，整体效能较低，因此发展前途有限；

2)加入碳纤维改善导热性能是一种较先进的方法，虽然碳纤维的技术加工存在一些困难，但物理和化学性能优良，以后应加强这方面的研究；

3)膨胀石墨主要与高聚物(如石蜡)混合，多应用于中高温领域的性能改进，研究者对这方面的关注较多，技术已臻于完善；

4)纳米流体作为新型材料，性能优越，而且还有许多新工质及新工艺等待开发，考虑到其在低温领域有很大的应用空间，以后应加大研究力度；

5)泡沫金属既有金属特性又有气泡特性，多种潜在的优良特性还有待于开发，应该对此做进一步的深入研究。

相变材料的利用

A.太阳能供暖系统上的应用

相变储热材料用于储热具有环保、高效、节能、安全等多项优势，非常适合于太阳能供暖系统储热，以替代传统的取暖设备。组合式相变储热单元换热器为方形结构，主要由钢板、折流板、高密度聚乙烯管组成。内部结构由3个区构成，每个区内都有几十根高密度聚乙烯 管，管外径25mm，壁厚1.5mm，相变储热材料用石蜡封装在管内，每根管内都留有5%~10%的空余空间，用来避免储热材料受热膨胀将管胀裂。3个区内的石蜡相变点温度值是不相同的，沿高温水流动方向依次降低，根据实际需要，各区之间相差2.5~5.5℃。每个区内各有2块折流板，用以增加流体的扰动，提高换热效果，这种供暖系统在实际中已有应用。 B.太阳能热水系统上的应用 C.热泵干燥机组中的应用 D.工业加热过程的应用

E.医药工业中的应用

相变贮热材料在太空中的应用日趋活跃,可用于太阳能热动力发电、航天器仪器仪表的恒温控制、舱外航天服等方面。

许多医疗电子治疗仪要求在恒温条件下使用，这样就需要利用温控储热材料来调节，使仪器在允许的温度内工作。日本有专利报导用NaSO410H2O和MgSO47H2O的混合物作为相变材料用于仪器室的控温，可使室温保持在25℃左右。也可将特种仪器埋包在用相变材料制成的热包中，来维持仪器使用的温度。近年来国内市场有种热袋，相变材料是水合盐，相变温度55℃左右，利用一块金属片作为成核晶种材料，当用手挤压金属片时，使它的表面成为晶体生长中心，从而结晶放热，再配备某些具有活血作用的中药袋，从而达到理疗的作用,对于治疗类风湿等疾病具有一定的疗效。 相变储能复合材料在电子行业中的应用

近年来随着电子设备向高速、小型、高功率等方向发展，集成电路的集成度、运算速度和功率迅速提高，导致集成块内产生的热量大幅度增加。如果集成块产生的热量不能及时扩散，将使集成块的温度急剧上升，影响其正常运行，严重的还可能造成集成块烧坏。而如果在集成块上应用相变材料，可以有效缓解其过热问题。因为相变材料在其发生相变过程中，在很小的温升范围内，吸收大量热量，从而降低其温度上升幅度。

相变材料的应用：

出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇工作的大功率组件,如激光武器、行波管和机动飞行控制系统等.这类系统的短时峰值发热量大大地超过了平均发热量

太阳能热发电、工业热利用及余热回收、电力负荷调节等方面/，以及各种设备的温控上面。近年来，相变材料作为一种辅助冷却手段被广泛应用航天器和航空电子设备、个人计算机、通信设备、便携式计算机、手机等的热控制。相变材料被动热管理策略能用于瞬态性或者周期性热源的散热。被选择的相变材料熔点需低于设备允许最高工作温度，理想的相变材料应具有高的潜热质量比、显热质量比、高的热导率、相变时体积变化小的特点。

A． 装有PCM的薄盘贴合在处理器或者处理器盒子上。使用于手机散热，装置体积小。能

管理的热量小，适用于小功率散热。 B． 单纯增大PCM容量，由于PCM热导率低，其管理热量的能力仍不能提高，必须在PCM

中加肋片 C． 先加一个导热的盘状肋，再在其上面加一些针状肋，这种结构大大减小了暴露在空气中

的散热面积。

相变材料的封装结构：

利用相变材料熔化时吸收大量潜热、凝固时放出大量潜热的特性，由于相变热控装置只发生物理状态的转变、无运动部件且不消耗航天器能量、可靠性高，特别适用于航天器内周期性工作的大功率仪器设备或受周期性高热流影响的设备的温度控制。可用于月球车间断性工作的电子设备，以保证月球车电子设备温度维持恒定，不受月球外表面的温度巨幅变化的影响，也不受月球车内仪器的发热变化的影响。

相变材料已成功应用于航天器热控领域，在行星登陆车上也有许多应用。例如，在“阿波罗15号”飞船的月球车上，采用了三个相变材料装置，第一个装置是将相变材料与信号运算器和电池相连，月球车出动执行任务时，信号运算器产生的热量被相变材料吸收，使之

熔化;月球车返回后，将相变材料储存的热量通过辐射器向空间发散，相变材料重新凝固，为下次出动执行任务做好准备。第二、第三个装置将相变材料分别与驱控电子组件和月球通讯继电器连成一体。月球车出动时，后者产生的热量由相变材料吸收，返回后通过百叶窗辐射器散热，为再次工作做好准备。另外，相变材料用来保持阿波罗登月中宇航服系统的温度。美国03 /05火星漫游车也应用了十二烷相变材料来控制锂电池的温度，该相变储热单元与可变热导LHP组合使用，火星登陆车的电池装在储热装置中，通过相变材料的熔化、凝固维持电池的温度水平川(见图4)。

常用的相变材料有石蜡类、非石蜡类有机物、水化盐、熔盐低熔共晶物等，由于一般相变材料的导热系数很小，在0.1一1.0W/m\量级之间，在相变过程中，低导热系数会导致相变材料内温度梯度增加，传热速率小，热响应速度慢，使得控温对象温度比设计高，相变热控装置性能低。因此，提高相变热控装里整体表观导热系数，提高装里传热效率，是应用相变材料热控技术的关键。以往，改善相变材料导热性能的办法是，在相变材料中加人金属、陶瓷材料和热解石墨等导热系数高的填料，填料通常有以下结构形式:粉末、纤维、肋片及蜂窝。高导热系数的填料的加人在一定程度上提高了相变材料的导热性能，但也存

在以下问题:1)、添加粉末、纤维填料会导致导热系数增加程度有限。例如，在石蜡中添

加20%重量比的A1粉末，表观导热系数为0.48W/m\，导热系数增加了不到3倍(原石蜡导热系数为0.15W/m\相变热控装置的温度均匀性难以保持。在相变材料中添加粉末、纤维填料，很难保证填料始终均匀分布在相变材料中，长期运行会导致聚集、沉淀等不良后果，导致其强化传热性能逐渐降低，并使得相变热控装置的温度均匀性变差;2)、添加肋片、蜂窝填料会导致相变材料的充装性差。使用填料增加相变材料导热性能，需保证相变材料的可充装性。使用肋片、蜂窝填料时，由于每个肋片或蜂窝间没有空隙，相变材料充装时非常困难，只有采取打孔或预留空间等办法解决，但会影响装置的强度及传热性能，效果不好;肋片、蜂窝填料与相变热控装置壳体热阻大。由于肋片、蜂窝坟料是由很薄的金属片制成，无法用焊接工艺将它和壳体金属板联接，只能采用胶粘的方法，显然，这将增加接触热阻，降低装置传热性能。

2002年，南京理工大学将高孔隙率通孔型泡沫铝或泡沫石墨等材料用于相变储热单元，设计、制造了高传热性能的相变储热装置(见图5所示)，试验侧试结果表明泡沫功能材料增加了相变材料的导热系数，提高了相变储热单元的传热性能，提高了相变热控装置的温度均匀性、可充装性及可靠性。例如，孔隙率为92 %的泡沫铝与石蜡的组合表观导热系数可达5W/m.K以上，导热系数提高了30倍以上。而且，由于所采用的泡沫铝为通孔型，且孔径在4mm以上，相变材料很容易充满整个装置，不会产生死角，泡沫铝相变热控装置充装性能好。另外，由于泡沫铝的孔隙率大(92%以上)，相变传热装置使用的泡沫铝重量轻，用于航天器或行星登陆车热控将不会使相变装置的重量及储能量有太大变化[4]0

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