隨著全球氣候的急劇變化，可持續和可再生能源成為人們日漸關注的話題。相變材料（PCM）作為一種高效的蓄熱物質，可在特定的溫度范圍內發生相變過程，從而實現熱能的儲存和釋放，具有可持續再生、能量存儲密度高等特點，符合當前節能降碳的戰略目標，因而受到人們的廣泛關注。接下來，小編將為大家介紹相變材料及其封裝方式。

什么是相變材料？

相變材料（PCMs）是指在幾乎不改變自身溫度的情況下，通過改變物質的相態變化來達到儲存能量、調節溫度的目的，從而實現對能源的高效利用的一種材料，具有儲熱密度高、溫度輸出穩定，系統結構緊湊等優點，被廣泛應用于紡織、醫學、食品冷鏈、建筑節能、航空航天、太陽能熱利用、電池熱管理以及工業余熱回收等領域。

高分子固-固相變材料結構圖（圖源：文獻6）

相變材料的分類

按照化學成分可以將相變材料分為無機相變材料（IPCMs）、有機相變材料（OPCMs）和復合相變材料（CPCMs）。

（1）無機相變材料（IPCMs）：無機相變材料主要有熔融鹽、結晶水合鹽、金屬合金等無機物。由于是無機材料，故一般具有較大的熔解熱和固定的熔點，屬于中低溫相變材料中較為重要的一類。但是這類材料極易出現“過冷”或“相分離”現象，導致蓄熱能力下降，與金屬儲存器不相容。

*相分離現象：是指無機水合鹽在融化過程中，釋放的結晶水并不會完全溶解全部的固相，或由于密度差異固相沉積在溶液底部，從而導致材料出現分層的現象。

*過冷現象：是指在凝固過程中，溫度降低到理論凝固點時材料并沒有發生結晶現象，而是處于亞穩態狀況，當溫度繼續降低才會結晶釋放熱量。

0-50℃無機相變材料溫度匯總（圖源：文獻7）

（2）有機相變材料（OPCMs）：有機相變材料主要有石蠟、脂、脂肪酸、乙醇及乙二醇等有機物。它們具有較高的潛熱、相變范圍廣、良好的化學穩定性、耐腐蝕性強、固定成型好的特點，不易發生“過冷”和“相分離”現象，性能較為穩定。但是這類材料普遍存在導熱系數小的缺點，通常需在里面加入金屬網格、金屬粉末改善其導熱性能，部分材料因易燃、易揮發以及老化問題限制了其在許多領域的應用。

0-50℃有機相變材料溫度匯總（圖源：文獻7）

（3）復合相變材料（CPCMs）：復合相變材料是由無機材料和有機材料混合共熔形成混合相變材料，相較于傳統的無機相變材料或有機相變材料，是種類和應用范圍最廣的一類相變材料。

復合相變材料溫度匯總（圖源：文獻7）

為了確保相變材料在使用過程中的穩定性、耐久性以及安全性，研究人員開發了多種封裝技術，主要封裝方式有微膠囊封裝、多孔載體封裝、纖維法等。

1、微膠囊封裝

微膠囊封裝技術是指利用成膜物質將相變材料進行包覆的技術，由芯材和殼材兩部分組成，相變材料作為核心部分，被聚合物或無機材料組成的殼結構包覆在其中，尺度通常在1-1000μm。殼材除了可以構筑一個相對隔離的系統并防止泄露外，還具有更大的比表面積，可以有效提升熱響應速度和換熱效率，從而實現更高效的熱能儲存和溫度控制。微膠囊封裝結構主要受到封裝材料的種類和制備工藝的影響。有機外殼中最為常用的是高分子類材料，高分子材料的種類豐富、可設計性強、制備方便、機械強度高、韌性較好，常用有蜜胺樹脂、聚氨酯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯；無機外殼具有較好的阻燃性、高導熱性和易制備的特點，最常用為SiO₂。有時單一的外殼并不能完全滿足使用需求，這時有機-無機雜化殼或多層殼結構應運而生，通過向其中添加金屬基、碳基等材料，可進一步豐富功能性應用，提高微膠囊外殼的熱導率和力學性能。微膠囊的制備的方法主要有：溶膠-凝膠法、原位聚合法、噴霧干燥法等。

（1）溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是將溶膠溶液添加到相變材料的乳狀液中，在溶液狀態下進行水合縮合成微膠囊凝膠。Li等研究以石蠟作為潛熱介質，將高密度聚乙烯/木粉復合材料作為包覆外殼，在電地暖系統轉化進行實驗模擬，結果證明，對電地暖系統有降低成本的效果。He等將二氧化硅作為殼材對硅酸鈉進行包覆，研究酸堿性對二氧化硅殼材的影響，結果證明，在酸性的環境中可得到具有抗滲透性的光滑微膠囊。

（2）原位聚合法：原位聚合法是相對分子質量較低的聚合單體在相變材料芯材表面沉積聚集，但沉積數量較多時不斷相互交聯并在其表面發生聚合反應，最終生成的聚合物外殼將芯材包覆其中。Su等人采用原位縮聚法制備了一系列以相變材料為芯材的三聚氰胺甲醛微膠囊，DSC結果表明，殼內PCM的熔點與未包膜的PCM的熔點幾乎沒有變化。在隨后的開發中，以三聚氰胺甲醛樹脂為PCM殼材制備了雙殼結構相變材料微膠囊。單殼和雙殼結構相變材料微膠囊的壓縮試驗表明，雙殼結構對相變材料芯材更具有保護作用。

（3）噴霧干燥法：噴霧干燥法作為一種物理封裝方法，是首先將相變材料分散在聚合物溶液中，再經噴嘴高速噴出完成干燥，從而形成微膠囊。其制備過程簡單高效，生產成本較低，對于原材料的限制較少，工藝穩定可控性高，易于連續化制備，但是封裝率相對較低，長期穩定性相對較差，目前用于噴霧干燥封裝的外殼可以選用聚合物材料或無機材料。

微膠囊形態圖（圖源：文獻1）

2、多孔載體封裝

多孔載體封裝是利用具有貫通的微小孔洞或豐富微孔結構的無機物作為支撐材料，通過浸漬或施加壓力的作用，將液態的相變材料吸入孔洞結構中。應用較為廣泛的多孔材料有泡沫金屬、多孔陶瓷等。其中，泡沫金屬不僅具有金屬的高導熱的性能，而且高的孔隙率大大提高相變材料的封裝效率，但泡沫金屬的成本高，對無機相變材料的耐蝕性較差。相比泡沫金屬材料，多孔陶瓷就能避免出跟金屬接觸腐蝕的現象，而且具有優良的機械強度，但多孔陶瓷導熱性不高，在實際應用中會大大降低相變材料的性能。

3、纖維法

相變纖維是另一種具有殼核結構的復合相變材料，可以通過熔融紡絲、濕法紡絲、靜電紡絲、離心紡絲等手段，將聚乙二醇等相變材料包裹于有機聚合物組成的殼結構中。相變纖維相較于相變微膠囊，形態更加多樣，除了絲狀纖維，還可以制成纖維膜、織物等，且制備成本與難度也有所降低。使用同軸靜電紡絲法，以聚氨酯（PU）、聚酰胺6（PA6）、聚乙烯醇（PVA）等聚合物作為殼層，均可以有效地將聚乙二醇封裝于核芯中，阻止其吸熱液化后的泄露。進一步地，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為纖維基體，PEG-6000作為相變材料，并加入氧化石墨烯（GO）作為導熱填料，通過靜電紡絲制成的相變纖維不僅保留了優秀的抗泄露性，而且熱導率還隨著氧化石墨烯含量的提高而顯著提高。

選擇封裝技術時，需要考慮成本、應用場景、所需的相變溫度、封裝材料的兼容性和耐久性等因素。每種方法都有其獨特的優勢和局限性，根據特定的應用需求組合使用，就可以達到最佳的調溫性能和使用壽命。

單軸靜電紡絲及同軸靜電紡絲制備相變纖維示意圖（圖源：文獻6）

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