全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)能源的需求快速增長(zhǎng)，如今能量?jī)?chǔ)存已成為可再生能源技術(shù)體系的重要組成部分。其中，熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)（Thermal energy storage system，TESS）是一種通過(guò)加熱或冷卻存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存熱能，以便在以后的時(shí)間里可以使用儲(chǔ)存的能量來(lái)為加熱和冷卻提供能源。熱能儲(chǔ)存技術(shù)在建筑物和工業(yè)過(guò)程中使用，可以提高整體效率和可靠性，并能得到更好的經(jīng)濟(jì)效益，減少投資和運(yùn)行成本，減少環(huán)境污染，減少碳的排放。

光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)

儲(chǔ)熱系統(tǒng)一般是將熱量存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱介質(zhì)中，高能量密度和高放熱吸熱效率是所有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的理想特性。從目前世界研究的方向來(lái)看，熱量存儲(chǔ)一般可以分為顯熱儲(chǔ)存、潛熱儲(chǔ)存和化學(xué)儲(chǔ)存這三種方式。

其中顯熱儲(chǔ)存材料在能量釋放過(guò)程中溫度不能保持穩(wěn)定，而且在熱交換中熱損失較高，不能長(zhǎng)期保存熱量，且蓄熱能力較低，不能滿足如今的工業(yè)要求；化學(xué)儲(chǔ)熱是利用儲(chǔ)熱材料可逆吸熱/放熱反應(yīng)過(guò)程來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱量，盡管這種方法儲(chǔ)熱能力比較好，熱損失比較小，但是要面臨儲(chǔ)熱材料對(duì)設(shè)備的腐蝕、傳熱和傳質(zhì)能力差和材料開發(fā)難等問(wèn)題，限制了實(shí)際應(yīng)用；潛熱儲(chǔ)存技術(shù)是利用相變材料在相變過(guò)程中吸收或釋放熱量，從而進(jìn)行熱量交換，彌補(bǔ)了顯熱儲(chǔ)存不能長(zhǎng)期保存熱量的缺點(diǎn)，而且儲(chǔ)能密度較大，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。

相變材料熱量交換特性

因此在儲(chǔ)熱領(lǐng)域最有前景的便是潛熱儲(chǔ)存，不僅可以解決熱能在時(shí)間和空間上不匹配的問(wèn)題，而且還可以應(yīng)用于紡織、建筑和航天等領(lǐng)域。

相變材料的種類

一、按相變化分類

按蓄熱過(guò)程中相的變化可分為固-固、固-液、固-氣和液-氣相變材料。由于固-氣和液-氣相變材料在相變過(guò)程中體積變化很大，對(duì)儲(chǔ)熱設(shè)備要求高，通常不易在實(shí)際中應(yīng)用。

（1）固-固相變材料

固-固相變材料主要包括多元醇類（季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基乙烷等）、無(wú)機(jī)鹽類（Li2SO4、KHF2 等）和有機(jī)高分子類（高密度聚乙烯等）。

固-固相變材料是通過(guò)物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來(lái)吸收和釋放熱量，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不存在相態(tài)的變化，所以體積變化小，沒(méi)有過(guò)冷和泄露等問(wèn)題，但是不適合與其他材料進(jìn)行復(fù)合，否則會(huì)影響晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，降低材料的儲(chǔ)熱能力，不適合大規(guī)模的應(yīng)用。

（2）固-液相變材料

固-液相變材料憑借材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、較高相變潛熱等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，主要包括高級(jí)脂肪烴類（正十六烷、正十八烷、石蠟等）、脂肪酸及其酯類（硬脂酸、棕櫚酸等）、結(jié)晶水合鹽類（Na₂SO₄·10H₂O、Mn(NO₃)₂·6H₂O 等）、熔融鹽類（LiF、NaF、CaF₂等）、金屬及合金類（鉛-錫合金等）和高分子類（聚乙二醇等）。

儲(chǔ)熱相變材料

二、按材料成分分類

按相變材料的成分可以分為有機(jī)、無(wú)機(jī)、共晶相變材料。

（1）有機(jī)相變材料

有機(jī)相變材料可以在不發(fā)生相分離的情況下多次熔化和凝固，且在結(jié)晶的時(shí)候有很小或者沒(méi)有過(guò)冷度，通常不具有腐蝕性，一般分為石蠟類（烷烴類及其混合物）和非石蠟類（脂肪酸、醇類、脂類等及其衍生物）。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到成本問(wèn)題，大多采用工業(yè)石蠟，有機(jī)相變材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有過(guò)冷度小、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是導(dǎo)熱系數(shù)較小，傳熱能力較差。

（2）無(wú)機(jī)相變材料

無(wú)機(jī)相變材料主要被應(yīng)用于低溫和高溫環(huán)境中，包括結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類（硝酸鹽、碳酸鹽、鹵化物等）、金屬類。其中因水合鹽相變過(guò)程容易因各組分密度不一致發(fā)生相分離，限制了其應(yīng)用；熔融鹽一般用于工業(yè)余熱的回收和航天領(lǐng)域；金屬類金屬類一般由低熔點(diǎn)金屬及其合金組成，它們具有很高的相變焓值、良好的熱穩(wěn)定性及其高導(dǎo)熱能力，可以被用于發(fā)電廠回收余熱或存儲(chǔ)熱量。

（3）共晶相變材料

共晶相變材料一般是具有相似或一致熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)的材料組合，包括無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)、有機(jī)-有機(jī)或者無(wú)機(jī)-有機(jī)相變材料的二元或多元共晶體系，通過(guò)混合多種相變材料克服單一相變材料的缺點(diǎn)，使其更好的應(yīng)用于實(shí)際情況。

相變材料的增強(qiáng)導(dǎo)熱方法

除了相變材料的儲(chǔ)能密度、相變溫度，相變材料的導(dǎo)熱性能也是評(píng)價(jià)相變材

料重要性能之一。對(duì)于大多數(shù)相變材料（尤其是有機(jī)相變儲(chǔ)能材料）而言，其導(dǎo)熱系數(shù)往往都很低，影響實(shí)際使用效果，因此需要增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱率。

一、添加納米材料增強(qiáng)導(dǎo)熱

增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱率的一種方法是在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中使用納米材料或者高導(dǎo)熱材料，例如納米顆粒（銅、氧化銅、鋁、二氧化硅等）、納米片、納米線、納米管、和納米纖維等。

以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子，形成新的強(qiáng)化傳熱介質(zhì)。納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增大的原因，一是固體顆粒的加入改變了基礎(chǔ)液體的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混合物內(nèi)部的能量傳遞過(guò)程，使得導(dǎo)熱系數(shù)增大；二是納米粒子的小尺寸效應(yīng)，使得粒子與液體間有微對(duì)流現(xiàn)象存在，這種微對(duì)流增強(qiáng)了粒子與液體間的能量傳遞過(guò)程，增大了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

二、導(dǎo)熱材料復(fù)合

將高導(dǎo)熱材料與相變材料進(jìn)行復(fù)合是提高相變材料導(dǎo)熱的另一種方法，最常見的是利用石墨、石墨烯、碳纖維等與相變材料進(jìn)行復(fù)合。

（1）碳纖維

碳纖維具有導(dǎo)熱系數(shù)高（約為10~140W/mK）、比重小、高張力、高彈性和熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，能與絕大多數(shù)相變材料相容，耐腐蝕能力較強(qiáng)，且纖維直徑很小，有利于在材料中均勻布置，作為強(qiáng)化傳熱物質(zhì)一直備受研究者關(guān)注。

碳纖維復(fù)合相變材料

（2）膨脹石墨

膨脹石墨是以鱗片石墨為原料采用特殊工藝，使鱗片石墨沿層間方向膨化而成的產(chǎn)物。它既保留了天然鱗片石墨的導(dǎo)熱性好、無(wú)毒害等優(yōu)良性質(zhì)，又具有天然鱗片石墨所沒(méi)有的吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性以及生物相容性等特征。

在以石蠟為相變材料時(shí)多輔以膨脹石墨來(lái)提高其熱導(dǎo)率。

石蠟復(fù)合膨脹石墨

相變材料的應(yīng)用

一、相變材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航天器在發(fā)射到太空中在與大氣層摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量經(jīng)接觸面?zhèn)鬟f到航天器內(nèi)部，使儀器設(shè)備過(guò)熱從而影響航天器的穩(wěn)定性。所以需要對(duì)航天器進(jìn)行熱控制，減少高溫外殼傳遞給航天器內(nèi)部的熱量，或者增加儀器設(shè)備的熱容量從而控制儀器設(shè)備的溫度。

相變材料具有較大的儲(chǔ)熱能力，可以包裹在儀器設(shè)備的表面吸收外部環(huán)境熱源，減少內(nèi)部溫度上升幅度，保持在一定的溫度范圍。

二、相變材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著人們對(duì)環(huán)保能源的需求不斷增加，開發(fā)節(jié)能和高效熱管理的建筑材料已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，在建筑產(chǎn)品中加入潛熱儲(chǔ)存材料可以極大地提高蓄熱能力。

相變材料具有較高的存儲(chǔ)密度和較小的溫度變化，在建筑物的墻壁、天花板和地板的熱量?jī)?chǔ)存可以通過(guò)在這些內(nèi)部封裝或者嵌入合適的相變材料來(lái)增強(qiáng)，它們可以直接捕獲太陽(yáng)能或者通過(guò)自然對(duì)流來(lái)獲取熱能，降低建筑內(nèi)部空氣溫度波動(dòng)幅度，使得室內(nèi)溫度在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在人體所需的溫度范圍內(nèi)，從而增加人體的舒適度。

三、相變材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用

儲(chǔ)能已成為可再生能源技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)相較于于光伏系統(tǒng)，具有較高的利用效率，可以在白天利用太陽(yáng)能，然而它沒(méi)有足夠的儲(chǔ)熱備份來(lái)在太陽(yáng)輻射小或者沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)保持運(yùn)行。相變材料的利用可以使太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)達(dá)到24h高效利用。

四、相變材料在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的應(yīng)用

隨著鋰離子電池市場(chǎng)在個(gè)人電子、電動(dòng)交通和固定儲(chǔ)能方面的不斷增長(zhǎng)，鋰

離子電池的安全問(wèn)題面臨著持續(xù)挑戰(zhàn)。電池?zé)崾Э貢?huì)造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，所以每個(gè)設(shè)計(jì)階段都需要保護(hù)措施。對(duì)電池進(jìn)行熱管理是一種解決電池?zé)崾Э氐挠行Х椒ā?/span>

利用相變材料的高儲(chǔ)熱密度吸收電池在使用過(guò)程中釋放出的熱量，有效的防止電池發(fā)生熱失控。

五、相變材料作為熱界面材料的應(yīng)用

熱界面材料(TIM)是一種普遍用于IC封裝和電子散熱的材料，主要作用是填補(bǔ)兩種材料接合或接觸時(shí)表面產(chǎn)生的微空隙及凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的阻抗,提高散熱性。

相變熱界面材料融合了導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱膏的雙重優(yōu)點(diǎn)，在達(dá)到相變溫度之前，具有和導(dǎo)熱墊片類似的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的彈性和塑性，但當(dāng)電子器件工作溫度升高到熔點(diǎn)以上時(shí)，就會(huì)發(fā)生相變成為液態(tài)，從而有效地潤(rùn)濕熱界面，具有和導(dǎo)熱膏一樣的填充能力，能夠最大程度地填充界面空隙，可以使兩材料界面之間的熱阻大幅度下降。

此外，相變熱界面材料還具有能量緩沖的效果，通過(guò)相變過(guò)程的熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散的路徑，有利于余熱的傳播和擴(kuò)散，防止溫度急劇上升，使器件的工作溫度得到緩解，從而延長(zhǎng)使用壽命。

總結(jié)

相變材料的開發(fā)已逐步進(jìn)入實(shí)用階段，主要用于控制關(guān)鍵器件溫度、利用太陽(yáng)能、儲(chǔ)存工業(yè)反應(yīng)中的余熱和廢熱。低溫儲(chǔ)能主要用于廢熱回收、太陽(yáng)能儲(chǔ)存及供暖和空調(diào)系統(tǒng)，高溫儲(chǔ)能用于熱機(jī)、太陽(yáng)能電站、磁流體發(fā)電及人造衛(wèi)星等方面，在工程保溫材料、醫(yī)療保健產(chǎn)品、航空航天器材、軍事偵察、日常生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

今后相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）進(jìn)一步篩選符合環(huán)保的低價(jià)的有機(jī)相變儲(chǔ)能材料；

（2）開發(fā)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料是克服單一無(wú)機(jī)或有機(jī)相變材料不足、提高其應(yīng)用性能的有效途徑；

（3）針對(duì)相變材料的應(yīng)用場(chǎng)合，開發(fā)出多種復(fù)合手段和復(fù)合技術(shù)，研制出多品種的系列復(fù)合相變材料是復(fù)合相變材料的發(fā)展方向之一；

（4）開發(fā)多元相變組合材料。在同一蓄熱系統(tǒng)中采用相變溫度不同的相變材料合理組合，可以顯著提高系統(tǒng)效率，維持相變過(guò)程中相變速率的均勻性。這對(duì)于蓄熱和放熱有嚴(yán)格要求的蓄能系統(tǒng)具有重要意義；

（5）進(jìn)一步關(guān)注高溫儲(chǔ)熱和空調(diào)儲(chǔ)冷。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，是最有前途的能源解決方案之一，必將極大地推動(dòng)高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展。另外，低溫儲(chǔ)熱技術(shù)是當(dāng)前空調(diào)行業(yè)研究開發(fā)的熱點(diǎn)，并將成為重要的節(jié)能手段。

（6）利用納米材料的特點(diǎn)制備新型高性能納米復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料是制備高性能復(fù)合相變材料的新途徑。

參考來(lái)源：

1. 相變復(fù)合材料的制備及其導(dǎo)熱性能研究，朱洪宇（蘭州理工大學(xué)）；

2. 改善相變材料導(dǎo)熱性能研究綜述，李夔寧、郭寧寧、王賀（重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院）；

3. 相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，尚燕、張雄（同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）。

粉體圈小吉

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