相變材料

相變材料(PCM - Phase Change Material)是指溫度不變的情況下而改變物質狀態並能提供潛熱的物質。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。

這種材料一旦在人類生活被廣泛套用，將成為節能環保的最佳綠色環保載體，在我國已經列為國家級研發利用序列。

基本介紹

• 中文名：相變材料
• 外文名：PCM - Phase Change Material
• 作用：能量轉換
• 運用：人類生活各方面
• 代表人物：徐祖耀

基本簡介

概述

相變材料可分為有機（Organic）和無機(Inorganic) 相變材料。亦可分為水合鹽（Hydrated Salts）相變材料和蠟質(Paraffin Wax)相變材料。

我們最常見的相變材料非水莫屬了，當溫度低至0°C 時，水由液態變為固態（結冰）。當溫度高於0°C時水由固態變為液態（溶解）。在結冰過程中吸入並儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中吸收大量的熱能量。凍的數量（體積）越大，溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型的例子。

相變材料套用於電採暖行業，是傳統電採暖邁向節能電採暖的革命性轉變，相變熱電暖器就是其中代表產品，相對傳統電暖器可節能60%-70%。

從以上的例子可看出，相變材料實際上可作為能量存儲器。這種特性在節能，溫度控制等領域有著極大的意義。因此，相變材料及其套用成為廣泛的研究課題。

有機相變材料和無機相變材料的最大區別在於運用到建築材料等方面耐久性和防火性的差異，後者多優於前者。

蓄熱機理與特點

相變材料具有在一定溫度範圍內改變其物理狀態的能力。以固－液相變為例，在加熱到熔化溫度時，就產生從固態到液態的相變，熔化的過程中，相變材料吸收並儲存大量的潛熱；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度範圍內要散發到環境中去，進行從液態到固態的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態發生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平台，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。

相變材料的分類相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和複合PCM三類。其中，無機類PCM主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機物；複合相變儲熱材料的應運而生，它既能有效克服單一的無機物或有機物相變儲熱材料存在的缺點，又可以改善相變材料的套用效果以及拓展其套用範圍。因此，研製複合相變儲熱材料已成為儲熱材料領域的熱點研究課題。但是混合相變材料也可能會帶來相變潛熱下降，或在長期的相變過程中容易變性等缺點。

什麼是相變

物質從一種相轉變為另一種相的過程。物質系統中物理、化學性質完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態對應，物質有固相、液相、氣相。

一級相變

在發生相變時，有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為“一級相變”。例如，在1個大氣壓0℃的情況下，1千克質量的冰轉變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉換屬一級相變。

二級相變

在發生相變時，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹係數和等溫壓縮係數等的物理量發生變化，這一類變化稱為二級相變。正常液態氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉變，正常導體與超導體之間的轉變，順磁體與鐵磁體之間的轉變，合金的有序態與無序態之間的轉變等都是典型的二級相變的例子。

廣泛套用

航天

由於外太空溫度屬於極寒或極熱環境，對太空人、太空飛行器的保護要求非常嚴格，普通材料無法適應惡劣條件，因此，需要特殊材料進行保護。美國和前蘇聯科學家首先研製出相變材料，使得太空人的服裝、返回艙外殼等得以套用。該技術一直處於壟斷地位。我國進入21世紀以來，經過科學家的不斷努力，已經克服了關鍵技術部分，開始進行實際運用。

建築

相變材料引用到建築，是建築領域革命性發展。主要作用結果是節能，可以達到節能60%-99%。以北方採暖為例，使用相變材料，按照100平米的房屋為測量單位計算，一個採暖季的用電量只有10度左右。相變材料套用於電採暖行業，是傳統電採暖邁向節能電採暖的革命性轉變，相變熱電暖器就是其中代表產品，相對傳統電暖器可節能60%-70%。

服裝

在服裝領域，使用相變材料，將相變材料植入纖維中，可以極大的改變人們的生活質量，不使用任何能源，可以讓普通衣服變成微空調。

製冷設備

傳統製冷設備，如空調、冷藏車、冷庫，均是採取壓縮機製冷技術進行製冷，不僅耗電，而且不環保。採用相變技術，可以替代壓縮機進行製冷，節能60%以上。

軍事

一旦裝備部隊，將是相變材料一重大貢獻。軍車、軍人服裝、艦船、飛機、坦克、潛艇等軍事各個方面，均是相變材料運用的重要領域，可以極大的提高戰鬥力和防護持久能力。

通訊、電力

在通訊、電力等設備箱（間）降溫方面，相變材料可以節省設備成本75%以上。在通訊領域，已經廣泛套用於通訊基站的機房、電池組間，使傳統的一年壽命的設備可以延長到4年或更多。

建築材料

簡述

相變儲能建築材料兼備普通建材和相變材料兩者的優點，能夠吸收和釋放適量的熱能；能夠和其他傳統建築材料同時使用；不需要特殊的知識和技能來安裝使用蓄熱建築材料；能夠用標準生產設備生產；在經濟效益上具有競爭性。

相變儲能建築材料套用於建材的研究始於1982年，由美國能源部太陽能公司發起。20世紀90年代以PCM處理建築材料(如石膏板、牆板與混凝土構件等)的技術發展起來了。隨後，PCM在混凝土試塊、石膏牆板等建築材料中的研究和套用一直方興未艾。1999年，國外又研製成功一種新型建築材料－固液共晶相變材料，在牆板或輕型混凝土預製板中澆注這種相變材料，可以保持室內溫度適宜。另歐美有多家公司利用PCM生產銷售室外通訊接線設備和電力變壓設備的專用小屋，可在冬夏天均保持在適宜的工作溫度。此外，含有PCM的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋樑、飛機跑道等在冬季深夜結冰。

複合工藝

PCM與建材基體的結合工藝，主要有以下幾種方法：（1）將PCM密封在合適的容器內。（2）將PCM密封后置入建築材料中。（3）通過浸泡將PCM滲入多孔的建材基體(如石膏牆板、水泥混凝土試塊等)。（4）將PCM直接與建築材料混合。（5）將有機PCM乳化後添加到建築材料中。國內建築節能某知名企業成功地將不同標號的石蠟乳化，然後按一定比例與相變特種膠粉、水、聚苯顆粒輕骨料混合，配製成兼具蓄熱和保溫的可用於建築牆體內外層的相變蓄熱漿料。試驗樓的測試工作正在進行中。同時在開發的還有相變砂漿、相變膩子等產品。

在建築中的套用

現代建築向高層發展，要求所用圍護結構為輕質材料。但普通輕質材料熱容較小，導致室內溫度波動較大。這不僅造成室內熱環境不舒適，而且還增加空調負荷，導致建築能耗上升。採用的相變材料的潛熱達到170J/g甚至更高，而普通建材在溫度變化1℃時儲存同等熱量將需要190倍相變材料的質量。因此，複合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容，對於房間內的氣溫穩定及空調系統工況的平穩是非常有利的。

這種複合的產品的缺點是，強度不夠。

材料選擇

應具備的特點

用於建築圍護結構的相變建築材料的研製，選擇合適的相變材料至關重要，應具有以下幾個特點：（1）熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；（2）相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現象少；（3）有合適的相變溫度，能滿足需要控制的特定溫度；（4）導熱係數大，密度大，比熱容大；（5）相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，製造方便。

在實際研製過程中，要找到滿足這些理想條件的相變材料非常困難。因此，人們往往先考慮有合適的相變溫度和有較大相變潛熱的相變材料，而後再考慮各種影響研究和套用的綜合性因素。

存在問題研究

現存的問題主要在相變儲能建築材料耐久性以及經濟性方面。

耐久性主要表現三個方面：

相變材料在循環過程中熱物理性質的退化問題；相變材料易從基體的泄漏問題；相變材料對基體材料的作用問題。

經濟性主要表現：

如果要最大化解決上述問題，將導致單位熱能儲存費用的上升，必將失去與其他儲熱法或普通建材競爭的優勢。相變儲能建築材料經過20多年的發展，其智慧型化功能性的特點勿容置疑。隨著人們對建築節能的日益重視，環境保護意識的逐步增強，相變儲能建築材料必將在今後的建材領域大有用武之地，也會逐漸被人們所認知，具有非常廣闊的套用前景。

代表人物

徐祖耀院士，在馬氏體相變、貝氏體相變、形狀記憶材料及材料熱力學諸領域研究獲豐碩成果。揭示了無擴散的馬氏體相變中存在間隙原子的擴散，由此重新定義了馬氏體相變、修正了經典動力學方程；成功地由熱力學計算鐵基。

1995年當選為中國科學院院士。