相变材料

第一篇：相变材料

相变材料的种类

摘要：相变储能材料对于能源的开发与应用具有重要意义。综述了相变储能材料的分类、相变特性、并展望其今后的发展方向。关键字：无机相变材料；有机相变材料；储能；进展；

前言

相变材料是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料可分为有机和无机相变材料。亦可分为水合相变材料和蜡质相变材料。相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。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。根据相变的方式不同，又可分为固—固相变,固液相变, 固气相变,液气相变.由于后两种相变方式在相变过程中伴随有大量气体存在，使材料体积变化较大，因此尽管它们有很大的相变热，但实际应用较少。根据使用的温度不同又可分为低温，中温，高温三种。

无机相变材料

固-液相变材料是指在温度高于相变点时 ,物固相变为液相吸收热量 ,当温度下降时物相又由液相变为固相放出热量的一类相变材料。目前 , 固-液无机盐高温相变材料主要为高温熔融盐、部分碱、混合盐。高温熔融盐主要有氟化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐等。它们具有较高的相变温度 ,从几百摄氏度至几千摄氏度 ,因而相变潜热较大。固-固相变储能材料是利用材料的状态改变来储、放热的材料。目前 ,此类无机盐高温相变储能材料已研究过的有NH4SCN,KHF2等物质。KHF2的熔化温度为 196 ℃,熔化热为 142 kJ/kg;NH4SCN从室温加热到 150 ℃发生相变时 ,没有液相生成 ,相转变焓较高 ,相转变温度范围宽 ,过冷程度轻 ,稳定性好 ,不腐蚀 ,是一种很有发展前途的储能材料。

无机盐高温相变复合储能材料近年来 ,高温复合相变储能材料应运而生 ,其既能有效克服单一的无机物或有机物相变储能材料存在的缺点 ,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 ,研制高温复合相变储能材料已成为储能材料领域的热点研究课题之一。目前,已研究的无机盐高温复合相变材料主要有 3类:金属基 /无机盐相变复合材料、无机盐 /陶瓷基相变复合材料和多孔石墨基 /无机盐相变复合材料。金属基 /无机盐相变复合材料: 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。例如 ,将相变储能材料 固体粉末状 放在真空电炉中加热 ,加热到一定温度后,当相变材料由固态熔解成液态时 ,称量一定质量的金属基体 Ni加入熔融盐中进行复合 ,复合一定时间后从真空电炉中取出 ,成品在真空中冷却 ,然后进行干燥、保存等处理。昆明理工大学祁先进 成功制得了各类镍基复合储能材料。无机盐 /陶瓷基相变复合材料: 无机盐 /陶瓷基复合储能材料的概念是 20世纪 80年代末提出的 ,己经成为高温储能材料的研究方向之一。它是由多微孔陶瓷基体和分布在基体微孔网络中的相变材料无机复合而成 ,由于毛细管张力作用 ,无机盐熔化后保留在基体内不流出来;使用过程中可以同时利用陶瓷基材料的显热又利用无机盐的相变潜热 ,而且其使用温度随复合的无机盐种类不同而变化 ,范围为 450～1 100 ℃。

目前己研究的无机盐 /陶瓷基复合储能材料主要有: 1 Na2CO3-BaCO3/MgO, NaSO4/SiO2和NaNO3-NaNO2 / MgO3种。其中NaSO4/SiO2 的 相 变 潜 热 和 比 热 容 均 高 于Na2CO3-BaCO3 /MgO

-NaNO2 /MgO,且其相变温度高出更多 ,这些都使NaSO4/SiO2 的使用NaN3O范围更加广阔。多孔石墨基 /无机盐相变复合材料: 此类物质是利用天然矿物本身具有孔洞结构的特点 ,经过特殊的工艺处理与相变材料复合。如膨胀石墨层间可以浸渍或挤压熔融盐等相变材料。

有机相变材料 有机固-液相变储能材料

有机固-液相变储能材料主要包括脂肪烃类、脂肪酸类、醇类和聚烯醇类等，其优点是不易发生相分离及过冷，腐蚀性较小，相变潜热大，缺点是易泄露。目前应用较多的主要是脂肪烃类与聚多元醇类化合物。用硬脂酸-正丁醇酯、硬脂酸-异丙醇酯、硬脂酸-丙三醇三酯合成的固-液相变储能材料。合成的相变材料储热能力大，热稳定性好，但是达到相变温度时易泄露，需要容器封装。有机固-固相变储能材料

有机固-固相变储能材料是通过材料晶型的转换来储能与释能，在其相变过程中具有体积变化小、无泄漏、无腐蚀和使用寿命长等优点，目前已经开发出的具有经济潜力的固-固相变材料主要有 3 类：多元醇类、高分子类和层状钙钛矿。

2.1 多元醇类

多元醇类相变材料的储能原理是当温度达到相变温度时，其结构由层状体心结构变为各向同性的面心结构，同时层与层之间的氢键断裂，分子发生由结晶态变为无定形态的相转变，释放键能。多元醇的固-固相变焓较大，其大小与该多元醇每一分子中所含的羟基数目有关，每一分子所含羟基数越多，则固-固相变焓越大。它的优点是相变焓大、性能稳定、使用寿命长；缺点是

当它们的温度达到固-固相变温度以上，会由晶态固体变成有很大的蒸气压塑性的晶体，易损失。此类相变材料主要有季戊四醇(PE)、三羟甲基乙烷(PG)、新戊二醇(NPG)、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇(AMP)、三羟甲基氨基甲烷(TAM)等。

2.2 高分子类

有机高分子固-固相变材料为结晶聚合物，主要括嵌段、接枝和交联类聚合物。

2.2.1 嵌段类

用聚乙二醇 1000、1,4-丁二醇、4,4′-二苯亚甲基二异氰酸酯合成的聚亚氨酯嵌段共聚PUPCM，它的相变焓为138.7 kJ/kg。PUPCM 是一种热稳定性好、相转变度适中、相变焓高的新型固-固相变储能材料。

2.2.2 接枝类

用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和1,4-丁二醇(BDO)的本体聚合产物作硬段，聚乙二醇(PEG3400)做软段，合成的一种嵌段型的固-固相变储能材料PEGPU，热循环对其影响不大，是一类很实用的固-固相变材料。

2.2.3 交联类

用聚乙二醇(PEG)、4,4′-二苯基亚甲基二异氰酸酯(MDI)、季戊四醇(PE)合成的一种交联型高分子相变储能材料 PEG/MDI/PE，PEG/MDI/PE 的相变温度为58.68 ℃，相变焓高达152.97kJ/kg，且加热到150 ℃时任能保持固态，因此它有很好的实用性。

2.3 层状钙钛矿

层状钙钛矿是一种有机金属化合物-四氯合金属(Ⅱ)酸正烷胺，它被称为层状钙钛矿是因为其晶体结构是层型的，和矿物钙钛矿的结构相似,此类相变材料相变热在10~80 kJ/kg之间，储热率较低。有机复合相变储能材料

有机复合相变储能材料是指由相变材料与载体物质相结合形成的可保持固态形状的相变材料。这类相变材料的主要成分有 2 种，工作介质（相变材料）和载体物质，其作用是保持相变材料的不流动性和可加工性

复合相变材料克服了普通有机相变材料易泄露、导热率低等缺点。主要包括导热增强型复合相变材料、共混型复合相变材料、微胶囊型复合相变材料、纳米复合型复合相变材料4类。

3.1 导热增强型复合相变材料

将石蜡吸附在具有多孔结构的膨胀石墨内，构成石蜡/石墨复合相变储热材料。石蜡的相变焓为188.69 kJ/kg，复合材料（石蜡占85.56%）为161.45 kJ/kg。传热实验表明：温度从28.5 ℃升高到65 ℃，石蜡需要1 040 s，复合材料仅需要760 s；温度从65 ℃降到29 ℃，石蜡需要500 s，复合材料仅需 240 s。复合材料的储能和放热时间分别减少了27.4%和56.4%，大大提高了导热率。

3.2 共混型复合相变材料

将相变材料与高分子材料按一定比例在热炼机上进行加热共混，就得到共混型复合相变材料。用石蜡和聚乙烯醇共混，得到的控温性能很好的相变储能纤维材料。用十八酸(SA)、十六酸(PA)、十四酸(MA)、十二酸(LA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混起来，得到的共混型相变储能材料，当脂肪酸质量分数达到80%时，4个相变材料的相变焓都在150 kJ/kg以上，相变温度都很低，在40~70 ℃之间，说明它们是很好的中低温相变储能材料。

3.3 微胶囊型复合相变材料

用加入间苯二酚改善特性的尿素和甲醛的聚合物做封装材料，十四烷做储能材料，得到了微胶囊型复合相变储能材料。微胶囊尺寸是由乳化过程中的搅拌速率决定的，当转数达到1 500 r/min时，效果最好。当间苯二酚的量达到5%时，封装的十四烷可达61.8%，聚合过程中添加氯化钠可以提高热稳定性。此相变材料在5~9 ℃的吸热量可达到100~130 kJ/kg。当间苯二酚质量分数为5%时，微胶囊为规则的球状，其直径为100 nm；当间苯二酚质量分数达到10%时，微胶囊的黏度过大，难以形成规整的微胶囊球体。

3.4 纳米复合型相变材料

纳米复合储能材料是将相变储能材料与支撑物进行纳米尺度上的复合，利用纳米材料具有巨大比表面积和界面效应使相变储能材料在发生相变时不会从三维纳米网络中析出用高密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、有机高岭石纳米化合物、石蜡做原料，采用双螺旋挤出工艺制备出的几种纳米复合型相变材料。

小结

随着社会对能源需求量的不断增加 ,能源相对短缺的现状将进一步加剧 ,所以相变储能材料在节能和合理利用能源方面的研究显得尤为重要 ,这为相变储能材料的发展提供了广阔的前景。近年来对无机盐高温相变储能的研究越来越广泛和深入 , 其在工业上的应用也得到了很大的推广。许多研究人员对大量潜在的无机盐高温储能材料的热物性及其测量进行了研究 ,同时对无机盐高温相变材料的封装和无机盐高温相变复合材料也进行了有意义的探索。虽然 ,对无机盐高温相变储能材料的研究还有许多要解决的问题 ,需要更加深入的研究。但是, 相信通过研究人员的不懈努力 ,在不久的将来会有更多类型的无机盐高温相变储能材料应用到实际生活中来 ,为节约能源作出贡献。

而有机相变储能材料在太阳能利用、建筑、电力负荷调节、纺织等方面具有良好的应用前景。和其他种类相变储能材料相比，凝固时无过冷现象以及可以通过不同相变材料的混合来调节相变温度是有机相变材料的突出优点。尤其是高分子相变储能材料和复合相变储能材料，由于它们的定形功能，且相变热大，因此具有广阔的工业化应用前景。

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第二篇：相变材料种类及优缺点比较

非直接接触

为了提高热导率，相变材料装在浅而大的盘状容器中；也可以将PCM装入有导热流体包围的小圆柱管中；或者是壳管换热器的壳中。

部分填充PCM的蜂窝结构，以及将PCM置于球状的塑料容器中（即相变胶囊），很好的解决了相变时体积变化导致泄漏、导热面积减小引起热阻增大的问题。组合相变材料

直接接触的换热器 固—固相变材料

水和盐与不溶流体的使用，扰动解决了PCM的过冷和相隔离的问题，而且微/纳胶囊较大的面积/体积比，使得导热率加强。

材料在固态、液态、气态中发生转变的过程叫做相变。材料在相变过程中，会放热或者吸热，而物体会维持恒温。而这种特性为我们热控制带来了福音。

相变材料是由多组分构成的,包括主储剂、相变点调整剂、防过剂、防相分离剂、相变促进剂组分。

相变材料的分类：

按照其相变过程可分为固——固相变、固——液相变、固——气相变和液——气相变材料四种，目前应用较多的是固——液相变材料。

按照其化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。无机相变材料包括结晶水合盐（可逆性不好）、熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。（多种相变材料混合可以获得合适的相变温度）三种各自的特点 存在的问题：

过冷、相分离、相变时体积变化、腐蚀容器、液相泄露；有机相变材料熔点低，易燃、导热率低。

近年来出现的产品：

为解决固液相变时泄露和腐蚀，产生了胶囊相变材料，为增加表面积/体积比，微/纳米胶囊相变材料及其应用；定型相变材料综合了是将相变材料与高分子材料复合，既避免固-固相变材料潜热低的问题，又回避了固——液相变材料液体泄露的问题；金属泡沫相变材料等 相变材料,应满足的要求有:合乎需要的相变温度;足够大的相变潜热;性能稳定,可反复使用;相变时的膨胀收缩性小;导热性好,相变速度快;相变可逆性好,原料廉价易得等。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；利用2种或者3种相变温度不同的材料按相变温度高低顺序进行放置，可得到合适的相变温度点，同时加快导热速度。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“K，导热系数增加了不到3倍(原石蜡导热系数为0.15W/m”K);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 应用和封装方面的总结（民用产品的启示，包括封装结构和预冷预热等）: 储能利用，如用在建筑、太阳能热水器、工业废热利用、太阳帆板电池、功能工质、医用暖片

作为散热器的中间部分，缓冲散热： 1.对周期性的，间断性的大功率热载荷可以减小散热面

2.与主动热控的强制对流、自然对流等措施结合（风扇排热或者液体工质散热），通过增加热容来增强热控系统的热控能力；若预先加热或者冷冻，可进一步提高其热控能力或者增加热控系统的安全系数。即能承担更大的热载荷。如大型电池的控温。3.与热管结合使用，可将某一部分的废热用来控制其他部分的温度水平

恒温控制:由于相变时温度维持在相变点，可实现对对温度敏感的电子元器件的精确控温

航天服

军事上隐身：通过隐藏设备温度，改变红外光谱，而起到隐形或者隐身的作用。相变材料应用于航天领域

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)。相变控温的特点

1.它属于吸收型被动温控，与常规散热型有很大的不同。它不靠温差散热，因此不受外界环境温度变化的影响，使元件或设备始终稳定在需要的温度上。尤其在大功率密度和要求低的平衡温度时，是常规散热无法解决的难题，而采用相变温控可迎刃而解。在低气压或真空条件下需要散热的设备采用这种温控技术效果更好。

2.与主动温控比较，它不用电，没有运动部件，可用于振动、冲击、加速度等恶劣的力学条件下工作，可靠性很高。

3.在一定条件下，它可取代水冷和风冷进行散热，如对半导体致冷器件的热端温控，不用水冷或风冷，节水节电，具有较大的经济价值。

4.它在低温条件下(如一40℃)工作，它还储存热能，可使设备以极大的速率恢复到正常的工作温度。

5.它能周期性工作，长久使用。6.在低的平衡温度条件下，它比热沉法散热器体积可缩小2.6倍左右;重量可减轻4.5倍左右。7.工艺较复杂。

航天应用

1.电子元器件组件的温控 2.热能储存

在电子组件的温控中，相变材料储存和释放能量的过程可以推广到热环境发生变化的航 天器上。例如一个沿着地球轨道飞行的卫星，会遇到出入地球阴影发生强烈变化的周期性热 环境，在这种情况下，可用相变材料将太阳能储存起来，阻尼轨道周期中产生大的温度变 化。例如一个载人舱，在整个轨道中要求儿乎等温的条件，可用一层相变材料包络整个载人 舱，吸收或释放轨道中太阳能，为舱内提供一个接近相变材料熔点的等温条件。

在无大气的行星或月球上着陆的航天器也会遇到强烈变化的热环境。由于星体的自转，存在着白天和黑夜，又由于没有空气调节，白天黑夜温差很大。着陆的航天器用相变材料屏 蔽起来，白天储存太阳能，夜间放出能量用于保温，可使舱内人员和设备正常工作。3.长距离温控

实现长距离温控，可用热管将热源与中心相变材料温控系统连结起来，远距离的热源发 出的热通过热管被相变材料吸收，这部分热又可用于其他部件的温控。这种将废热又转变成 有用能量的措施，对长距离空间航程是很有价值的。4.精密仪器温控

对于温度范围要求很严格的高敏感仪器，如制导和控制仪器中的导航陀螺，其温度精度 必须维持在0.5k以内，才能保证正常工作。采用相变材料进行温控可使这些仪器温度维持在

一个很小的范围内。5.孤立元件温控

装在天线、航天器外边的帆板彬条上以及辐射器上的仪器，在结构上远离主航天器，对 这些仪器或元件采取主动温控往往是不可能的或者是很困难的。采用相变材料对这些部件进 行温控则是很有效的。并且使主飞行器和这些部件之间避免了使用热管、接热片等，可大大 减轻重量并增加可靠性。

相变材料种类及优缺点比较：

目前相变储能材料的复合方法有以下几种: 胶囊型相变材料、与高分子材料复合制备定形相变材料、将相变材料吸附到多孔基质中 相变储能材料使用存在的问题：耐久性、经济性、储能密度

耐久性问题。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次,相变材料从基体材料中泄露出来,表现为在材料表面结霜。再则,相变材料对基体材料的作用,在相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏 相变贮热材料,尤其有机相变材料,往往存在热导率较低,导热性较差之不足；为解决固液相变材料液相泄露和无机盐对容器的腐蚀问题,把固液相变材料封闭在球形的胶囊中,Hawlader等以石蜡为相变材料,以阿拉伯胶囊体材料,制备了定形相变贮热材料；复合型相变贮热材料,相变温度可以根据需要来调节,兼具有无机相变材料和有机相变材料的种种优点,受到广泛的关注。

理想的固-液相变材料应具有以下性质:(1)熔化潜热高,从而在相变中能贮能或放出较多的热量;(2)相变温度适当,能满足需要;(3)固-液相变的可逆性好,能尽量避免过冷或过热现象;(4)固-液两相导热系数大;(5)固-液相变过程有较小的膨胀收缩性;(6)相变材料的密度大,比热容大;(7)无毒,无腐蚀性;(8)成本低,制造方便。

目前国内外研制的固-液相变材料主要有:(1)无机水合盐。这类材料熔化热大,导热系数高,相变时体积变化小。但由于它们的结晶水模数在相变中有变化,使得相变的可逆性变差,有过冷范围且有腐蚀性。(2)有机物。用作固-液相变的有机物常是一些醇、酸、高级烷烃等,由于官能团不同,它们在性质上相差很大。有些材料具有合适的相变温度和较高的潜热,并且无毒、无腐蚀性。但有些材料在高温或强氧化剂存在时会燃烧、分解等,因此要加以选择,以确保安全。

与显热储能相比,相变储能具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点,在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。

从材料的化学组成来看,可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。

通常,相变材料是由多组分构成的,包括主储剂、相变点调整剂、防过剂、防相分离剂、相变促进剂组分。而有机物相变材料则相变潜热低,而且易挥发、易燃烧、价格昂贵。

作为相变材料,应满足的要求有:合乎需要的相变温度;足够大的相变潜热;性能稳定,可反复使用;相变时的膨胀收缩性小;导热性好,相变速度快;相变可逆性好,原料廉价易得等。

固-液相变材料主要优点是价格便宜,但是存在过冷和相分离现象,从而导致储能不理想;易产生泄漏问题,污染环境;腐蚀性较大,封装容器价格高等缺点[5]。

与固-液相变材料相比,固-固相变材料具有不少优点。可以直接加工成型,不需容器盛装;固-固相变材料膨胀系数较小,相变时体积变化较小;不存在过冷和相分离现象,不需要加入防过冷剂和防相分离剂;毒性很低,腐蚀性很小;无泄漏问题,对环境不产生污染;组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长;装置简单,使用方便。固-固相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格较高。无机物相变材料一般具有腐蚀性、存在过冷和相分离的缺点，而有机物相变材料则存在导热系数低、部分有机物相变材料还存在性能不稳定的缺点

有机相变材料具有相变温度适应性好、相变潜热大、理化性能稳定、在固态时成型性较好等诸多优点；但是有机相变材料导热性能较低,密度小,相变过程中体积变化大,并且有机物熔点较低,不宜在高温场所中应用,且易挥发,易燃 无机物主要包括高温熔融盐、部分碱及混合盐。高温熔融盐主要有氟化盐、氯化盐、硝酸盐、硫酸盐等,它们具有较高的相变温度,从几百摄氏度至几千摄度,因而相变潜热较大。碱的比 热高,熔化热大,稳定性好,在高温下蒸汽压力很低,且价格便宜,是一种较好的中高温储能物质。混合盐熔化热大,熔化时体积变化小,传热较好,最大的优点是物质的熔融温度可调,可以根据需要把不同的盐配制成相变温度从几百摄氏度至上千摄氏度的储能材料。无机物类相变材料的导热系数也较低,而且还存在与容器的相容性问题, 金属及其合金导热系数高,相变潜热大但是金属相变材料的相变温度都比较高,且硅铝合金相变储热材料的缺陷在于合金处于高温液态时化学活性比较强,容易与容器发生化学反应,所以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“K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”K，导热系数增加了不到3倍(原石蜡导热系数为0.15W/m"K);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

相变温控的特点

1.它属于吸收型被动温控，与常规散热型有很大的不同。它不靠温差散热，因此不受外界环境温度变化的影响，使元件或设备始终稳定在需要的温度上。尤其在大功率密度和要求低的平衡温度时，是常规散热无法解决的难题，而采用相变温控可迎刃而解。在低气压或真空条件下需要散热的设备采用这种温控技术效果更好。

2.与主动温控比较，它不用电，没有运动部件，可用于振动、冲击、加速度等恶劣的力学条件下工作，可靠性很高。

3.在一定条件下，它可取代水冷和风冷进行散热，如对半导体致冷器件的热端温控，不用水冷或风冷，节水节电，具有较大的经济价值。

4.它在低温条件下(如一40℃)工作，它还储存热能，可使设备以极大的速率恢复到正常的工作温度。

5.它能周期性工作，长久使用。6.在低的平衡温度条件下，它比热沉法散热器体积可缩小2.6倍左右;重量可减轻4.5倍左右。7.工艺较复杂。

航天应用

1.电子元器件组件的温控 2.热能储存

在电子组件的温控中，相变材料储存和释放能量的过程可以推广到热环境发生变化的航 天器上。例如一个沿着地球轨道飞行的卫星，会遇到出入地球阴影发生强烈变化的周期性热 环境，在这种情况下，可用相变材料将太阳能储存起来，阻尼轨道周期中产生大的温度变 化。例如一个载人舱，在整个轨道中要求儿乎等温的条件，可用一层相变材料包络整个载人 舱，吸收或释放轨道中太阳能，为舱内提供一个接近相变材料熔点的等温条件。

在无大气的行星或月球上着陆的航天器也会遇到强烈变化的热环境。由于星体的自转，存在着白天和黑夜，又由于没有空气调节，白天黑夜温差很大。着陆的航天器用相变材料屏 蔽起来，白天储存太阳能，夜间放出能量用于保温，可使舱内人员和设备正常工作。3.长距离温控

实现长距离温控，可用热管将热源与中心相变材料温控系统连结起来，远距离的热源发 出的热通过热管被相变材料吸收，这部分热又可用于其他部件的温控。这种将废热又转变成 有用能量的措施，对长距离空间航程是很有价值的。4.精密仪器温控

对于温度范围要求很严格的高敏感仪器，如制导和控制仪器中的导航陀螺，其温度精度 必须维持在0.5k以内，才能保证正常工作。采用相变材料进行温控可使这些仪器温度维持在

一个很小的范围内。5.孤立元件温控

装在天线、航天器外边的帆板彬条上以及辐射器上的仪器，在结构上远离主航天器，对 这些仪器或元件采取主动温控往往是不可能的或者是很困难的。采用相变材料对这些部件进 行温控则是很有效的。并且使主飞行器和这些部件之间避免了使用热管、接热片等，可大大 减轻重量并增加可靠性。

这些装满相变材料的管有两个作用：一方面它们作为肋片增大传热面积同时它们含有PCM能储存以低昂热量。这些管的两边及上部用墙壁封装，风扇开在敞开的一面，这样风扇产生的空气流能均匀地通过所有管子，确保高的热导率。普通风扇0.01 m3/s 热导率能达到180e220 W/(m2 K).。当风扇失效时，PCM仍能保证安全工作。

本次试验设置三个变量

能量水平：方向垂直，分别输入6 W, 9 W, and 12 W，即2.4 kW/m2, 3.6 kW/m2, and 4.8 kW/m2 方向：功率输入为12 W，分别相对重力方向水平、竖直、倾角45度 熔化/凝固的时间（直到达到循环稳定状态）：输入12W，竖直放置

第三篇：石墨烯相变材料论文

石墨烯相变材料的研究

摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。

关键词： 热存储 相变材料 储热材料 石墨烯 前言：

在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。

相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。

石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。它是构建其他维度炭质材料的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实现复合材料传热和储热一体化。

本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论。正文

1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验。试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、112次、200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了3℃左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。随着热循环次数的增加，相变材料的融化初始温度和融化潜热变化较小，且是没有规律的。在400次左右的热循环范围内，这些脂肪酸具有较好的热稳定性，有作为潜热储存材料的应用潜力。且此四种脂肪酸的融化温度在30℃到60℃之间，适于用作绿色建筑材料及其他室温范围内的潜热储存过程。考虑到相变材料的使用时间可能更长，因此要测试以上脂肪酸长期作为潜热储存材料的稳定性和可行性，需要更多次数的加速热循环实验来验证。而Ahmet Sari在研究纯度为工业级的月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸是发现，经过1200次热循环后，这些脂肪酸的融化温度均逐渐降低，降低最大值为6.78℃，并且，脂肪酸的融化温度变宽了。这与上文实验结果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的纯度和产地不同造成的。因此，原料的选取对材料的性能有很大影响。

2.2012年1月20日，中国科学院上海硅酸盐研究所的黄富强等人申请了他们的最新专利：三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法。三维石墨烯/相变储能复合材料的特征在于石墨烯与相变储能材料原位复合，其中以具有三维结构的多孔石墨烯作为导热体和复合模板，以固-液相变的有机材料作为储能材料和填充剂。可以采用兼具曲面和平面特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯材料。通过该方法制备的石墨烯材料完整的复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力，巨大的比表面积，孔隙率和极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数，石墨烯网络的比表面积，密度和导电性。以金属模板CVD法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征，其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间。若将三维多孔石墨烯和相变材料复合，相变储能材料被分隔在各个孔腔，与石墨烯壁紧密结合，有效热接触面积大幅度提高，高度连通的石墨烯三维导热网络通道将快速实现系统换热。另一方面多孔石墨烯的毛细吸附力将液态相变储能材料局域化，可有效防止渗透。

3.2012年6月来自于中国科学院能源转换材料重点实验室，上海硅酸盐研究所的周雅娟，黄富强等人发表了一篇名为太阳能材料和太阳能电池的论文，这篇论文重点讲解了他们最新研制出的一种由石墨烯三维气凝胶（GA）和硬脂酸（OA）组成的相变材料。GA是通过石墨烯氧化物在热水表面反应制得，三维石墨烯网络的空隙尺寸只有几微米而且薄壁墙是石墨烯片层堆积而成，OA通过GA的毛细管力牵引下进入到GA中。GA/OA复合材料的热稳定性达到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA复合材料的短暂升温和冷却过程是在为热能量存储做准备。GA是一种低密度材料因此在复合材料中仅占15%的比重，这种复合材料能够大大减少或消除材料内部的热电阻，表现出一种高储热的能力，达到181.8J/g，与独立的OA材料非常接近，研究中发现，大多数相变材料的热储存能力都较低，为了提高材料的热传递能力，金属泡沫添加剂进入了专家们的视野，然而他们进一步发现金属泡沫添加剂与原材料不兼容。经过数次实验得出的结论，石墨烯材料具有很好的热稳定性和热传递能力，并且与原材料兼容。由石墨烯片层组成的三维网络结构在相变材料领域有着巨大的潜力。

4.来自于浙江杭州辐射研究所的邢芳，李悟凡等人发表了关于烷烃类相变材料的文章。烷烃及其混合物由于自身的中低温度热能量储存能力已经被广泛应用于相变材料中。在这些烷烃中，熔化温度为37度的二十烷已经出现在诸如电子领域的基于能量储存的被动热管理技术中。为了提高二十烷的热导性，将石墨烯纳米片添加进二十烷这个课题正在试验中。这种复合相变材料是将石墨烯纳米片均匀分布在液体的二十烷中。通过扫描量热计测量它的热融合和融化点，我们发现在10度的时候热传导能力整整增加了4倍，这表明石墨烯纳米片相对于传统的一些填充来说有着更好的表现。石墨烯纳米片的两维平面形态降低了热表电阻，这也是为什么它效果这么好的原因。扩大的石墨烯片层有着高导电性和低密度性，能有效地增强相变材料的热性能。

5.同济大学材料科学与工程学院的田胜力、张东、肖德炎等人利用多孔石墨的毛细管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一种定形相变材料的相变温度、相变潜热和热稳定性，得出硬脂酸丁酯含量的临界值。研究表明，硬脂酸丁酯与纳米多孔石墨形成的定形相变材料相变温度合适、相变潜热较大、热稳定性好，是适合于在建筑墙体中使用的相变材料。对不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨复合材料利用差热扫描仪进行DSC测试显示，相变复合材料的峰值温度为26℃，与纯硬脂酸丁酯的熔点相同，即定形相变材料的熔点不变，为硬脂酸丁酯的熔点。定形材料的潜热随硬脂酸丁酯含量的变化而变化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相变材料的相变潜热越大，近似呈线性关系。此定形相变材料的蓄热性能、均匀性和热稳定性好，具有较大的相变潜热，其相变温度在26℃，适合做室温相变材料，有助于建筑节能。此定形相变材料中硬脂酸丁酯的含量又一个渗出临界值，当硬脂酸丁酯质量含量达到90%时，有细微渗出，使用时建议把含量控制在85%以内。这种定形相变材料在经过多次热循环之后其相变潜热变化较小，具有良好的热稳定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相变材料是较好的可应用于建筑墙体的相变材料。

6.2013年，新乡学院能源与燃料研究所的周建伟等人以氧化石墨烯为基质、硬脂酸为储热介质用液相插层法成功制备了硬脂酸/氧化石墨烯相变复合材料。其中以氧化石墨烯维持材料的形状、力学性能，把硬脂酸嵌在片层结构的氧化石墨烯基质中，通过相变吸收和释放能量，提高其储热、导热性能和循环性能。该相变材料具有适宜的相变温度和较高的相变潜热，相变材料与基质具有较好的相容性，在相变过程中没有液体泄漏现象，复合相变储热材料储/放热时间比硬脂酸减少，且热稳定性良好。实验表明，硬脂酸质量分数为40%的硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料的相变温度为67.9℃，相变潜热为289.2J/g。经过连续冷热循环试验发现，复合相变材料的储热/放热时间比纯硬脂酸缩短，相变温度和相变潜热变化较小，表明硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料具有良好的热稳定性和兼容性。因此，通过此方法一方面将硬脂酸局限在片层结构中，解决了相变过程中的渗出泄露问题；另一方面，利用氧化石墨烯良好的热传导性提高复合相变材料的传热效率，弥补了硬脂酸在导热、换热方面的缺陷。

7.2013年10月12日到10月16日，在上海举办的中国高分子学术论文报告会上，四川大学高分子材料科学与工程学院亓国强等人提出了他们的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相变储能材料的制备与性能研究，研究发现聚乙二醇（PEG）是一种性能优良的固-液相变储能材料。相变过程中会发生熔体流动泄露，故需要对其进行封装，但封装又会降低其热导率，影响工作效率，增加成本。因而加入另一种物质作为支撑定型材料，制备复合定型相变材料成为另一种选择。但通常过高的添加量会严重影响材料的储能性能。于是通过向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作为定型支撑材料，用溶液共混法在 GO 含量仅为 8%时成功制备了 PEG/GO 定型相变储能材料。该材料在超过熔点一倍时仍保持形状稳定。GO 的加入对相变材料熔点基本没有影响，但在低含量下促进结晶，当含量高于 4wt%时阻碍结晶的进行。相变潜热随 GO 含量的提升有所下降，但在能维持材料定型的最低含量（8wt%）时，仍高达 135 J/g，可以有效应用于储能领域。该材料在经历 200 次升降温循环后，相变温度和相变潜热变化不大，较稳定，具有良好的可重复使用性。

8.远在大洋彼岸，来自于加州大学河滨分校，加利福尼亚大学的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在进行关于锂电池的研究。锂电池在在移动通讯和交通动力中扮演着重要角色，但是由于其自身的自加热作用使得使用寿命大大缩短，为了解决这一问题，学者们经过大量实验发现锂电池的可靠性通过将石墨烯作为填充材料能够大大的改善。传统的热管理电池由于其相位只在一个很小的温度范围内变化，减小了电池内温度的上升，故只能依赖于潜在的储热能。而将石墨烯掺入碳氢化合物相变材料中可以将其导电能力提高到原来的两个数量级倍，同时还保持潜储热能力。显热-潜热相结合的热传导组合能够大大地减少锂电池内部温度的上升。储热-热传导的方法即将在锂电池和其他类型电池的热管理领域引领一场变革。

9.2008年4月24日来自于首尔崇实大学工学院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一种具有高导电性和高储热能力的相变材料。使用剥离的石墨烯纳米片，石墨烯相变材料可以提高在液晶中的高导电性，热稳定性以及潜储热能力。在扫描电子显微镜显示下，石墨烯相变材料均匀分布在液晶中，而良好的均匀分布意味着高导电能力。石墨烯复合相变材料的热稳定能力在石墨烯内部结构的帮助下得到提升。而且，由于相变材料的电热稳定性，石墨烯复合相变材料具备了可持续再生能力。石墨烯相变复合材料在差示扫描热量法的热曲线中有两个峰，第一次在固-固过渡阶段，温度较低，峰显示为35.1度；第二次是固-液相变阶段时温度较高，峰显示为55.1度。石墨烯可以在保有其潜储热能力的情况下提高材料的热稳定性。相变材料具有高储热，低成本，无毒和无腐蚀性等特点而具有美好的前景。最近，一些无机，有机以及它们的混合物正在被应用于相变材料中，成为热门的研究课题。

10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作为改性添加剂改良十八醇相变材料在《Physical chemistry》上发表了文章。和很多有机相变材料一样，十八醇也具有热导率低，换热性能差，以及存在泄漏问题等缺点。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高导热的特点，添加很低含量的石墨烯，就可以达到显著提高热导率、改良十八醇的目的。然而由于部分相变材料分子被限制在石墨烯层间空隙中，在工作温度范围并没有发生相变，从而使加入石墨烯后的复合材料的相变焓低于原相变材料，造成储热能力的损失。实验中，当石墨烯含量（质量分数）达到4%时，材料的热导率增加到原来的2.5倍，此时其相变焓只降低了15.4%。而如果用银纳米线代替石墨烯，要达到同等的热导率，需要使其含量达到45%，并带来高达50%的相变焓损失。综合实验表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明显储热损失的前提下明显改良有机相变材料的热性能，为通过潜热的储存/释放实现热管理和热保护提供了新的可行性方案。

11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上发表文章，阐述了有关石墨烯提高石蜡导热系数的研究成果。实验另辟蹊径，对比了剥离石墨薄片和石墨烯作为改性添加剂对于石蜡相变材料的不同影响。实验结果表明，剥离石墨薄片带来的热导率增量更高，石墨含量为10%的石蜡/石墨薄片复合材料的热导率为纯石蜡的十余倍。石墨烯表现出了极好的导电性，石蜡/石墨烯的电导率要远高于石蜡/石墨薄片，但是其热导率的增量比石墨薄片小。原因在于，虽然单层石墨烯热导率极高，但是石墨烯片层间微小空隙内存在的大量界面严重阻碍了热传导。同时，实验也发现，石墨烯在定形方面的作用要远过于石墨薄片。石墨含量2%的石蜡/石墨烯相变复合材料中，石蜡能在185.2℃高温下保持形态，这远远超过了石蜡相变的温度范围。而石蜡/石墨薄片复合材料中石蜡只能保持形态到67.0℃。少量的石墨烯和剥离石墨薄片都能作为低成本、高效率的改性添加剂应用于石蜡相变材料的导热和定形方面的改良。

12.马来西亚的Mohammad Mehrali等人对石蜡/石墨烯相变复合材料进行了系统的研究和测试。该项目应用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等设备对制得的石蜡/石墨烯复合材料的材料特性和热学性能进行了测试和分析。所测试的石蜡质量分数为48.3%的样品在相变过程中无泄漏现象发生，为定形相变材料。SEM图像显示石蜡嵌入了石墨烯片层间的孔隙。FT-IR分析结果显示石蜡与石墨烯之间没有化学反应发生。试验进行了2500次熔化/凝固热循环检测来确认其热可靠性和化学稳定性。TGA测试结果显示，氧化石墨烯增强了复合材料的热稳定性。该相变复合材料的热导率从0.305(W/mk)显著提升到0.985(W/mk)。测试结果表明，石蜡/氧化石墨烯复合材料具有良好的热学性能、热可靠性、化学稳定性和导热性，很适合做热管理和热储存材料。总结：

相变储能材料，通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，以其巨大的相变潜热，在未来的能源利用和热管理领域具有很广泛的开发和应用价值。而大多数相变材料存在的导热率抵、换热性能差、相变过程发生泄漏等缺陷使其很难直接被应用于生产生活中。因此，需要一种改性填充材料来增加相变材料的导热换热性能，同时需要对相变材料进行定形和封装。而石墨烯材料的发现和研究成果的公布，给相变材料的研究和应用指明了道路。一方面，石墨烯的高导热性能很好地改善了相变材料的热性能，同时，其良好的化学稳定性和热学可靠性使其作为改性添加剂不与相变材料本体发生化学反应；另一方面，低密度、高强度的石墨烯结构能够使复合材料在较低石墨烯含量下就达到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加剂，石墨烯对相变材料的相变温度、相变潜热和储热能力的减益效果要小得多。正是从这两方面出发，石墨烯作为导热定形的改性材料，在相变储能材料领域得到广泛认可和应用。大量实验采用了以相变材料作为工作物质，通过其相变过程储/放热，同时以石墨烯作为载体基质，增加材料导热性能和不流动性的实验思路进行相变导热材料的设计、制备和改良。相信随着对石墨烯研究的深入和石墨烯制备工艺的进步，石墨烯会以更突出的性能改良相变材料，从而获得更有实践和应用价值的石墨烯/相变复合储能材料，为能源可持续和热管理领域带来更大的发展，为人类创造出更科学、更环保、更舒适的生活环境。

参考文献：

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【9】Sumin Kim a,Ã, Lawrence T.Drzal b Solar Energy Materials & Solar Cells USA Department of Architecture, College of Engineering, Soongsil University, Seoul 156-743, Republic of Korea Composite Materials and Structures Center, College of Engineering, Michigan State University, East Lansing, 2008 【10】Fazel Yavari, Hafez Raeisi Fard, Kamyar Pashayi,etc.Enhanced Thermal Conductivity in a Nanostructured Phase Change Composite due to Low Concentration Graphene Additives[J].J.Phys.Chem.C 2011, 115, 8753–8758.【11】Jia-Nan Shi , Ming-Der Ger , Yih-Ming Liu.Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives[J].CARBON,51(2013): 365—372.【12】Mohammad Mehrali, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali.Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite[J].Energy Conversion and Management,67(2013): 275—282.

第四篇：FTC自调温相变节能材料

产品说明书

一.产品概述

FTC 自调温相变节能材料是由热阻型骨架材料和相变材料组成，通过热阻性与热熔性绝热复合增加传热阻,并减少热损失，且具有自调温功能的建筑节能保温材料。

FTC 相变保温材料是在专业工厂生产的干粉状材料,在施工现场按一定比例加水搅拌均匀即可涂抹使用。

该产品在固化干燥过程中形成的多孔、网状结构，应用于建筑围护结构形成的建筑节能系统具有“轻质、高强、保温、抗裂、降噪、不燃、耐久、耐碱、抗菌、防霉、湿呼吸”等性能；在大幅降低传热性能的同时，其物理、化学性能稳定、安全、耐久及施工性能良好。经国家建设部科技成果鉴定，与会专家一致认为“该产品引进了相变蓄能机理，潜热值较大，通过材料相变，熔化吸热，凝结放热使室内温度相对平衡，达到建筑节能，推广后会有较好的社会和经济效益，该项研究成果对相变蓄能在建筑相关应用领域有技术方面的推进，具有国内先进水平。”

该产品添加的纯相变材料为我集团公司自主研发的核心技术产品，是利用植物临界萃取、真空冷冻析层、蒸馏、皂化等新工艺复合而成，是根据不同温度相变点调节室温的纯天然原创科技新材料。在冬季当采暖室温高于与环境温度时,室内温度会通过围护结构向外传输,当传到保温层时,相变材料首先会吸收并储存热量，储存热量的同时,也就减缓了热流传递的速度或者延长了热流传递的时间,使主墙体温波变化减小，同时也使室内温度波趋于稳定。

相变蓄能复合材料可以蓄热也可以蓄冷，在夏季隔热中的作用是降低温度波峰,将温度波幅拉大.延缓热量转递的速度或时间.提高建筑围护结构的热惰性和热稳定性，减缓建筑物室内的温度波动。降低空调或制冷设施的启、停频率和运行时间，并达到降低建筑能耗的目的。

纯相变材料的基本特性：

当环境温度与其相变温度有一定差异时，相变材料将通过相变过程吸收或释放热量（即：相变蓄能特性），直接效果是减小了环境及该产品自身的温度波动（即：自调温功能）。

本材料突破传统保温材料单一热阻性能，具有热熔性和热阻性两大绝热性。通过二元相变原理，相变潜热值大，具有较高蓄热密度，蓄、放热过程近似等温的特点，节能效果明显，材料相变过程涵盖0℃~40℃区间范围，在15℃和27℃形成两个相变峰值，相变潜热值达到 50j/g 以上 , 在应用中无任何衰减现象 , 确保应用的质量 , 为世界首创。

FTC 自调温相变蓄能材料节能基本原理：

当用于外墙时外表面时，相变材料将通过相变过程对外吸收或释放热量，减小其自身温度变化，降低温差进而降低围护结构的传热系数，降低热量损失。

当用于外墙内表面时，相变材料将通过相变过程对内吸收或释放热量，在减小温度波变化,提高室内环境温度舒适性的同时，实现了能源的二次利用。

二、综合性能

1、潜热节能

●利用相变调温机理，通过蓄能介质的相态变化实现对热能储存，改善室内热循环质量。当环境温度低于一定值时，相变材料由液态凝结为固态，释放热量；当环境温度高于一定值时，相变材料由固态熔化为液态，吸收热量，使室温相对平衡。●相变材料可收集多余热量，适时平稳释放，梯度变化小，有效降低损耗量，室温可趋于稳定。

●除在新建民用和工业建筑中使用外，该材料具有与其它建筑材料独特的亲和性和高粘结性能，也是既有建筑墙体节能改造和装饰的很好选择。

2、安全可靠

●与基底整体粘结，随意性好，无空腔，避免负风压撕裂和脱落。有效克服板材拼接后边肋、阳角外翘变形面砖脱落等问题。●材料中有机物与主墙基底存在的游离酸反应，形成化合物，渗入主墙微孔隙中，形成共同体，确保干态粘结性，并改善湿态粘结保值率，具有极好粘结性。

●其中结构形成数个封闭的憎水性微孔隙空腔结构，作为相变材料载体，可确保相变材料长期实用性。

●本材料的硅氧四面体组织结构，干燥成型后在水浸泡不松散、不回性、不粉化、不变形，可确保其耐久性。

3、防火不燃

●相变节能材料经专项检测为燃烧性能达到A 级，即不燃材料，使用范围不受限制，符合各类建筑防火要求。

4、抗裂防潮

●料体呈纤维网状结构，拉力强，整体性牢固，有效防止裂缝产 生。具有湿呼吸性，可有效防止外墙基底因冷热温差产生的结凝水夏季向外释放，并防止外饰层表面裂缝产生；冬季防止外饰层冰胀产生裂缝。同时克服因基底潮湿而产生的空鼓、脱落现象。

5、绿色环保

●相变保温材料经严格检测，系无腐蚀、无污染、无放射、无异味、无任何毒害的环保型产品。

四、工艺流程及适用范围

FTC 相变保温材料是在专业工厂生产的干粉状材料,在施工现场按一定比例加水搅拌均匀即可涂抹使用.适用于工业与民用建筑、与各类建筑的外墙外保温（涂料或贴装等饰面）；外墙内保温；分户隔墙、吊顶、楼梯间、屋面、顶棚等需要隔声、保温隔热的部位。

五、荣誉奖项

第五篇：关于二相变三相用电的请示报告

盐都区仓头幼儿园

关于二相变三相用电的请示报告

盐都区仓头幼儿园，负责人：陈玉琴，原用电总户号：盐城7924008859，户名：仓头幼儿园，用电地址：盐城市张庄办事处仓头三组。根据上级要求，幼儿园大部分食品必须现场制作，需增加电烤箱、空调等食品机械，预计用电容量10千瓦左右。故特具报告，申请电力部门批准我园安装三相四线用电为感！

盐都区仓头幼儿园

二〇一五年五月八日