相变材料概念及用途

相变材料

1、无机相变材料的研发背景

随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增加。为此，人们开始

寻找绿色可再生能源去取代地球上日趋匮乏的资源，例如太阳能、风

能、地热能等。然而，这些能源的间歇性给人类的利用带来极大不便，

如何将能源进行很好的储存就显得尤为重要。

目前在热能领域，尽管多数采用显热方式进行储能，但其储热量小，

放热不恒温、储热装置庞大等缺点已经影响了其进一步的应用。是否能

够找到一种储热量大，且吸/放热量时其温度保持不变的材料呢？潜热

储能方式的发现恰好解决了显热储能的缺憾。在此，以水为相变材料对

显热和潜热进行比较：

从图1可以看到，如果利用显热进行332KJ/Kg左右的储能，则水需要

从1℃升高到80℃；而对于潜热只需要1Kg的冰变为水即可。

2、伟大自然能量、神奇无机相变材料

在自然界，物质的状态普遍以固态、液态、气态存在，对于物质的每

一种状态都可以称作一种“相态”。当物质与外界环境进行热量交换，并

达到某一“特殊温度点”时，其物理状态就会从一种相态转变为另一种相

态。这种相态的转变就是“相变”，相变时的特殊温度点就是“相变温

度”。而能够发生相转变的材料，称之为“相变材料（Phase Change

Materials）”。

在物体从固态到液态这两种相变过程中，所储存或释放的能量也称

为“相变潜热”。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几

乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的

潜热却相当大。

无机相变材料是一种能够利用自然界能量进行能量储存和温度控制

的功能性材料。相比于其它能量储存方式（例如显然储能），相变蓄热

材料具有以下特点：相变材料的单位质量(体积)的蓄热密度大；相变过

程保持恒温；化学稳定性好；安全性高。以上这些优点也为相变材料的

应用推广起到了潜在的作用。

3、无机相变材料的研究进展

随着科学技术的快速发展，能源逐渐成为人类赖以生存的基础，但是

能源的供应与需求都有较强的时间性，为了提高能源利用效率、保护环

境、解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用，电力的“移峰填

谷”，废热回收利用以及建筑与空调的节能中，相变蓄热技术已正成为世界范围内研究的热点。

国外对于相变材料的研究要追溯到20世纪60年代。当时，美国宇航和

太空总署(NASA)为了保护宇宙飞船内的精密仪器和宇航员不受外界剧

烈变化的温度的影响，开始重视对相变材料的研究工作。此后，美国空

军(USAF)、海军(NAVY)、能源部(DOE)、农业部(DOA)和美国国家基

金(NSF)陆续多次资助该方面的研究项目。特别受80年代能源危机的影

响，相变储热(LTES)的基础理论和应用技术研究在发达国家(如美国、

加拿大、日本、德国等)迅速崛起并得到不断发展。

在相变材料的研究上，最初的研究主要集中于单一的固-液相变材

料，例如无机和有机相变材料，其中无机相变材料的储热密度大，导热

性能好，廉价易得，使其更易推广应用。但是，在相变时产生的液体的

泄露也限制了其实际的应用。有机相变材料存在着成本高，导热性能差

等缺点，同样也受到了应用限制。

目前，对于相变材料的研究主要集中于解决相变材料本身的这些缺

陷。为了防止材料泄露以及提高导热速度，各国科学家采取了不同的方

法。例如，将相变材料与大分子进行接枝发展成固-固相变材料，由于

大分子的熔点高于相变材料，使得其变成液体时也不会发生流动性的泄

露。利用高分子聚合技术将相变材料做成微米或者纳米级的胶囊，既提

高了导热速度，又防止了泄露。尤其是微胶囊技术，是一个研究热点之

一。当前，微胶囊相变材料的研究多数集中在其制备方法、囊芯和囊壁

的选择以及成本控制。

近年来，对相变贮能的理论和应用研究发展更是非常之快，使其已成

为涉及物理化学、材料科学、太阳能、传热学、工程热力学、相图理

论、量热技术及热分析等学科领域的新的学科方向。

国外已经将相变材料的实际应用推广到许多领域中，例如建筑节能领

域（提供相变材料并同时提供设计一体化）、太阳能利用、余热/废热

利用、电力调峰、日常生活应用及电子元器件热保护、纺织服装、农业

上的应用等。

国内的实际应用推广还较少，主要集中于无机相变材料的延伸产品，

例如：市场上流行的冰垫，消防用相变材料衣服。有关相变潜热蓄能系

统(LHTES)的优化设计和强化传热的研究、附加价值高的产品还有待发

展。

总之，合理的选择将最终决定相变材料的储能效果和应用前景，在选

择和应用相变材料时可将以上标准作为依据，这对相变材料的开发以及

相变储能技术的发展是十分有益的。

4、无机相变材料的应用方向（1）通信、电力、信息领域

传统的设备冷却主要应用空调进行冷却,这就导致大量的电力消耗。

如果利用相变材料和冷却设备的相互交替进行冷却或相变空调冷却，大

大的节省了电力的消耗。

传统的设备一般放在机房内，不论是城市还是野外建设一个机房都会

面临占地面积大、耗时、耗材等问题，建好的机房还需要安装制冷备，

完成这样的过程是非常不容易的。如果能把设备直放在一个恒温的机柜

内这些问题迎刃而解，室外一体机柜即可代传统的机房。

（2）高舒适性纺织品领域

将微胶囊相变材料与纤维进行混合得到智能纤维相变材料，它可根据

外界温度的变化，对人体皮肤表层做出相应的吸热或放热，从而使体表

温度波动相对较小，进而提高舒适感、增强抵御恶劣环境的作用。目

前，已利用这种技术研制出自调温被褥、自调温服装、自调温窗帘等产

品。

（3）节能建筑领域

微胶囊相变材料可用于室内地板、墙体、天花板，相变材料玻璃等。

相变材料通过与室内环境进行热量交换，使室内保持人体感觉较为舒适

的温度。

（4）救生领域

将相变材料填装于设计好的救生舱中并配备一定的食品营养补给，放

置于井下煤矿作业的固定地方。当发生意外时，作业人员快速进入相变

救生舱，相变材料可提供一个舒适环境的作用，配备的食品延长了逃生

人员的存活几率。同时，救生舱的固定位置也给营救节省了搜救时间，

更有利营救的开展。

（5）用于冷却循环液

将微胶囊添加到冷却循环液中，悬浮的冷却液极大的提高了热传递能

力和热储存能力。实验证明，含有微胶囊的冷却液其传热能力是单纯水

的3倍多。

（6）废热回收

高温相变相变材料，可将工业上产生的大量废热予以储存，然后将其

转移到生活、工作、生产等需要热量的领域，例如生活供暖，生活用热

水等。

（7）农业领域

将含水的相变材料胶囊与种子一起埋入土壤，以保证种子能够在沙漠

等环境恶劣地区发芽生长。同时也可用于温室大棚，相变材料的吸热和

放热功能，可以使白天和夜晚的棚内温度保持相对恒定，更好的促进农作物生长。

（8）其他领域

低温的相变材料可用于冷藏运输，食品保鲜等。生物细胞组织以及血

液等需在低温、恒温条件下冷藏和运输。微胶囊与聚氨酯制成的泡沫材

料可用于汽车内装饰，可使得阳光下的汽车内温度降低，从而可以降低

夏季空调的使用量和提高刚进入汽车时的舒适性。同时，也可以将其涂

于患者的手术部位，保持更适宜的温度和湿度，加速伤口愈合，减少感

染。 政策支持：

《新型建筑材料工业“十二五”发展规划》 四、发展重点

（一）加快结构调整

积极发展集防火、抗震、环保、保温、防水、降噪、装饰等多种功

能于一体的新型建筑墙体和屋面系统等材料及部品。着力发展安全环保

型防火保温材料、节能环保型门窗和建筑墙体。发展太阳能光伏发电─

建筑一体化屋面系统及太阳能光伏发电墙体，与屋顶绿化相关的屋面材

料及部品。

发挥大企业在技术、资金、管理等方面的优势，实施兼并重组，加

快行业整合，培育龙头企业。充分发挥中小企业多、贴近市场、机制灵

活、创新能力强的优势，积极培育“专、精、特、新”的“小巨人”企业，

引导产业链各类企业协同发展，形成优势骨干企业为龙头、大中小企业

配套发展格局。在城镇周边合理布局新型建筑材料加工基地，支持一批

产业链完整、特色鲜明、主业突出的新型建筑材料工业园区加快发展。

加大节能环保新型建筑材料在新农村建设中的推广力度。

专栏三.新型建筑材料发展重点

保温绝热材料。建筑外墙用安全环保型保温材料，节能自保温型建筑墙

体及材料，高速运输装备用安全型绝热材料及制品，真空隔热材料、热

反射材料、相变材料等新型绝热材料，耐1300℃以上高温的绝热材料及

制品。