郝　賽，杜　凱，梁言菲

（山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250002）

相變材料的實(shí)際應(yīng)用

郝賽，杜凱，梁言菲

（山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250002）

相變材料憑借自身的優(yōu)良蓄熱性能，在人類生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域有著極其豐富的應(yīng)用，尤其對(duì)環(huán)境友好和資源節(jié)約的社會(huì)理念而言，相變材料更是大顯身手。

相變材料；應(yīng)用；展望

相變材料是一種隨溫度改變而自身發(fā)生物理性質(zhì)變化，從而釋放或吸收潛熱的儲(chǔ)能材料。這種物理性質(zhì)變化的過程，即為相變。如果人們將這種潛熱利用起來(lái)作為能源的補(bǔ)充，將極大地提高資源利用率，節(jié)省能源，有助于實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)。

1　相變材料

有的材料物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。例如，我們最常見的水，當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)，水將吸收并儲(chǔ)存大量的冷能量，而在熔化過程中，水將吸收儲(chǔ)存大量的熱能量。冰的數(shù)量（體積）越大，溶解過程需要的時(shí)間越長(zhǎng)。這種材料就被稱為相變材料。

2　相變材料分類

相變材料主要包括有機(jī)、無(wú)機(jī)和復(fù)合三類。有機(jī)類主要包括醋酸、石蠟和其他有機(jī)物；無(wú)機(jī)類主要有熔融鹽類、結(jié)晶水合鹽類、金屬或合金類等；而復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料兼顧兩者優(yōu)點(diǎn)，又恰恰避開一些缺陷，因此研制復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料已成為儲(chǔ)熱材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。

3　相變材料應(yīng)用

3.1航空航天

在廣袤的宇宙空間中，環(huán)境條件極其惡劣。以溫度而言，有光照的地方能有100℃～300℃，而背陰地溫度則低至-100℃以下，如此大的溫差，活動(dòng)在太空中的宇航員們?nèi)绻麤]有恒溫措施來(lái)保障，生命將不復(fù)存在。而相變材料以其優(yōu)良的蓄熱性能，被廣泛應(yīng)用到宇航服以及返回艙外殼上。同時(shí)，相變材料還能幫助衛(wèi)星等設(shè)備工作在基本恒溫的環(huán)境中，也可以作為吸收儲(chǔ)存的有效裝置。

3.2建筑

相變蓄能維護(hù)結(jié)構(gòu)和供暖儲(chǔ)能系統(tǒng)是相變材料利用到建筑上的具體表現(xiàn)［1］。

3.2.1相變蓄能維護(hù)結(jié)構(gòu)

將相變材料摻入建筑材料中，可以大大增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱功能，使得少量的材料就可以儲(chǔ)存大量的熱量。由于它的儲(chǔ)熱作用，室內(nèi)外之間的熱流波動(dòng)幅度被減弱，作用時(shí)間被延遲，從而可以降低建筑物供暖、空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的［2］。

3.2.2供暖儲(chǔ)能系統(tǒng)

用相變蓄熱材料制作地板，在這種輻射供暖系統(tǒng)中，我們發(fā)現(xiàn)，它的熱舒適性好，所需熱媒的溫度較低，當(dāng)以熱泵、太陽(yáng)能集熱器等作為熱源時(shí)，這是一種理想方式。在這種低溫輻射方式供暖的室內(nèi)，垂直的溫度梯度小，水平的溫度分布均勻，可使人體獲得極其理想的熱舒適感，符合人體生理需要［1］。

3.3服裝

鑒于相變材料優(yōu)良的蓄熱保溫性能，它在服裝產(chǎn)業(yè)的作用不言而喻。按照之前的對(duì)相變材料原理的解釋，同樣在它運(yùn)用到服裝時(shí)，當(dāng)人體或是外界環(huán)境溫度過高（超過相變材料相變溫度點(diǎn)），材料發(fā)生相變，吸收熱量，給人體降溫；當(dāng)人體或外界溫度過低（低于相變溫度相變溫度點(diǎn)），材料發(fā)生逆相變，放出熱量，給人體保暖。這種熱轉(zhuǎn)換在服裝內(nèi)起著緩沖作用，可以減小皮膚溫度變化，延長(zhǎng)穿著者的熱舒適感［3］。

3.4制冷設(shè)備

傳統(tǒng)的制冷設(shè)備，比如冰箱、冷藏室、冷庫(kù)、空調(diào)等，不僅大量耗電，而且不環(huán)保。如果將傳統(tǒng)設(shè)備上的壓縮機(jī)換成相變材料外層，利用相變材料的優(yōu)良性能，可以節(jié)能60%以上。具體來(lái)講，如果長(zhǎng)途運(yùn)輸需要通過維持低溫保證運(yùn)輸品的新鮮度，相變材料的用途大大體現(xiàn)，尤其是在長(zhǎng)途運(yùn)輸蔬菜肉食或者醫(yī)用組織時(shí)，這種相變材料設(shè)備不但省能無(wú)耗，而且無(wú)毒無(wú)公害。

3.5軍事

相變材料一旦運(yùn)用于軍事，裝備于部隊(duì)，將是相變材料另一重大用武之地。

3.5.1熱防護(hù)作用

很多軍用設(shè)施，無(wú)論是作戰(zhàn)武器，還是應(yīng)用裝備，在使用過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。而機(jī)械過熱將會(huì)影響使用，比如影響精度，降低速度，操作遲緩等。所以軍用機(jī)械的熱防護(hù)措施極為重要。而相變材料這一簡(jiǎn)潔無(wú)耗的防護(hù)措施自然得到青睞。

3.5.2反熱追蹤

現(xiàn)代偵查技術(shù)常常利用紅外線熱遙感追蹤技術(shù)，如果機(jī)械或人直接暴露在空氣中，將十分容易被檢測(cè)到，從而暴露身份，可能會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果。而利用相變材料使溫度保持恒定，相當(dāng)于在敵人的紅外檢測(cè)場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了隱身的功能，這對(duì)反熱追蹤作戰(zhàn)有十分重要的意義。

4　新型相變蓄熱材料的展望

能源問題是21世紀(jì)人類面臨的重大問題，人類生產(chǎn)生活的每個(gè)方面都離不開能源，而想方設(shè)法地節(jié)約能源，提高能源的利用率，是人類要面臨的重大課題。同時(shí)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越高，因?yàn)榈厍蛏系哪茉词怯邢薜?，所以蓄熱?jié)能材料對(duì)能源的合理使用和節(jié)約等問題就顯得越來(lái)越有實(shí)際意義。新型相變材料的研究剛剛起步，目前有些高熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性能好的多功能相變材料，并且如何將相變蓄熱材料推向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，這些將是廣大材料研究人員共同努力的方向。

［1］張亮，晏華，余榮升，等.相變材料的研究進(jìn)展及其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用綜述［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25（1）：69-73.

［2］崔巍.相變蓄能材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用［J］.節(jié)能環(huán)保技術(shù)，2007，（05）：21-231.

［3］張冬霞，郭鳳芝.相變材料在調(diào)溫服裝中的應(yīng)用［J］.針織工業(yè)，2007，（03）：8-31.

The practical application of phase change material

HAO Sai，DU Kai，LIANG Yan-fei
（College of Materials Science&Engineering Shandong University，Jinan 250002，China）

The phase change material by virtue of its excellent heat storage properties in all areas of human life and production has a very rich applications，especially for resource-saving and environment-friendly society concept，the phase change material is to show their talents.

Phase change materials；application；prospect

TG146

A

1674-8646（2015）01-0027-02

2014-12-01

郝賽（1994-），男，江蘇徐州人，主要從事材料成型及控制工程研究。