相變材料的實際應用

郝　賽，杜　凱，梁言菲

（山東大學材料科學與工程學院，濟南250002）

相變材料的實際應用

郝賽，杜凱，梁言菲

（山東大學材料科學與工程學院，濟南250002）

相變材料憑借自身的優良蓄熱性能，在人類生產生活的各個領域有著極其豐富的應用，尤其對環境友好和資源節約的社會理念而言，相變材料更是大顯身手。

相變材料；應用；展望

相變材料是一種隨溫度改變而自身發生物理性質變化，從而釋放或吸收潛熱的儲能材料。這種物理性質變化的過程，即為相變。如果人們將這種潛熱利用起來作為能源的補充，將極大地提高資源利用率，節省能源，有助于實現綠色環保的現代化發展目標。

1　相變材料

有的材料物理狀態發生變化時，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大。例如，我們最常見的水，當溫度降至冰點，水將吸收并儲存大量的冷能量，而在熔化過程中，水將吸收儲存大量的熱能量。冰的數量（體積）越大，溶解過程需要的時間越長。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、無機和復合三類。有機類主要包括醋酸、石蠟和其他有機物；無機類主要有熔融鹽類、結晶水合鹽類、金屬或合金類等；而復合相變儲熱材料兼顧兩者優點，又恰恰避開一些缺陷，因此研制復合相變儲熱材料已成為儲熱材料領域的熱點研究課題。

3　相變材料應用

3.1航空航天

在廣袤的宇宙空間中，環境條件極其惡劣。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，活動在太空中的宇航員們如果沒有恒溫措施來保障，生命將不復存在。而相變材料以其優良的蓄熱性能，被廣泛應用到宇航服以及返回艙外殼上。同時，相變材料還能幫助衛星等設備工作在基本恒溫的環境中，也可以作為吸收儲存的有效裝置。

3.2建筑

相變蓄能維護結構和供暖儲能系統是相變材料利用到建筑上的具體表現［1］。

3.2.1相變蓄能維護結構

將相變材料摻入建筑材料中，可以大大增強圍護結構的蓄熱功能，使得少量的材料就可以儲存大量的熱量。由于它的儲熱作用，室內外之間的熱流波動幅度被減弱，作用時間被延遲，從而可以降低建筑物供暖、空調系統的設計負荷，達到節能的目的［2］。

3.2.2供暖儲能系統

用相變蓄熱材料制作地板，在這種輻射供暖系統中，我們發現，它的熱舒適性好，所需熱媒的溫度較低，當以熱泵、太陽能集熱器等作為熱源時，這是一種理想方式。在這種低溫輻射方式供暖的室內，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

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

3.4制冷設備

傳統的制冷設備，比如冰箱、冷藏室、冷庫、空調等，不僅大量耗電，而且不環保。如果將傳統設備上的壓縮機換成相變材料外層，利用相變材料的優良性能，可以節能60%以上。具體來講，如果長途運輸需要通過維持低溫保證運輸品的新鮮度，相變材料的用途大大體現，尤其是在長途運輸蔬菜肉食或者醫用組織時，這種相變材料設備不但省能無耗，而且無毒無公害。

3.5軍事

相變材料一旦運用于軍事，裝備于部隊，將是相變材料另一重大用武之地。

3.5.1熱防護作用

很多軍用設施，無論是作戰武器，還是應用裝備，在使用過程中不可避免地會出現發熱現象。而機械過熱將會影響使用，比如影響精度，降低速度，操作遲緩等。所以軍用機械的熱防護措施極為重要。而相變材料這一簡潔無耗的防護措施自然得到青睞。

3.5.2反熱追蹤

現代偵查技術常常利用紅外線熱遙感追蹤技術，如果機械或人直接暴露在空氣中，將十分容易被檢測到，從而暴露身份，可能會導致十分嚴重的后果。而利用相變材料使溫度保持恒定，相當于在敵人的紅外檢測場內實現了隱身的功能，這對反熱追蹤作戰有十分重要的意義。

4　新型相變蓄熱材料的展望

能源問題是21世紀人類面臨的重大問題，人類生產生活的每個方面都離不開能源，而想方設法地節約能源，提高能源的利用率，是人類要面臨的重大課題。同時，隨著世界經濟的快速發展，人類對能源的需求越來越高，因為地球上的能源是有限的，所以蓄熱節能材料對能源的合理使用和節約等問題就顯得越來越有實際意義。新型相變材料的研究剛剛起步，目前有些高熱力學性能和化學穩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業化生產，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.相變材料的研究進展及其在建筑領域的應用綜述［J］.材料開發與應用，2010，25（1）：69-73.

［2］崔巍.相變蓄能材料在建筑節能中的應用［J］.節能環保技術，2007，（05）：21-231.

［3］張冬霞，郭鳳芝.相變材料在調溫服裝中的應用［J］.針織工業，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。