相變材料（能提供潛熱的物質）

相變材料（能提供潛熱的物質）

相變材料 （能提供潛熱的物質） 次瀏覽 | 2022.09.03 10:09:42 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 相變材料能提供潛熱的物質

相變材料(PCM-PhaChangeMaterial)是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供潛熱的物質。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應用，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。相變材料被嵌入特制的鋁合金散熱器中，散熱器的一部在機箱內部，吸收機箱內UPS和設備產生的熱量。

中文名

相變材料

外文名

PCM - Pha 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（Hydrated）相變材料和蠟質(ParaffinWax)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）。當溫度高于0°C時水由固態變為液態（溶解）。在結冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中吸收大量的熱能量。冰的數量（體積）越大，溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型的例子。

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，相變材料及其應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于運用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異，后者多優于前者。

蓄熱機理與特點

相變材料具有在一定溫度范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，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范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臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。

冰與水的相變過程

相變材料的分類相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和復合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；復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應用效果以及拓展其應用范圍。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。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。

什么是相變

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、熱膨脹系數和等溫壓縮系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。

廣泛應用航天航天應用

由于外太空溫度屬于極寒或極熱環境，對宇航員、航天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制出相變材料，使得宇航員的服裝、返回艙外殼等得以應用。該技術一直處于壟斷地位。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。

建筑

相變材料引用到建筑，是建筑領域革命性發展。主要作用結果是節能，可以達到節能60%-99%。以北方采暖為例，使用相變材料，按照100平米的房屋為測量單位計算，一個采暖季的用電量只有10度左右。

以磷石膏為原料，采用常壓鹽溶液法在硝酸鎂溶液中制備α-半水石膏，以凹凸棒土和聚氨酯為載體、十水硫酸鈉和結晶乙酸鈉二元共晶水合鹽為相變材料，采用真空吸附法制備定形相變材料；然后將α-半水石膏與定形相變材料復合制備磷石膏基相變材料，并考察了其機械強度和儲放熱性能。結果表明，由磷石膏制備的α-半水石膏抗折、抗壓強度分別為8.9、36.8MPa，定形相變材料的相變溫度為28.5℃，相變焓為82.6J/g。由于摻入相變材料導致石膏晶體結合點減少，導致磷石膏基相變材料抗壓強度降低，但仍然能夠達到建筑石膏的使用要求。升降溫實驗結果表明，磷石膏復合相變材料與純磷石膏保溫箱相比，溫差為8.9℃，具有一定的儲能效果。[1]

崗亭服裝

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。

制冷設備

傳統制冷設備，如空調、冷藏車、冷庫，均是采取壓縮機制冷技術進行制冷，不僅耗電，而且不環保。采用相變技術，可以替代壓縮機進行制冷，節能60%以上。

空調軍事軍事領域的運用

一旦裝備部隊，將是相變材料一重大貢獻。軍車、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，可以極大的提高戰斗力和防護持久能力。

通訊電力恒溫一體

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，已經廣泛應用于通訊基站的機房、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。

運用范例：相變材料恒溫UPS機箱

1.介紹

通訊電力方面的運用

不間斷電源（UPS）作為一種可靠的電源供給系統被廣泛應用于各行各業如通信，鐵路和油田等。在很多情況下UPS與用電設備一起被安裝在野外，受環境的影響很大。而UPS中蓄電池的充放電產生的高溫和環境溫度升高都會影響其壽命。在常溫25℃時，溫度每上升10℃，電池的壽命將縮短一半。

使用空調給UPS降溫的運行和維護成本甚至比更換電池的成本還高。大部分安裝UPS的野外機箱或設備箱的箱內溫度控制是通過箱體的隔熱材料并利用空氣對流來實現的，這種控制溫度方式存在兩個很大的缺陷：一、當箱外的環境溫度升高時，箱內的UPS或其它設備運行都產生熱量，自身的熱再加上環境的熱，就非常容易產生高溫；二、箱體使用了隔熱材料，是為減少受箱外的溫度的影響，亦正因為這樣，內部的熱無法及時散去而會慢慢積累，最終導致溫度上升；這些箱體都是長年放置于野外使用的，往往因為長期高溫工作，因而影響了箱內的UPS和各種設備或電子元件的性能，使正常的使用壽命縮短，增加了經營成本。特別是在邊遠地區或溫室效應大的區域，以上的問題仍然沒有較好的解決方法，所能做得只是頻繁地更換電池和各種設備。

2解決方案

為了解決野外UPS機箱、設備箱或信號箱的溫度控制難題，研發者提供了一種特殊的相變材料能量存儲熱交換的方案。已知許多物質在特定溫度下會改變形態，這類物質稱為相變材料（PhaChangeMaterial-PCM）.相變材料在改變形態時會吸收或釋放能量，稱之為潛熱。

本方案利用相變材料在發生相變時吸收潛熱的特性，在UPS機箱、設備箱、信號箱等內填裝一定數量的相變材料，并使用進風/排風扇和相應的箱內外溫度監控裝置而達致溫度控制的效果；當監測到箱體外環境溫度低于相變溫度及箱體內的溫度高于設備指定溫度時，通風控制系統的裝置會將箱外的空氣輸入箱內，一方面為箱體制冷，另一方面將能量儲存在相變材料中；當監測到箱體外環境溫度高于相變溫度或箱體內的溫度低于某一指定溫度時，通風控制系統會停止工作，釋放已存儲的冷能量，達到制冷的目的。在這過程中只消耗少許的電能（風扇耗電），但可以很好地解決野外UPS機箱的溫度控制難題。

本方案所采用32°C的相變材料，具有潛熱大和穩定性高的特點，使用周期可長達二十年以上。相變材料被嵌入特制的鋁合金散熱器中，散熱器的一部在機箱內部，吸收機箱內UPS和設備產生的熱量。另一部在機箱上部通過風扇和環境進行熱交換。

溫度控制系統的工作由監控裝置控制，其監測的目的是：維持箱內的溫度于某一特定的溫度，此溫度有利于箱中的UPS電池和電子部件的壽命得以延長；恒定溫度的選擇要保證在夏天機箱外的溫度非常高的時候也不會影響內部部件的壽命，增加經營成本。

一個典型的溫度控制過程如下：

當監測到箱內的溫度高于40℃及箱外溫度低于30℃時，進風風扇及排風風扇會即刻起動，為相變材料提供能量的交換，相變材料散熱器吸收機箱內的熱量和外部環境進行能量交換，達至溫度控制的效果；當監測到箱內的溫度低于37℃或箱外的溫度高于32℃時，進風風扇及排風風扇會停止工作，利用相變材料已存儲的能量進行交換，達至溫度控制的效果。

實際應用測試效果

對安裝了相變材料的UPS機箱的溫度進行測試

測試條件與環境：采用29°C相變材料，機箱外溫度40°C，相變材料重量為50公斤。

斷電恒溫測試參考資料