劉良珍

德化陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院陶瓷工程系 德化362500

無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用

劉良珍

德化陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院陶瓷工程系 德化362500

闡述了無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料當(dāng)前的研究進(jìn)展情況，介紹了無(wú)機(jī)相變材料的儲(chǔ)能機(jī)理，制備方法。討論了無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料多種領(lǐng)域的應(yīng)用以及它未來(lái)的發(fā)展方向。

無(wú)機(jī)相變材料；儲(chǔ)能；潛熱

隨著礦物能源的枯竭性危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的出現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到如何提高能源使用效率和開(kāi)發(fā)可再生能源的重要性。利用無(wú)機(jī)相變材料的相變潛熱實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，有助于提高能效和開(kāi)發(fā)再生能源。在相變過(guò)程中，相變儲(chǔ)能材料與環(huán)境進(jìn)行能量交換，從而達(dá)到控制環(huán)境溫度和能量目的。由于有機(jī)相變儲(chǔ)能材料使用溫度范圍比較窄，而無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料其使用溫度范圍寬，同時(shí)它還具有具有儲(chǔ)能密度高、體積小巧、溫度控制恒定、節(jié)能效果顯著、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此它在各個(gè)領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。

1、無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的蓄熱機(jī)理

無(wú)機(jī)相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固－液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過(guò)程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時(shí)，儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過(guò)程中，所儲(chǔ)存或釋放的能量稱(chēng)為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當(dāng)大。為了更好的應(yīng)用和改善無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的性能常利用一些方法進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。主要用實(shí)驗(yàn)研究。例如：差示掃描量熱計(jì)（DSC）測(cè)試無(wú)機(jī)儲(chǔ)能材料的相變溫度、潛熱等參數(shù)。

2、相變材料的選擇

選擇合適的相變材料至關(guān)重要，應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；（2）相變過(guò)程可逆性好、膨脹收縮性小、過(guò)冷或過(guò)熱現(xiàn)象少；（3）有合適的相變溫度，能滿(mǎn)足需要控制的特定溫度；（4）導(dǎo)熱系數(shù)大，密度大，比熱容大；（5）相變材料無(wú)毒，無(wú)腐蝕性，成本低，制造方便。在實(shí)際研制過(guò)程中，要找到滿(mǎn)足這些理想條件的相變材料非常困難。因此，人們往往先考慮有合適的相變溫度和有較大相變潛熱的相變材料，而后再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。

3、無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的制備技術(shù)

相變儲(chǔ)能材料種類(lèi)繁多，而無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料作為其中1個(gè)分支，近年來(lái)研究比較活躍。就目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要制備工藝有：混合燒結(jié)法和熔融浸滲法

3.1 混合燒結(jié)法

通過(guò)在基體材料中混合一定比例的無(wú)機(jī)鹽(即相變材料)和添加劑，然后經(jīng)過(guò)成型、高溫?zé)Y(jié)，相變材料保持在基體中而占有一定的空間,使得基體燒結(jié)成具有網(wǎng)絡(luò)多孔狀結(jié)構(gòu)。工藝過(guò)程：備料、粉粹、混合、成型、干燥、燒結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)單；能按比例配備無(wú)機(jī)鹽與基體材料；適合高熔點(diǎn)無(wú)機(jī)鹽。缺點(diǎn)：熔融鹽流失和蒸發(fā)嚴(yán)重；機(jī)械強(qiáng)度低，特別是大尺寸制品。該工藝適用于半工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2 熔融浸滲法

該工藝先按要求制備出有連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔基體材料，再將無(wú)機(jī)鹽熔化滲入基體中，也稱(chēng)二級(jí)制造法。工藝過(guò)程：備料、多孔基體材料的制備、熔融無(wú)機(jī)鹽浸漬。優(yōu)點(diǎn)：能避免熔融無(wú)機(jī)鹽在高溫?zé)Y(jié)時(shí)的流失和蒸發(fā)；制品保形性好，尺寸可精控；有較好的綜合力學(xué)性能。缺點(diǎn)：工藝較復(fù)雜，成本高；無(wú)機(jī)鹽含量有限。

4、無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用

4.1 無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料在建筑材料中的應(yīng)用

無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用到建筑材料中，兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點(diǎn)，能夠吸收和釋放適量的熱能；能夠和其他傳統(tǒng)建筑材料同時(shí)使用；不需要特殊的知識(shí)和技能來(lái)安裝使用蓄熱建筑材料；能夠用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)；在經(jīng)濟(jì)效益上具有競(jìng)爭(zhēng)性。20世紀(jì)90年代以無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料（PCM）處理建筑材料(如石膏板、墻板與混凝土構(gòu)件等)的技術(shù)發(fā)展起來(lái)了。隨后，PCM在混凝土試塊、石膏墻板等建筑材料中的研究和應(yīng)用一直方興未艾。歐美有多家公司利用PCM生產(chǎn)銷(xiāo)售室外通訊接線設(shè)備和電力變壓設(shè)備的專(zhuān)用小屋，可在冬夏天均保持在適宜的工作溫度。此外，含有PCM的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁、飛機(jī)跑道等在冬季深夜結(jié)冰。隨著人們對(duì)建筑節(jié)能的日益重視，環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)，相變儲(chǔ)能建筑材料必將在今后的建材領(lǐng)域大有用武之地，也會(huì)逐漸被人們所認(rèn)知，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料在通信方面的應(yīng)用

隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排，無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料具有無(wú)毒、無(wú)污染、零能耗、阻燃、可再生、使用壽年長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，正符合時(shí)代的要求。其中一個(gè)典型的例子就是北京中瑞森公司應(yīng)用了無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的智能恒溫蓄電池柜已通過(guò)工信部電源檢測(cè)中心和工信部材料測(cè)試中心查測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)。國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商已將該產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用，并在實(shí)際使用中驗(yàn)證了該產(chǎn)品在高溫、斷電環(huán)境下，保溫性能高達(dá)14小時(shí)的產(chǎn)品特性，極大程度地解決了目前困擾電信運(yùn)營(yíng)商的電池使用壽命過(guò)短，通信站點(diǎn)能耗過(guò)高的問(wèn)題。從而大幅降低蓄電池采購(gòu)費(fèi)用及通信站點(diǎn)的能耗、進(jìn)一步提高站點(diǎn)安全可靠性。為運(yùn)營(yíng)商降低OPEX，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力，提供了一個(gè)有效選擇。

4.3 無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料在工業(yè)余熱中的應(yīng)用

無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料由于使用溫度很高，最高可達(dá)到1400℃，正符合工業(yè)余熱。它可用于替代傳統(tǒng)蓄熱器和熱風(fēng)爐的耐火磚，使其蓄熱量比耐火磚大2～2.5倍，并且大大地降低了造價(jià)。如用于熱風(fēng)爐，將使其體積減少35%，造價(jià)降低11%。

無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料不僅在以上方面的應(yīng)用，在其他方面也具有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事裝備、民用產(chǎn)品、光能利用等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)已有很多企業(yè)在研究無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的技術(shù)，并已得到應(yīng)用，例如冷藏車(chē)保溫倉(cāng)、太陽(yáng)能路燈、風(fēng)能發(fā)電機(jī)組，建筑保溫，農(nóng)業(yè)溫室大棚等。

5、無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展方向

從無(wú)機(jī)相變材料的研究狀況和特點(diǎn)來(lái)看，它具有很大的優(yōu)越性，是今后儲(chǔ)能材料發(fā)展的主要方向。近年來(lái)，美、日、德等國(guó)也發(fā)表了許多相關(guān)的理論研究，大體的來(lái)說(shuō)研究的方向主要有如下的一些方面：一、研制出一系列相變溫度范圍的固-固相變材料；二、如何改善相變材料的導(dǎo)熱性能和相變速率；三、如何根據(jù)相變機(jī)理提高其相變焓，研制出高能量密度的相變材料；四、掌握相變材料之間的復(fù)合原則以及如何來(lái)提高材料的性能以彌補(bǔ)不足；五、開(kāi)發(fā)出除具有相變儲(chǔ)能功能外還具有其它功能的多功能相變材料，如導(dǎo)電相變材料、可微波加熱的相變材料、防水相變材料、可殺菌防蟲(chóng)蛀的相變材料、形狀記憶相變材料等等；六、降低成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

不論開(kāi)發(fā)出何種相變材料，都必須具備如下的一般要求：一、合適的相變溫度，因?yàn)橄嘧儨囟日撬枰刂频奶囟囟龋欢?、較大的相變潛熱；三、相變的可逆性要好，過(guò)冷度應(yīng)盡量小；四、性能穩(wěn)定，可反復(fù)使用而不發(fā)生熔析和副反應(yīng)；五、導(dǎo)熱性好，相變速度快；六、材料的體積能量密度大；七、體積膨脹率要?。话?、蒸氣壓要低，使之不易揮發(fā)損失；九、符合綠色化學(xué)要求：無(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)污染；十、使用安全，不易燃、易爆或氧化變質(zhì)；十一、成本低廉，制備方便。

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