我們最常見的相變材料非
水莫屬了，當(dāng)溫度低至0°C 時(shí)，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)（結(jié)冰）。當(dāng)溫度高于0°C時(shí)水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（溶解）。在結(jié)冰過程中吸入并儲(chǔ)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(shù)量（體積）越大，溶解過程需要的時(shí)間越長。這是相變材料的一個(gè)最典型的例子。
從以上的例子可看出，相變材料實(shí)際上可作為能量存儲(chǔ)器。這種特性在節(jié)能，溫度控制等領(lǐng)域有著極大的意義。因此，相變材料及其應(yīng)用成為廣泛的研究課題。
有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料的最大區(qū)別在于運(yùn)用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異，后者多優(yōu)于前者。
蓄熱機(jī)理與特點(diǎn)
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)槔诩訜岬饺刍瘻囟葧r(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，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。在這兩種相變過程中，所儲(chǔ)存或釋放的能量稱為相變潛熱。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。
相變材料的分類相變材料主要包括無機(jī)PCM、有機(jī)PCM和復(fù)合PCM三類。其中，無機(jī)類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機(jī)類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物；復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的應(yīng)運(yùn)而生，它既能有效克服單一的無機(jī)物或有機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料存在的缺點(diǎn)，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。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。但是混合相變材料也可能會(huì)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(diǎn)。
冰與水的相變過程
什么是相變
物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)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(tài)對(duì)應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。
相變儲(chǔ)能對(duì)比
一級(jí)相變
在發(fā)生相變時(shí)，有體積的變化同時(shí)有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為“一級(jí)相變”。例如，在1個(gè)大氣壓0℃的情況下，1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時(shí)體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉(zhuǎn)換屬一級(jí)相變。
二級(jí)相變
在發(fā)生相變時(shí)，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(shù)和等溫壓縮系數(shù)等的
物理量發(fā)生變化，這一類變化稱為
二級(jí)相變。正常液態(tài)氦（氦Ⅰ）與
超流氦（
氦Ⅱ）之間的轉(zhuǎn)變，正常
導(dǎo)體與
超導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)變，順磁體與鐵磁體之間的轉(zhuǎn)變，合金的有序態(tài)與無序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變等都是典型的二級(jí)相變的例子。
相變儲(chǔ)能工作示意圖
廣泛應(yīng)用
航天
由于
外太空溫度屬于極寒或極熱環(huán)境，對(duì)宇航員、航天器的保護(hù)要求非常嚴(yán)格，普通材料無法適應(yīng)惡劣條件，因此，需要特殊材料進(jìn)行保護(hù)。美國和前蘇聯(lián)科學(xué)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(yīng)用。該技術(shù)一直處于壟斷地位。我國進(jìn)入21世紀(jì)以來，經(jīng)過科學(xué)家的不斷努力，已經(jīng)克服了關(guān)鍵技術(shù)部分，開始進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。
航天應(yīng)用
航空航天
建筑
相變材料引用到建筑，是建筑領(lǐng)域革命性發(fā)展。主要作用結(jié)果是節(jié)能，可以達(dá)到節(jié)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(cè)量單位計(jì)算，一個(gè)采暖季的用電量只有10度左右。
建筑領(lǐng)域的運(yùn)用
崗?fù)?div style="height:15px;">
服裝
在服裝領(lǐng)域，使用相變材料，將相變材料植入纖維中，可以極大的改變?nèi)藗兊纳钯|(zhì)量，不使用任何能源，可以讓普通衣服變成微空調(diào)。
相變材料在服裝、面料上面的應(yīng)用
制冷設(shè)備
傳統(tǒng)制冷設(shè)備，如空調(diào)、冷藏車、冷庫，均是采取壓縮機(jī)制冷技術(shù)進(jìn)行制冷，不僅耗電，而且不環(huán)保。采用相變技術(shù)，可以替代壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，節(jié)能60%以上。
空調(diào)
軍事
一旦裝備部隊(duì)，將是相變材料一重大貢獻(xiàn)。軍車、軍人服裝、艦船、飛機(jī)、坦克、潛艇等軍事各個(gè)方面，均是相變材料運(yùn)用的重要領(lǐng)域，可以極大的提高戰(zhàn)斗力和防護(hù)持久能力。
軍事領(lǐng)域的運(yùn)用
通訊、電力
在通訊、電力等設(shè)備箱（間）降溫方面，相變材料可以節(jié)省設(shè)備成本75%以上。在通訊領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊基站的機(jī)房、電池組間，使傳統(tǒng)的一年壽命的設(shè)備可以延長到4年或更多。
恒溫一體
運(yùn)用范例：相變材料恒溫UPS機(jī)箱
1. 介紹
不間斷電源（UPS）作為一種可靠的電源供給系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)如通信，鐵路和油田等。在很多情況下UPS與用電設(shè)備一起被安裝在野外，受環(huán)境的影響很大。而UPS中蓄電池的充放電產(chǎn)生的高溫和環(huán)境溫度升高都會(huì)影響其壽命。在常溫25℃時(shí)，溫度每上升10℃，電池的壽命將縮短一半。使用空調(diào)給UPS降溫的運(yùn)行和維護(hù)成本甚至比更換電池的成本還高。大部分安裝UPS的野外機(jī)箱或設(shè)備箱的箱內(nèi)溫度控制是通過箱體的隔熱材料并利用空氣對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的，這種控制溫度方式存在兩個(gè)很大的缺陷：一、當(dāng)箱外的環(huán)境溫度升高時(shí)，箱內(nèi)的UPS或其它設(shè)備運(yùn)行都產(chǎn)生熱量，自身的熱再加上環(huán)境的熱，就非常容易產(chǎn)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?yàn)檫@樣，內(nèi)部的熱無法及時(shí)散去而會(huì)慢慢積累，最終導(dǎo)致溫度上升；這些箱體都是長年放置于野外使用的，往往因?yàn)殚L期高溫工作，因而影響了箱內(nèi)的
UPS 和各種設(shè)備或電子元件的性能，使正常的使用壽命縮短，增加了經(jīng)營成本。特別是在邊遠(yuǎn)地區(qū)或溫室效應(yīng)大的區(qū)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(shè)備。
通訊電力方面的運(yùn)用
2 解決方案
為了解決野外UPS機(jī)箱、設(shè)備箱或信號(hào)箱的溫度控制難題，研發(fā)者提供了一種特殊的相變材料能量存儲(chǔ)熱交換的方案。已知許多物質(zhì)在特定溫度下會(huì)改變形態(tài)，這類物質(zhì)稱為相變材料（Phase Change Material- PCM）. 相變材料在改變形態(tài)時(shí)會(huì)吸收或釋放能量，稱之為潛熱。本方案利用相變材料在發(fā)生相變時(shí)吸收潛熱的特性，在UPS機(jī)箱、設(shè)備箱、信號(hào)箱等內(nèi)填裝一定數(shù)量的相變材料，并使用進(jìn)風(fēng)/排風(fēng)扇和相應(yīng)的箱內(nèi)外溫度監(jiān)控裝置而達(dá)致溫度控制的效果；當(dāng)監(jiān) 測(cè)到箱體外環(huán)境溫度低于相變溫度及箱體內(nèi)的溫度高于設(shè)備指定溫度時(shí)，通風(fēng)
控制系統(tǒng)的裝置會(huì)將箱外的空氣輸入箱內(nèi)，一方面為箱體制冷，另一方面將能量儲(chǔ)存在相變材料中；當(dāng)監(jiān)測(cè)到箱體外環(huán)境溫度高于相變溫度或箱體內(nèi)的溫度低于某一指定溫度時(shí)，通風(fēng)控制系統(tǒng)會(huì)停止工作，釋放已存儲(chǔ)的冷能量，達(dá)到制冷的目的。在這過程中只消耗少許的電能（風(fēng)扇耗電），但可以很好地解決野外UPS機(jī)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(wěn)定性高的特點(diǎn)，使用周期可長達(dá)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(jī)箱內(nèi)部，吸收機(jī)箱內(nèi)UPS和設(shè)備產(chǎn)生的熱量。另一部在機(jī)箱上部通過風(fēng)扇和環(huán)境進(jìn)行
熱交換。
溫度控制系統(tǒng)的工作由監(jiān)控裝置控制，其監(jiān)測(cè)的目的是：維持箱內(nèi)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(jī)箱外的溫度非常高的時(shí)候也不會(huì)影響內(nèi)部部件的壽命，增加經(jīng)營成本。
一個(gè)典型的溫度控制過程如下：
當(dāng)監(jiān)測(cè)到箱內(nèi)的溫度高于40℃及箱外溫度低于30℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇及排風(fēng)風(fēng)扇會(huì)即刻起動(dòng)，為相變材料提供能量的交換，相變材料散熱器吸收機(jī)箱內(nèi)的熱量和外部環(huán)境進(jìn)行
能量交換，達(dá)至溫度控制的效果；當(dāng)監(jiān)測(cè)到箱內(nèi)的溫度低于37℃或箱外的溫度高于32℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇及排風(fēng)風(fēng)扇會(huì)停止工作，利用相變材料已存儲(chǔ)的能量進(jìn)行交換，達(dá)至溫度控制的效果。
實(shí)際應(yīng)用測(cè)試效果
對(duì)安裝了相變材料的UPS機(jī)箱的溫度進(jìn)行測(cè)試
測(cè)試條件與環(huán)境：采用29°C相變材料，機(jī)箱外溫度40°C，相變材料重量為50公斤。
斷電恒溫測(cè)試
建筑材料
簡述
相變儲(chǔ)能建筑材料兼?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。
建筑運(yùn)用
相變儲(chǔ)能建筑材料應(yīng)用于建材的研究始于1982年，由
美國能源部太陽能公司發(fā)起。20世紀(jì)90年代以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。1999年，國外又研制成功一種新型建筑材料－固液共晶相變材料，在墻板或輕型混凝土預(yù)制板中澆注這種相變材料，可以保持室內(nèi)溫度適宜。另歐美有多家公司利用PCM生產(chǎn)銷售室外通訊接線設(shè)備和電力變壓設(shè)備的專用小屋，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。
復(fù)合工藝
相變材料關(guān)系圖
PCM與建材基體的結(jié)合工藝，主要有以下幾種方法：（1）將PCM密封在合適的容器內(nèi)。（2）將PCM密封后置入建筑材料中。（3）通過浸泡將PCM滲入多孔的建材基體(如石膏墻板、水泥混凝土試塊等)。（4）將PCM直接與建筑材料混合。（5）將有機(jī)PCM乳化后添加到建筑材料中。國內(nèi)建筑節(jié)能某知名企業(yè)成功地將不同標(biāo)號(hào)的石蠟乳化，然后按一定比例與相變特種膠粉、水、聚苯顆粒輕骨料混合，配制成兼具蓄熱和保溫的可用于建筑墻體內(nèi)外層的相變蓄熱漿料。試驗(yàn)樓的測(cè)試工作正在進(jìn)行中。同時(shí)在開發(fā)的還有相變砂漿、相變膩?zhàn)拥犬a(chǎn)品。
能量曲線
在建筑中的應(yīng)用
現(xiàn)代建筑向高層發(fā)展，要求所用圍護(hù)結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)材料。但普通輕質(zhì)材料熱容較小，導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)較大。這不僅造成室內(nèi)熱環(huán)境不舒適，而且還增加空調(diào)負(fù)荷，導(dǎo)致建筑能耗上升。采用的相變材料的潛熱達(dá)到170J/g甚至更高，而普通建材在溫度變化1℃時(shí)儲(chǔ)存同等熱量將需要190倍相變材料的質(zhì)量。因此，復(fù)合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容，對(duì)于房間內(nèi)的氣溫穩(wěn)定及
空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。
這種復(fù)合的產(chǎn)品的缺點(diǎn)是，強(qiáng)度不夠。
檢測(cè)
材料選擇
應(yīng)具備的特點(diǎn)
用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變建筑材料的研制，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）相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；（3）有合適的相變溫度，能滿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）相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，制造方便。
相變微膠囊
微膠囊技術(shù)
在實(shí)際研制過程中，要找到滿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。
存在問題研究
現(xiàn)存的問題主要在相變儲(chǔ)能建筑材料耐久性以及經(jīng)濟(jì)性方面。
耐久性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
相變材料在循環(huán)過程中熱物理性質(zhì)的退化問題；相變材料易從基體的泄漏問題；相變材料對(duì)基體材料的作用問題。
經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在：
如果要最大化解決上述問題，將導(dǎo)致單位熱能儲(chǔ)存費(fèi)用的上升，必將失去與其他儲(chǔ)熱法或普通建材競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。相變儲(chǔ)能建筑材料經(jīng)過20多年的發(fā)展，其智能化功能性的特點(diǎn)勿容置疑。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。
代表人物
徐祖耀院士，在馬氏體相變、貝氏體相變、形狀記憶材料及材料熱力學(xué)諸領(lǐng)域研究獲豐碩成果。揭示了無擴(kuò)
徐祖耀
散的馬氏體相變中存在間隙原子的擴(kuò)散，由此重新定義了馬氏體相變、修正了經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程；成功地由熱力學(xué)計(jì)算鐵基。
1995年當(dāng)選為
中國科學(xué)院院士。
