相變材料

相變材料（英語：phase change material，縮寫為：PCM）是指在相變時放出或吸收大量熱，以達到加熱或降溫作用的物質。通常情況下，該物質將在液態和固態間進行轉變，但也可以在非傳統狀態間進行轉變，例如從一種結晶態轉變為能量更高或更低的另一種結晶態。

圖為乙酸鈉加熱墊（英語：heating pad），當乙酸鈉溶液晶化時，放出大量熱。

加熱墊晶化放熱視頻

相變材料物質狀態改變時所需的熔化熱通常遠大於其顯熱，相變溫度（PCT）附近融化和凝固時，相變材料可以儲存和釋放巨大的能量。例如，冰融化成水的熔化熱為333.55 J/g，即一克冰需要吸收333.55 J熱量才能融化成水。然而一克水吸收4.18 J熱量溫度升高1度。因此水/冰是一種非常有用的相變材料，自阿契美尼德王朝開始人們就用它在冬天釋放熱量，在夏天給房子降溫。

相變材料可按組成物質種類進行分類。有機相變材料通常從石油、植物或動物上提取，水合鹽相變材料通常由海水或礦物中提取。還有一類是固體轉變為固體的相變材料。他們在生活中有着廣泛的應用，加熱墊、電話配電箱冷卻和服飾製造等都可以看到相變材料的身影。

特性和分類

液體→固體、固體→液體、固體→氣體和液體→氣體的變化過程均可儲存潛熱，但只有液體→固體和固體→液體變化過程較為現實。儘管液體→氣體過程中轉換的熱量更多，但是氣態體積較大，存儲需要高壓，不易於使用。固態→固態的轉變速度十分緩慢，轉換的熱量相對較少。

固態-液態相變材料在達到相變溫度前，其特性與顯熱儲存材料相似，吸收熱量的同時溫度逐漸上升。但是當到達相變溫度（熔點）時，開始大量吸收熱量，但是溫度保持不變，材料完全融化後，溫度繼續上升。當液態材料所處環境溫度下降時便開始凝固，釋放其所儲存的潛熱。各種相變材料可供選擇，−5到190 °C之間任意相變溫度均有對應。^[1]而在20-30 °C人體舒適溫度範圍內，有些材料潛熱吸收十分高效，可以達到200 kJ/kg，與之對應的石料的熱容一般為1 kJ/kg.°C，因此保持相同溫度時每千克材料吸收的熱量是石料的200倍。^[2]水的比熱容為4.21 kJ/kg.°C，該材料存儲密度為水的12.5倍至50倍之間。

有機相變材料

碳氫化合物，主要是石蠟(C_nH_2n+2)和脂質類物質，也有一種是糖醇。^[3][4][5]

• 優點
  • 凝固時沒有過冷效應
  • 能夠一致地融化
  • 自成核性質
  • 與常規結構材料相容性好
  • 沒有隔離
  • 化學性質穩定
  • 安全、無反應
• 缺點
  • 固態導熱係數低，冷凍過程中需要保持高傳熱率。已發現的發現納米複合材料可有效將熱導率提高216％^[6][7]
  • 體積潛熱儲存容量可能較低
  • 易燃，置於專門的容器中可以有效隔離。

非有機相變材料

水合鹽 (M_xN_yH₂O) ^[8]

• 優點
  • 體積潛熱儲存容量高
  • 易於獲取，成本低
  • 高熔點
  • 熱傳導率高
  • 熔化熱高
  • 不可燃
• 缺點
  • 融化不一致，容易出現相位分離^[9]
  • 對大多數材料有腐蝕性^[10][11][12]可以封裝在不與之反應的塑料內克服
  • 某些混合物體積變化很大
  • 固態到液態轉變過程中出現的過冷現象是個麻煩，需要使用成核劑，反覆使用後可能不再起作用

共晶水合鹽相變材料與成核劑和膠凝劑。應用於被動溫度穩定，為建築暖通系統節能。^[13]

應用

治療新生兒窒息（英語：birth asphyxia）時在手術台上鋪設相變材料^[14][15]

防凝保護系統（英語：Ice protection system）凝固態轉變液體材料(S-PSL),^[16] a class of phase change materials.

應用領域^[1][17]包括並不局限於：

• 儲熱（英語：Thermal energy storage）
• 太陽能鍋
• 冷能電池（英語：Cold Energy Battery）
• 建築溫控
• 發動機和電機降溫
• 製冷：食物、飲料、咖啡、葡萄酒、奶製品、溫室
• 延緩表面凝霜^[16]
• 醫療器械：血液運輸、操作台、熱治療、新生兒窒息治療^[14]
• 笨重的衣服或服裝下的人體冷卻.
• 廢熱回收
• 錯峰（英語：Off-peak）電力利用：加熱、冷卻水
• 熱泵系統
• 被動存儲綠色建築(HDPE（英語：High-density polyethylene）、石蠟)
• 緩和化學反應放熱過程中的溫度峰值
• 太陽能發電站
• 航天器溫控系統
• 車輛熱舒適性
• 電子儀器溫度保險絲
• 服裝用紡織品
• 電腦硬件冷卻
• 帶有熱能儲存功能的的渦輪機入風口冷卻
• 熱帶地區的電信設備保護

參見

熱導管

• Raoux, S. Phase Change Materials. Annual Review of Materials Research. 2009, 39: 25–48. Bibcode:2009AnRMS..39...25R. doi:10.1146/annurev-matsci-082908-145405.
• Phase Change Matters （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） (industry blog)