相变材料(英语:phase change material,缩写为:PCM)是指在相变时放出或吸收大量热,以达到加热或降温作用的物质。通常情况下,该物质将在液态和固态间进行转变,但也可以在非传统状态间进行转变,例如从一种结晶态转变为能量更高或更低的另一种结晶态。

Thumb
图为乙酸钠加热垫英语heating pad,当乙酸钠溶液晶化时,放出大量热。
加热垫晶化放热视频

相变材料物质状态改变时所需的熔化热通常远大于其显热英语sensible heat,相变温度(PCT)附近融化和凝固时,相变材料可以储存和释放巨大的能量。例如,冰融化成水的熔化热为333.55 J/g,即一克冰需要吸收333.55 J热量才能融化成水。然而一克水吸收4.18 J热量温度升高1度。因此水/冰是一种非常有用的相变材料,自阿契美尼德王朝开始人们就用它在冬天释放热量,在夏天给房子降温。

相变材料可按组成物质种类进行分类。有机相变材料通常从石油、植物或动物上提取,水合盐相变材料通常由海水或矿物中提取。还有一类是固体转变为固体的相变材料。他们在生活中有着广泛的应用,加热垫、电话配电箱冷却和服饰制造等都可以看到相变材料的身影。

特性和分类

液体→固体、固体→液体、固体→气体和液体→气体的变化过程均可储存潜热,但只有液体→固体和固体→液体变化过程较为现实。尽管液体→气体过程中转换的热量更多,但是气态体积较大,存储需要高压,不易于使用。固态→固态的转变速度十分缓慢,转换的热量相对较少。

固态-液态相变材料在达到相变温度前,其特性与显热英语sensible heat储存材料相似,吸收热量的同时温度逐渐上升。但是当到达相变温度(熔点)时,开始大量吸收热量,但是温度保持不变,材料完全融化后,温度继续上升。当液态材料所处环境温度下降时便开始凝固,释放其所储存的潜热。各种相变材料可供选择,−5到190 °C之间任意相变温度均有对应。[1]而在20-30 °C人体舒适温度范围内,有些材料潜热吸收十分高效,可以达到200 kJ/kg,与之对应的石料的热容一般为1 kJ/kg.°C,因此保持相同温度时每千克材料吸收的热量是石料的200倍。[2]水的比热容为4.21 kJ/kg.°C,该材料存储密度为水的12.5倍至50倍之间。

有机相变材料

碳氢化合物,主要是石蜡(CnH2n+2)和脂质类物质,也有一种是糖醇。[3][4][5]

  • 优点
    • 凝固时没有过冷效应
    • 能够一致地融化
    • 自成核性质
    • 与常规结构材料相容性好
    • 没有隔离
    • 化学性质稳定
    • 安全、无反应
  • 缺点
    • 固态导热系数低,冷冻过程中需要保持高传热率。已发现的发现纳米复合材料可有效将热导率提高216%[6][7]
    • 体积潜热储存容量可能较低
    • 易燃,置于专门的容器中可以有效隔离。

非有机相变材料

水合盐 (MxNyH2O) [8]

  • 优点
    • 体积潜热储存容量高
    • 易于获取,成本低
    • 高熔点
    • 热传导率高
    • 熔化热高
    • 不可燃
  • 缺点
    • 融化不一致,容易出现相位分离[9]
    • 对大多数材料有腐蚀性[10][11][12]可以封装在不与之反应的塑料内克服
    • 某些混合物体积变化很大
    • 固态到液态转变过程中出现的过冷现象是个麻烦,需要使用成核剂,反复使用后可能不再起作用
Thumb
共晶水合盐相变材料与成核剂和胶凝剂。应用于被动温度稳定,为建筑暖通系统节能。[13]

应用

Thumb
治疗新生儿窒息英语birth asphyxia时在手术台上铺设相变材料[14][15]
Thumb
防凝保护系统英语Ice protection system凝固态转变液体材料(S-PSL),[16] a class of phase change materials.

应用领域[1][17]包括并不局限于:

参见

热导管

参考资料

来源

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.