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炙手可熱的導(dǎo)熱儲(chǔ)熱材料：相變材料

全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)能源的需求快速增長(zhǎng)，如今能量?jī)?chǔ)存已成為可再生能源技術(shù)體系的重要組成部分。其中，熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)（Thermal energy storage system，TESS）是一種通過加熱或冷卻存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存熱能，以便在以后的時(shí)間里可以使用儲(chǔ)存的能量來(lái)為加熱和冷卻提供能源。熱能儲(chǔ)存技術(shù)在建筑物和工業(yè)過程中使用，可以提高整體效率和可靠性，并能得到更好的經(jīng)濟(jì)效益，減少投資和運(yùn)行成本，減少環(huán)境污染，減少碳的排放。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)一般是將熱量存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱介質(zhì)中，高能量密度和高放熱吸熱效率是所有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的理想特性。從目前世界研究的方向來(lái)看，熱量存儲(chǔ)一般可以分為顯熱儲(chǔ)存、潛熱儲(chǔ)存和化學(xué)儲(chǔ)存這三種方式。

其中顯熱儲(chǔ)存材料在能量釋放過程中溫度不能保持穩(wěn)定，而且在熱交換中熱損失較高，不能長(zhǎng)期保存熱量，且蓄熱能力較低，不能滿足如今的工業(yè)要求；化學(xué)儲(chǔ)熱是利用儲(chǔ)熱材料可逆吸熱/放熱反應(yīng)過程來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱量，盡管這種方法儲(chǔ)熱能力比較好，熱損失比較小，但是要面臨儲(chǔ)熱材料對(duì)設(shè)備的腐蝕、傳熱和傳質(zhì)能力差和材料開發(fā)難等問題，限制了實(shí)際應(yīng)用；潛熱儲(chǔ)存技術(shù)是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量，從而進(jìn)行熱量交換，彌補(bǔ)了顯熱儲(chǔ)存不能長(zhǎng)期保存熱量的缺點(diǎn)，而且儲(chǔ)能密度較大，沒有化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。

因此在儲(chǔ)熱領(lǐng)域最有前景的便是潛熱儲(chǔ)存，不僅可以解決熱能在時(shí)間和空間上不匹配的問題，而且還可以應(yīng)用于紡織、建筑和航天等領(lǐng)域。

相變材料的種類

一、按相變化分類

按蓄熱過程中相的變化可分為固-固、固-液、固-氣和液-氣相變材料。由于固-氣和液-氣相變材料在相變過程中體積變化很大，對(duì)儲(chǔ)熱設(shè)備要求高，通常不易在實(shí)際中應(yīng)用。

（1）固-固相變材料

固-固相變材料主要包括多元醇類（季戊四醇、新戊二醇、三羥甲基乙烷等）、無(wú)機(jī)鹽類（Li2SO4、KHF2 等）和有機(jī)高分子類（高密度聚乙烯等）。

固-固相變材料是通過物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換來(lái)吸收和釋放熱量，在轉(zhuǎn)換過程中不存在相態(tài)的變化，所以體積變化小，沒有過冷和泄露等問題，但是不適合與其他材料進(jìn)行復(fù)合，否則會(huì)影響晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，降低材料的儲(chǔ)熱能力，不適合大規(guī)模的應(yīng)用。

（2）固-液相變材料

固-液相變材料憑借材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、較高相變潛熱等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，主要包括高級(jí)脂肪烴類（正十六烷、正十八烷、石蠟等）、脂肪酸及其酯類（硬脂酸、棕櫚酸等）、結(jié)晶水合鹽類（Na2SO4·10H2O、Mn(NO3)2·6H2O 等）、熔融鹽類（LiF、NaF、CaF2等）、金屬及合金類（鉛-錫合金等）和高分子類（聚乙二醇等）。

二、曼柯威相變材料按成分的分類

按相變材料的成分可以分為有機(jī)、無(wú)機(jī)、共晶相變材料。

（1）有機(jī)相變材料

有機(jī)相變材料可以在不發(fā)生相分離的情況下多次熔化和凝固，且在結(jié)晶的時(shí)候有很小或者沒有過冷度，通常不具有腐蝕性，一般分為石蠟類（烷烴類及其混合物）和非石蠟類（脂肪酸、醇類、脂類等及其衍生物）。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到成本問題，大多采用工業(yè)石蠟，有機(jī)相變材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有過冷度小、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是導(dǎo)熱系數(shù)較小，傳熱能力較差。

（2）無(wú)機(jī)相變材料

無(wú)機(jī)相變材料主要被應(yīng)用于低溫和高溫環(huán)境中，包括結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類（硝酸鹽、碳酸鹽、鹵化物等）、金屬類。其中因水合鹽相變過程容易因各組分密度不一致發(fā)生相分離，限制了其應(yīng)用；熔融鹽一般用于工業(yè)余熱的回收和航天領(lǐng)域；金屬類金屬類一般由低熔點(diǎn)金屬及其合金組成，它們具有很高的相變焓值、良好的熱穩(wěn)定性及其高導(dǎo)熱能力，可以被用于發(fā)電廠回收余熱或存儲(chǔ)熱量。

（3）共晶相變材料

共晶相變材料一般是具有相似或一致熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)的材料組合，包括無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)、有機(jī)-有機(jī)或者無(wú)機(jī)-有機(jī)相變材料的二元或多元共晶體系，通過混合多種相變材料克服單一相變材料的缺點(diǎn)，使其更好的應(yīng)用于實(shí)際情況。