相变储能材料的发展历史

【专家解说】：相变储能建筑材料 相变储能建筑材料 在其物相变化过程中，可从环境中吸收热(冷)量或向环境中放出热量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给失配的目的。它兼备普通建材和相变材料两者的优点，能够吸收和释放适量的热能;能够和其他传统建筑材料同时使用;不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建筑材料;能够用标准生产设备生产;有显著的节能降耗效应，在经济效益上具有竞争性。 相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年，由美国能源部太阳能公司发起。20世纪90年代以PCM处理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发展起来了。随后，PCM在混凝土试块、石膏墙板等建筑材料中的研究和应用一直方兴未艾。1999年，国外又研制成功一种新型建筑材料-固液共晶相变材料，在墙板或轻型混凝土预制板中浇注这种相变材料，可以保持室内温度适宜。另欧美有多家公司利用PCM生产销售室外通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋，可在冬夏天均保持在适宜的工作温度。此外，含有PCM的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深夜结冰。 国内外研究现状 国外对相变储能材料的研究工作始于20世纪60年代。最早是以节能为目的，从太阳能和风能 的利用及废热回收，经过不断的发展，逐渐扩展到化工、航天、电子等领域。近年来最主要的研究和应用集中在建筑物的集中空调、采暖及被动式太阳房等领域。国外研究机构和科研人员对蓄热材料的理论研究工作，尤其是对蓄热材料的组成、蓄热容量随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的研究，在实际应用上也取得了很大进展。 相对于已经进入实用阶段的发达国家，我国在20世纪70年代末80年代初才开始对蓄热材料进行研究，所以国内相变储能材料的理论和应用研究还比较薄弱。上世纪90年代中期以来，国内研 究重点开始转向有机相变材料和复合定形相变材料的研究开发。 最新的研究进展 1 建筑节能领域 相变储能材料作为一种热能储存材料在建筑节能领域得到了广泛应用，如相变混凝土、相变墙 板等。它通过相变材料的相变过程储存能量，从而实现对建筑的温度调节、节省电能等。 吴晓琳等采用聚氨酯硬质泡沫作为封装材料，十八烷为相变材料，以自制纳米氧化硅作为稳定剂与成核剂，采用原位封装的方式制备了一种聚氨酯复合相变储能材料。结果表明该聚氨酯基复合相变材料具有微纳米级均匀的微观结构，相变材料均匀地分布在聚氨酯中，相变特性不受聚氨酯 的影响，具有较高的结构稳定性。唐正生等将浸渍有Na2SO4的稻秆与特定组成的硅酸盐水泥浆体拌合，经模压制备出了一种稻秆/Na2SO4定型相变板材。测试结果表明该板材具有强度高、阻燃性好、蓄热密度大等优点，且经实验证实稻秆能装载自身质量4的Na2SO4·10H2O，板材经30次相变循环后质量损失为1.87%，因此具有很高的实际应用价值。 2 电子信息领域 近年来，电子技术的迅速发展，使电子设备越来越趋向于微型化、高集成化和大功率化，抗热 冲击和使用寿命等问题成为制约电子技术发展的瓶颈，因而相变技术被应用到了电子信息领域，并逐渐成为研究的热点。 高学农等采用物理吸附法制备了一种石蜡/膨胀石墨复合相变储能材料，具有较高的相变焓和良好的传热性能。将其应用于电子器件的热管理中，通过模拟芯片实验研究了该石蜡/膨胀石墨复合 相变材料控温电子散热器的性能，结果表明可有效降低模拟芯片的升、降温速率，延长散热器的控温时间，降低电子器件因温度瞬间升高而烧坏的可能性，实现对电子器件的保护。 中科院上海微系统与信息技术研究所经过多年努力，发现了自主SiSbTe体系相变材料， 了SiSbTe具有低于传统Ge2Sb2Te5的功耗、更高的数据保持力和更快的相变速度。且经过工程化反复验证，确定了SixSb2Te3体系，当x在3-3.5区间内，PCRAM单元在数据保持能力、粘附能力、体积变化、疲劳使用寿命、操作可靠性、功耗等方面均优于Ge2Sb2Te5，并已在12寸工艺平台上进行了实验。该材料体系的发现对于打破国际技术垄断，推动我国自主开发的PCRAM芯片具有重要的学术价值和商业价值。 3纤维纺织领域 相变纤维材料的开发为高功能的智能纺织品研究提供了新的途径。相变纤维及其纺织品可以满足消费者在“多功能”、“舒适性”方面的要求，因而具有很大的应用前景。 韩娜等以正构烷烃和聚合物相变材料为芯层,聚丙烯为纤维的皮层,采用双组分熔融复合熔融纺丝法制备储热调温纤维。采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)和单纤维电子强力仪等观察纤维的形貌,研究纤维的热力学性能和力学性能。结果表明:纤维的结构致密,具有明显的皮芯分界,相变材料质量分数为28%时,纤维的热焓可达到36~40 J/g,对纤维进行2.75倍的牵伸后处理,断裂强度和伸长率分别为2.3 cN/dtex和29%,可满足纺织服装的应用要求。 张梅等[13]利用静电纺丝法制备了一种具有相变性能的PVA/PEG复合纳米纤维，并对制备工艺参数进行了优化。结果表明,PVA/PEG共混溶液通过静电纺丝可获得分布较均匀的复合纤维，但PEG的存在影响PVA的成纤效果，其中PVA/PEG的百分含量为4:6的混合溶液成纤较好;通过纺丝参数的研究，确定了最佳的纺丝条件，15Kv/10CM;PVA/PEG复合纳米纤维具有可逆的相转变过程，Tm和Tc值与PVA/PEG质量百分含量和PEG2000与PEG4000的共混比例有关。 4军事领域 由于相变材料具有高的储能密度，并且在吸热(放热)过程中具有温度不变的特性，因而在热红外伪装和热红外假目标方面也有广阔的应用前景. 孙文艳等采用微胶囊技术，对正十四烷、正十八烷、石蜡3种相变材料进行封装，将其制成红外隐身涂料并应用于军事目标中，以控制目标表面热惯量及表面温度，消除或降低目标与背景的红外辐射差别，从而实现了对背景红外特征的模拟。将制备的涂料涂覆在卡车模型上，结果表明在 荒漠丘陵热图背景下明显提高了目标的红外隐身性能。 未来展望以及发展趋势 随着人们对节能问题的日益重视以及环境保护意识的逐步增强，相变储能材料必将在将来发挥更大的作用，其应用前景也会越来越广阔。但是，目前在相变材料研发的过程中仍有许多需要解决的问题，如稳定性差、寿命短等，因此相变材料未来的研究重点是根据环境条件要求，研制出具有合适的相变温度与相变焓，并且能够长期使用，物理化学性能稳定、经济环保的相变材料。