炙手可热的导热储热材料：相变材料

全球经济的快速发展导致对能源的需求快速增长，如今能量储存已成为可再生能源技术体系的重要组成部分。其中，热能储存系统（Thermal energy storage system，TESS）是一种通过加热或冷却存储介质来储存热能，以便在以后的时间里可以使用储存的能量来为加热和冷却提供能源。热能储存技术在建筑物和工业过程中使用，可以提高整体效率和可靠性，并能得到更好的经济效益，减少投资和运行成本，减少环境污染，减少碳的排放。

储热系统一般是将热量存储在储热介质中，高能量密度和高放热吸热效率是所有储热系统的理想特性。从目前世界研究的方向来看，热量存储一般可以分为显热储存、潜热储存和化学储存这三种方式。

其中显热储存材料在能量释放过程中温度不能保持稳定，而且在热交换中热损失较高，不能长期保存热量，且蓄热能力较低，不能满足如今的工业要求；化学储热是利用储热材料可逆吸热/放热反应过程来储存和释放热量，尽管这种方法储热能力比较好，热损失比较小，但是要面临储热材料对设备的腐蚀、传热和传质能力差和材料开发难等问题，限制了实际应用；潜热储存技术是利用相变材料在相变过程中吸收或释放热量，从而进行热量交换，弥补了显热储存不能长期保存热量的缺点，而且储能密度较大，没有化学反应的发生，不会对生态环境造成危害。

因此在储热领域最有前景的便是潜热储存，不仅可以解决热能在时间和空间上不匹配的问题，而且还可以应用于纺织、建筑和航天等领域。

相变材料的种类

一、按相变化分类

按蓄热过程中相的变化可分为固-固、固-液、固-气和液-气相变材料。由于固-气和液-气相变材料在相变过程中体积变化很大，对储热设备要求高，通常不易在实际中应用。

（1）固-固相变材料

固-固相变材料主要包括多元醇类（季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基乙烷等）、无机盐类（Li2SO4、KHF2 等）和有机高分子类（高密度聚乙烯等）。

固-固相变材料是通过物质晶体结构的转换来吸收和释放热量，在转换过程中不存在相态的变化，所以体积变化小，没有过冷和泄露等问题，但是不适合与其他材料进行复合，否则会影响晶体结构的转换，降低材料的储热能力，不适合大规模的应用。

（2）固-液相变材料

固-液相变材料凭借材料来源广泛、价格低廉、较高相变潜热等优点逐渐成为研究的热点，主要包括高级脂肪烃类（正十六烷、正十八烷、石蜡等）、脂肪酸及其酯类（硬脂酸、棕榈酸等）、结晶水合盐类（Na2SO4·10H2O、Mn(NO3)2·6H2O 等）、熔融盐类（LiF、NaF、CaF2等）、金属及合金类（铅-锡合金等）和高分子类（聚乙二醇等）。

二、曼柯威相变材料按成分的分类

按相变材料的成分可以分为有机、无机、共晶相变材料。

（1）有机相变材料

有机相变材料可以在不发生相分离的情况下多次熔化和凝固，且在结晶的时候有很小或者没有过冷度，通常不具有腐蚀性，一般分为石蜡类（烷烃类及其混合物）和非石蜡类（脂肪酸、醇类、脂类等及其衍生物）。

在实际应用中，考虑到成本问题，大多采用工业石蜡，有机相变材料物理化学性质稳定，具有过冷度小、相变潜热较大、热稳定性好等优点，但是导热系数较小，传热能力较差。

（2）无机相变材料

无机相变材料主要被应用于低温和高温环境中，包括结晶水合盐类、熔融盐类（硝酸盐、碳酸盐、卤化物等）、金属类。其中因水合盐相变过程容易因各组分密度不一致发生相分离，限制了其应用；熔融盐一般用于工业余热的回收和航天领域；金属类金属类一般由低熔点金属及其合金组成，它们具有很高的相变焓值、良好的热稳定性及其高导热能力，可以被用于发电厂回收余热或存储热量。

（3）共晶相变材料

共晶相变材料一般是具有相似或一致熔点和凝固点的材料组合，包括无机-无机、有机-有机或者无机-有机相变材料的二元或多元共晶体系，通过混合多种相变材料克服单一相变材料的缺点，使其更好的应用于实际情况。