相變材料種類及優(yōu)缺點(diǎn)比較(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上非直接接觸為了提高熱導(dǎo)率，相變材料裝在淺而大的盤狀容器中；也可以將PCM裝入有導(dǎo)熱流體包圍的小圓柱管中；或者是殼管換熱器的殼中。部分填充PCM的蜂窩結(jié)構(gòu)，以及將PCM置于球狀的塑料容器中（即相變膠囊），很好的解決了相變時(shí)體積變化導(dǎo)致泄漏、導(dǎo)熱面積減小引起熱阻增大的問題。組合相變材料直接接觸的換熱器固固相變材料水和鹽與不溶流體的使用，擾動解決了PCM的過冷和相隔離的問題，而且微/納膠囊較大的面積/體積比，使得導(dǎo)熱率加強(qiáng)。材料在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)中發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程叫做相變。材料在相變過程中，會放熱或者吸熱，而物體會維持恒溫。而這種特性為我們熱控制帶來了福音。相變材料是由多組分

2、構(gòu)成的,包括主儲劑、相變點(diǎn)調(diào)整劑、防過劑、防相分離劑、相變促進(jìn)劑組分。相變材料的分類：按照其相變過程可分為固固相變、固液相變、固氣相變和液氣相變材料四種，目前應(yīng)用較多的是固液相變材料。按照其化學(xué)組成可分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。無機(jī)相變材料包括結(jié)晶水合鹽（可逆性不好）、熔融鹽、金屬合金等無機(jī)物;有機(jī)相變材料包括石蠟、羧酸、酯、多元醇等有機(jī)物;混合相變材料主要是有機(jī)和無機(jī)共融相變材料的混合物。（多種相變材料混合可以獲得合適的相變溫度）三種各自的特點(diǎn)存在的問題：過冷、相分離、相變時(shí)體積變化、腐蝕容器、液相泄露；有機(jī)相變材料熔點(diǎn)低，易燃、導(dǎo)熱率低。近年來出現(xiàn)的產(chǎn)品：為解決固液相變時(shí)

3、泄露和腐蝕，產(chǎn)生了膠囊相變材料，為增加表面積/體積比，微/納米膠囊相變材料及其應(yīng)用；定型相變材料綜合了是將相變材料與高分子材料復(fù)合，既避免固-固相變材料潛熱低的問題，又回避了固液相變材料液體泄露的問題；金屬泡沫相變材料等相變材料,應(yīng)滿足的要求有:合乎需要的相變溫度;足夠大的相變潛熱;性能穩(wěn)定,可反復(fù)使用;相變時(shí)的膨脹收縮性小;導(dǎo)熱性好,相變速度快;相變可逆性好,原料廉價(jià)易得等。改善相變材料導(dǎo)熱性能的辦法是，在相變材料中加人金屬、陶瓷材料和熱解石墨等導(dǎo)熱系數(shù)高的填料，填料通常有以下結(jié)構(gòu)形式:粉末、纖維、肋片及蜂窩；利用2種或者3種相變溫度不同的材料按相變溫度高低順序進(jìn)行放置，可得到合適的相變溫度

4、點(diǎn)，同時(shí)加快導(dǎo)熱速度。1)、添加粉末、纖維填料會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加程度有限。例如，在石蠟中添加20%重量比的A1粉末，表觀導(dǎo)熱系數(shù)為0.48W/m"K，導(dǎo)熱系數(shù)增加了不到3倍(原石蠟導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/m"K);相變熱控裝置的溫度均勻性難以保持。在相變材料中添加粉末、纖維填料，很難保證填料始終均勻分布在相變材料中，長期運(yùn)行會導(dǎo)致聚集、沉淀等不良后果，導(dǎo)致其強(qiáng)化傳熱性能逐漸降低，并使得相變熱控裝置的溫度均勻性變差;2)、添加肋片、蜂窩填料會導(dǎo)致相變材料的充裝性差。使用填料增加相變材料導(dǎo)熱性能，需保證相變材料的可充裝性。使用肋片、蜂窩填料時(shí)，由于每個(gè)肋片或蜂窩間沒有空隙，相變材

5、料充裝時(shí)非常困難，只有采取打孔或預(yù)留空間等辦法解決，但會影響裝置的強(qiáng)度及傳熱性能，效果不好;肋片、蜂窩填料與相變熱控裝置殼體熱阻大。由于肋片、蜂窩墳料是由很薄的金屬片制成，無法用焊接工藝將它和殼體金屬板聯(lián)接，只能采用膠粘的方法，顯然，這將增加接觸熱阻，降低裝置傳熱性能。 2002年，南京理工大學(xué)將高孔隙率通孔型泡沫鋁或泡沫石墨等材料用于相變儲熱單元，設(shè)計(jì)、制造了高傳熱性能的相變儲熱裝置(見圖5所示)，試驗(yàn)側(cè)試結(jié)果表明泡沫功能材料增加了相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了相變儲熱單元的傳熱性能，提高了相變熱控裝置的溫度均勻性、可充裝性及可靠性。例如，孔隙率為92 %的泡沫鋁與石蠟的組合表觀導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5W

6、/m.K以上，導(dǎo)熱系數(shù)提高了30倍以上。而且，由于所采用的泡沫鋁為通孔型，且孔徑在4mm以上，相變材料很容易充滿整個(gè)裝置，不會產(chǎn)生死角，泡沫鋁相變熱控裝置充裝性能好。另外，由于泡沫鋁的孔隙率大(92%以上)，相變傳熱裝置使用的泡沫鋁重量輕，用于航天器或行星登陸車熱控將不會使相變裝置的重量及儲能量有太大變化40應(yīng)用和封裝方面的總結(jié)（民用產(chǎn)品的啟示，包括封裝結(jié)構(gòu)和預(yù)冷預(yù)熱等）:儲能利用，如用在建筑、太陽能熱水器、工業(yè)廢熱利用、太陽帆板電池、功能工質(zhì)、醫(yī)用暖片作為散熱器的中間部分，緩沖散熱：1. 對周期性的，間斷性的大功率熱載荷可以減小散熱面2. 與主動熱控的強(qiáng)制對流、自然對流等措施結(jié)合（風(fēng)扇排熱或

7、者液體工質(zhì)散熱），通過增加熱容來增強(qiáng)熱控系統(tǒng)的熱控能力；若預(yù)先加熱或者冷凍，可進(jìn)一步提高其熱控能力或者增加熱控系統(tǒng)的安全系數(shù)。即能承擔(dān)更大的熱載荷。如大型電池的控溫。3. 與熱管結(jié)合使用，可將某一部分的廢熱用來控制其他部分的溫度水平恒溫控制:由于相變時(shí)溫度維持在相變點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對對溫度敏感的電子元器件的精確控溫 航天服 軍事上隱身：通過隱藏設(shè)備溫度，改變紅外光譜，而起到隱形或者隱身的作用。相變材料應(yīng)用于航天領(lǐng)域利用相變材料熔化時(shí)吸收大量潛熱、凝固時(shí)放出大量潛熱的特性，由于相變熱控裝置只發(fā)生物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、無運(yùn)動部件且不消耗航天器能量、可靠性高，特別適用于航天器內(nèi)周期性工作的大功率儀器設(shè)備或受周期

8、性高熱流影響的設(shè)備的溫度控制?？捎糜谠虑蜍囬g斷性工作的電子設(shè)備，以保證月球車電子設(shè)備溫度維持恒定，不受月球外表面的溫度巨幅變化的影響，也不受月球車內(nèi)儀器的發(fā)熱變化的影響。 相變材料已成功應(yīng)用于航天器熱控領(lǐng)域，在行星登陸車上也有許多應(yīng)用。例如，在“阿波羅15號”飛船的月球車上，采用了三個(gè)相變材料裝置，第一個(gè)裝置是將相變材料與信號運(yùn)算器和電池相連，月球車出動執(zhí)行任務(wù)時(shí)，信號運(yùn)算器產(chǎn)生的熱量被相變材料吸收，使之熔化;月球車返回后，將相變材料儲存的熱量通過輻射器向空間發(fā)散，相變材料重新凝固，為下次出動執(zhí)行任務(wù)做好準(zhǔn)備。第二、第三個(gè)裝置將相變材料分別與驅(qū)控電子組件和月球通訊繼電器連成一體。月球車出動時(shí)，

9、后者產(chǎn)生的熱量由相變材料吸收，返回后通過百葉窗輻射器散熱，為再次工作做好準(zhǔn)備。另外，相變材料用來保持阿波羅登月中宇航服系統(tǒng)的溫度。美國03 /05火星漫游車也應(yīng)用了十二烷相變材料來控制鋰電池的溫度，該相變儲熱單元與可變熱導(dǎo)LHP組合使用，火星登陸車的電池裝在儲熱裝置中，通過相變材料的熔化、凝固維持電池的溫度水平川(見圖4)。相變控溫的特點(diǎn)1.它屬于吸收型被動溫控，與常規(guī)散熱型有很大的不同。它不靠溫差散熱，因此不受外界環(huán)境溫度變化的影響，使元件或設(shè)備始終穩(wěn)定在需要的溫度上。尤其在大功率密度和要求低的平衡溫度時(shí)，是常規(guī)散熱無法解決的難題，而采用相變溫控可迎刃而解。在低氣壓或真空條件下需要散熱的設(shè)備

10、采用這種溫控技術(shù)效果更好。2.與主動溫控比較，它不用電，沒有運(yùn)動部件，可用于振動、沖擊、加速度等惡劣的力學(xué)條件下工作，可靠性很高。3.在一定條件下，它可取代水冷和風(fēng)冷進(jìn)行散熱，如對半導(dǎo)體致冷器件的熱端溫控，不用水冷或風(fēng)冷，節(jié)水節(jié)電，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。4.它在低溫條件下(如一40)工作，它還儲存熱能，可使設(shè)備以極大的速率恢復(fù)到正常的工作溫度。5.它能周期性工作，長久使用。6.在低的平衡溫度條件下，它比熱沉法散熱器體積可縮小2.6倍左右;重量可減輕4.5倍左右。7.工藝較復(fù)雜。航天應(yīng)用1.電子元器件組件的溫控2.熱能儲存在電子組件的溫控中，相變材料儲存和釋放能量的過程可以推廣到熱環(huán)境發(fā)生變化的航

11、天器上。例如一個(gè)沿著地球軌道飛行的衛(wèi)星，會遇到出入地球陰影發(fā)生強(qiáng)烈變化的周期性熱環(huán)境，在這種情況下，可用相變材料將太陽能儲存起來，阻尼軌道周期中產(chǎn)生大的溫度變化。例如一個(gè)載人艙，在整個(gè)軌道中要求兒乎等溫的條件，可用一層相變材料包絡(luò)整個(gè)載人艙，吸收或釋放軌道中太陽能，為艙內(nèi)提供一個(gè)接近相變材料熔點(diǎn)的等溫條件。在無大氣的行星或月球上著陸的航天器也會遇到強(qiáng)烈變化的熱環(huán)境。由于星體的自轉(zhuǎn)，存在著白天和黑夜，又由于沒有空氣調(diào)節(jié)，白天黑夜溫差很大。著陸的航天器用相變材料屏蔽起來，白天儲存太陽能，夜間放出能量用于保溫，可使艙內(nèi)人員和設(shè)備正常工作。3.長距離溫控實(shí)現(xiàn)長距離溫控，可用熱管將熱源與中心相變材料溫控

12、系統(tǒng)連結(jié)起來，遠(yuǎn)距離的熱源發(fā)出的熱通過熱管被相變材料吸收，這部分熱又可用于其他部件的溫控。這種將廢熱又轉(zhuǎn)變成有用能量的措施，對長距離空間航程是很有價(jià)值的。4.精密儀器溫控對于溫度范圍要求很嚴(yán)格的高敏感儀器，如制導(dǎo)和控制儀器中的導(dǎo)航陀螺，其溫度精度必須維持在0.5k以內(nèi)，才能保證正常工作。采用相變材料進(jìn)行溫控可使這些儀器溫度維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。5.孤立元件溫控裝在天線、航天器外邊的帆板彬條上以及輻射器上的儀器，在結(jié)構(gòu)上遠(yuǎn)離主航天器，對這些儀器或元件采取主動溫控往往是不可能的或者是很困難的。采用相變材料對這些部件進(jìn)行溫控則是很有效的。并且使主飛行器和這些部件之間避免了使用熱管、接熱片等，可大大

13、減輕重量并增加可靠性。相變材料種類及優(yōu)缺點(diǎn)比較：目前相變儲能材料的復(fù)合方法有以下幾種:膠囊型相變材料、與高分子材料復(fù)合制備定形相變材料、將相變材料吸附到多孔基質(zhì)中相變儲能材料使用存在的問題：耐久性、經(jīng)濟(jì)性、儲能密度耐久性問題。首先,相變材料在循環(huán)相變過程中熱物理性質(zhì)的退化。其次,相變材料從基體材料中泄露出來,表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜。再則,相變材料對基體材料的作用,在相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞相變貯熱材料,尤其有機(jī)相變材料,往往存在熱導(dǎo)率較低,導(dǎo)熱性較差之不足；為解決固液相變材料液相泄露和無機(jī)鹽對容器的腐蝕問題,把固液相變材料封閉在球形的膠囊中,Hawlader等以石蠟為相變材料,以

14、阿拉伯膠囊體材料,制備了定形相變貯熱材料；復(fù)合型相變貯熱材料,相變溫度可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié),兼具有無機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料的種種優(yōu)點(diǎn),受到廣泛的關(guān)注。理想的固-液相變材料應(yīng)具有以下性質(zhì):(1)熔化潛熱高,從而在相變中能貯能或放出較多的熱量;(2)相變溫度適當(dāng),能滿足需要;(3)固-液相變的可逆性好,能盡量避免過冷或過熱現(xiàn)象;(4)固-液兩相導(dǎo)熱系數(shù)大;(5)固-液相變過程有較小的膨脹收縮性;(6)相變材料的密度大,比熱容大;(7)無毒,無腐蝕性;(8)成本低,制造方便。目前國內(nèi)外研制的固-液相變材料主要有:(1)無機(jī)水合鹽。這類材料熔化熱大,導(dǎo)熱系數(shù)高,相變時(shí)體積變化小。但由于它們的結(jié)晶水模數(shù)

15、在相變中有變化,使得相變的可逆性變差,有過冷范圍且有腐蝕性。(2)有機(jī)物。用作固-液相變的有機(jī)物常是一些醇、酸、高級烷烴等,由于官能團(tuán)不同,它們在性質(zhì)上相差很大。有些材料具有合適的相變溫度和較高的潛熱,并且無毒、無腐蝕性。但有些材料在高溫或強(qiáng)氧化劑存在時(shí)會燃燒、分解等,因此要加以選擇,以確保安全。與顯熱儲能相比,相變儲能具有儲能密度高、體積小巧、溫度控制恒定、節(jié)能效果顯著、相變溫度選擇范圍寬、易于控制等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、太陽能利用、采暖和空調(diào)、供電系統(tǒng)優(yōu)化、醫(yī)學(xué)工程、軍事工程、蓄熱建筑等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。從材料的化學(xué)組成來看,可分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和混合相變材料

16、三類。無機(jī)相變材料包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等無機(jī)物;有機(jī)相變材料包括石蠟、羧酸、酯、多元醇等有機(jī)物;混合相變材料主要是有機(jī)和無機(jī)共融相變材料的混合物。通常,相變材料是由多組分構(gòu)成的,包括主儲劑、相變點(diǎn)調(diào)整劑、防過劑、防相分離劑、相變促進(jìn)劑組分。而有機(jī)物相變材料則相變潛熱低,而且易揮發(fā)、易燃燒、價(jià)格昂貴。作為相變材料,應(yīng)滿足的要求有:合乎需要的相變溫度;足夠大的相變潛熱;性能穩(wěn)定,可反復(fù)使用;相變時(shí)的膨脹收縮性小;導(dǎo)熱性好,相變速度快;相變可逆性好,原料廉價(jià)易得等。固-液相變材料主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,但是存在過冷和相分離現(xiàn)象,從而導(dǎo)致儲能不理想;易產(chǎn)生泄漏問題,污染環(huán)境;腐蝕性較大,封裝容

17、器價(jià)格高等缺點(diǎn)5。與固-液相變材料相比,固-固相變材料具有不少優(yōu)點(diǎn)。可以直接加工成型,不需容器盛裝;固-固相變材料膨脹系數(shù)較小,相變時(shí)體積變化較小;不存在過冷和相分離現(xiàn)象,不需要加入防過冷劑和防相分離劑;毒性很低,腐蝕性很小;無泄漏問題,對環(huán)境不產(chǎn)生污染;組成穩(wěn)定,相變可逆性好,使用壽命長;裝置簡單,使用方便。固-固相變材料主要缺點(diǎn)是相變潛熱較低,價(jià)格較高。無機(jī)物相變材料一般具有腐蝕性、存在過冷和相分離的缺點(diǎn)，而有機(jī)物相變材料則存在導(dǎo)熱系數(shù)低、部分有機(jī)物相變材料還存在性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)有機(jī)相變材料具有相變溫度適應(yīng)性好、相變潛熱大、理化性能穩(wěn)定、在固態(tài)時(shí)成型性較好等諸多優(yōu)點(diǎn)；但是有機(jī)相變材料導(dǎo)熱性

18、能較低,密度小,相變過程中體積變化大,并且有機(jī)物熔點(diǎn)較低,不宜在高溫場所中應(yīng)用,且易揮發(fā),易燃無機(jī)物主要包括高溫熔融鹽、部分堿及混合鹽。高溫熔融鹽主要有氟化鹽、氯化鹽、硝酸鹽、硫酸鹽等,它們具有較高的相變溫度,從幾百攝氏度至幾千攝度,因而相變潛熱較大。堿的比熱高,熔化熱大,穩(wěn)定性好,在高溫下蒸汽壓力很低,且價(jià)格便宜,是一種較好的中高溫儲能物質(zhì)?；旌消}熔化熱大,熔化時(shí)體積變化小,傳熱較好,最大的優(yōu)點(diǎn)是物質(zhì)的熔融溫度可調(diào),可以根據(jù)需要把不同的鹽配制成相變溫度從幾百攝氏度至上千攝氏度的儲能材料。無機(jī)物類相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)也較低,而且還存在與容器的相容性問題,金屬及其合金導(dǎo)熱系數(shù)高,相變潛熱大但是金屬

19、相變材料的相變溫度都比較高,且硅鋁合金相變儲熱材料的缺陷在于合金處于高溫液態(tài)時(shí)化學(xué)活性比較強(qiáng),容易與容器發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所以樣品與容器的相容性問題成為硅鋁合金相變儲熱材料應(yīng)用的關(guān)鍵。相變儲能材料的導(dǎo)熱強(qiáng)化，克服單純相變儲能材料存在的導(dǎo)熱系數(shù)低,有腐蝕性等缺點(diǎn)。與金屬復(fù)合的相變復(fù)合材料、與陶瓷復(fù)合的相變復(fù)合材料和與碳質(zhì)納米材料復(fù)合的相變復(fù)合材料。金屬基主要包括鋁基(泡沫鋁)和鎳基等,相變儲能材料主要包括各類熔融鹽和堿。金屬作為強(qiáng)化材料可以提高材料的導(dǎo)熱性能,但是金屬在高溫下化學(xué)活性比較強(qiáng),容易與容器發(fā)生反應(yīng),并且成本比較高,所以只能用于特殊的用途。與陶瓷復(fù)合提高相變儲能復(fù)合材料導(dǎo)熱性能陶瓷基相變儲

20、能復(fù)合材料主要是將相變材料分布于陶瓷基體的超微多孔網(wǎng)絡(luò)中,相變材料受熱熔化時(shí)吸收潛熱,而液態(tài)相變材料受陶瓷基體毛細(xì)張力的作用不會流出,從而使相變前后維持復(fù)合材料原來的形狀。主要優(yōu)點(diǎn)有:可供選擇的無機(jī)鹽種類多;可同時(shí)利用顯熱和潛熱,蓄熱密度大;無需封裝,不存在腐蝕問題;不存在過冷和相分離的問題。無機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合相變儲能材料15具有獨(dú)特的蓄熱性能和機(jī)械性能,可用于工業(yè)余熱回收、太陽能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域,目前備受關(guān)注的是Glück A16等和張仁元17等研究的用無機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合儲能材料代替工業(yè)窯爐中的顯熱耐火磚和用于空間站太陽能發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱器。微/納米膠囊相變材料的應(yīng)用3.1建筑領(lǐng)域在

21、建筑材料中添加PCM的一種成功的方法就是將MCPCM混入磚瓦、墻板、天花板、地板等建筑結(jié)構(gòu)材料中進(jìn)行太陽能貯存20,21。白天接受太陽輻射，吸收太陽能，夜間釋放出來以保持室內(nèi)溫度，減少室內(nèi)溫度波動，使室內(nèi)保持良好的熱舒適，減少空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量，轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷。在沙漠和溫差較大的地區(qū)特別有效。3.2紡織服裝領(lǐng)域?qū)CPCM與普通纖維共混后熔融紡絲制備可調(diào)溫纖維，或者也可直接進(jìn)行織物涂層整理22，23。其用途有很多方面，例如，相變材料微膠囊可應(yīng)用在民用服裝如運(yùn)動服裝上。運(yùn)動員在進(jìn)行劇烈的運(yùn)動時(shí)，會產(chǎn)生大量的熱量，體內(nèi)的微氣候的溫度急劇升高，從而人體的溫度也急劇升高。在運(yùn)動服裝上應(yīng)用相變材料微膠囊，

22、可以利用相變材料微膠囊吸收存儲和重新釋放身體的熱量，避免身體過熱與發(fā)冷，使身體始終保持較舒適的狀態(tài)。蓄熱調(diào)溫紡織品還可應(yīng)用于職業(yè)服裝如消防服、野戰(zhàn)服、冷庫工作服、潛水服飛行服等以及室內(nèi)裝飾、床上用品和睡袋方面。此外，還可具有醫(yī)療用途24，涂層織物用于手術(shù)服，可防止液體透過，防止部分細(xì)菌感染。蓄熱調(diào)溫織物用做醫(yī)用恒溫繃帶，可防止局部溫度過高，防止出汗引起傷口感染，影響傷口愈合，也可防止凍傷。還可用于燒傷病人服裝。3.3軍事領(lǐng)域MCPCM還可用于軍事紅外線偽裝領(lǐng)域25。將MCPCM分散在基質(zhì)中以涂料或遮障的形式用于軍事目標(biāo)上，通過改變、調(diào)節(jié)相變物質(zhì)的含量、組成等，使其盡可能吸收目標(biāo)放出的熱量，使得

23、軍事目標(biāo)的溫度與周圍環(huán)境的溫度保持相同，從而可以達(dá)到最佳的偽裝效果。3.4功能熱流體領(lǐng)域功能熱流體是指熱流體為連續(xù)相、其他添加劑(有相變或沒有相變)為分散相的多功能流體26。在傳熱流體中添加可發(fā)生相變（固液或固固相變的微膠囊是當(dāng)前功能熱流體研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。將相變材料包裹在微膠囊狀的殼體內(nèi)形成潛熱微封裝材料，并將其添加到液體工質(zhì)中，可提高熱流體的比熱容，從而起到強(qiáng)化傳熱的作用。在熱流體中添加納米膠囊相變材料并將得到的熱流體稱為功能納米相變熱流體。功能納米相變熱流體除保留微膠囊相變熱流體的優(yōu)點(diǎn)外，因相變材料在尺度上從微米級變?yōu)榧{米級，增大了表面積與體積的比率，從而提高了傳熱速率；此外，功能

24、熱流體的輸送泵功也將減小，并大大降低長時(shí)間運(yùn)行時(shí)粒子之間碰撞破壞的可能性，相變材料的相變效率也將提高。在MCPCM（微膠囊）中發(fā)生相變的物質(zhì)被封閉在球形膠囊中，從而可有效解決相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性等問題，有利于改善相變材料的應(yīng)用性能。納米膠囊相變材料(NCPCM)在保留微膠囊相變材料優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，因膠囊尺寸從微米級降為納米級，使膠囊表面積與體積的比率增大，有利于提高相變材料的傳熱速率；同時(shí)，在使用過程中還可大大降低長時(shí)間使用時(shí)粒子之間碰撞破壞的可能性。將石蠟與一熱塑彈性體SBS復(fù)合制備了在石蠟熔融狀態(tài)下仍能保持形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變蓄熱材料,復(fù)合材料保持了石蠟的相變特性,相變潛熱可高達(dá)純石

25、蠟潛熱的80%,在復(fù)合相變材料中加入膨脹石墨后,熱傳導(dǎo)性有了顯著提高,其放熱時(shí)間比純石蠟縮短了61%。組合相變材料為了得到合適相變溫度的相變材料，同時(shí)又能提高相變材料的導(dǎo)熱性能，可將現(xiàn)有的幾種相變材料采用一定的方法進(jìn)行組合，得到新的相變材料。相變材料的組合方式主要有2種：一種是沿傳熱流體流動方向分別放置相變溫度不同的2種或2種以上的相變材料儲熱單元；另一種是在同一儲熱單元內(nèi)或沿垂直于傳熱流體流動的方向上，合理組合放置相變溫度不同的2種或2種以上的相變材料。結(jié)果表明，采用組合相變材料，潛熱儲、放熱過程傳熱速率提高15。（1）儲能系統(tǒng)體積趨向于小巧和輕便，要求相變材料的儲能性能更高。這對于采取合適

26、的強(qiáng)化傳熱手段提出了更高的要求。（2）相變材料的可逆性和穩(wěn)定性還要進(jìn)一步提高。如相變材料在多次儲熱-放熱循環(huán)后儲能性能的劣化、相變材料和基體材料或添加物之間的相容性問題等。這不僅關(guān)系到相變材料的導(dǎo)熱性能，也關(guān)系到其使用壽命。（3）經(jīng)濟(jì)性問題，即材料成本問題。應(yīng)該在滿足使用的前提下尋找成本更低的相變材料，并在制備工藝和封裝技術(shù)等方面研究出更經(jīng)濟(jì)的方法，導(dǎo)熱增強(qiáng)方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較：金屬顆粒和翅片結(jié)構(gòu)由金屬構(gòu)成的翅片結(jié)構(gòu)能夠起到增加受迫對流進(jìn)而增強(qiáng)換熱的作用，Liu等5研究表明翅片結(jié)構(gòu)可以有效地增加熱傳導(dǎo)和自然對流，可以使熱導(dǎo)率增加67%，并分析了翅片大小和齒距對導(dǎo)熱的影響作用，提出減少寬度和翅距均可

27、以增加導(dǎo)熱性能；碳纖維碳纖維能與絕大多數(shù)相變材料相容，耐腐蝕能力較強(qiáng)，且纖維直徑很小，有利于在材料中均勻布置膨脹石墨膨脹石墨是以鱗片石墨為原料采用特殊工藝，使鱗片石墨沿層間方向膨化而成的產(chǎn)物。它既保留了天然鱗片石墨的導(dǎo)熱性好、無毒害等優(yōu)良性質(zhì),又具有天然鱗片石墨所沒有的吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性以及生物相容性等特征。在以石蠟為相變材料時(shí)多輔以膨脹石墨來提高其熱導(dǎo)率。有機(jī)相變材料成型性好、沒有過冷和相分離現(xiàn)象、性能穩(wěn)定、無毒性，但是有機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)小，相變過程中增加了儲能和釋能時(shí)間，降低了熱控系統(tǒng)的效率納米流體美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Choi等提出了納米流體的概念：即以一定的方式和比例在液體中

28、添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成新的強(qiáng)化傳熱工質(zhì)。納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增大的原因，一是固體顆粒的加入改變了基礎(chǔ)液體的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了混合物內(nèi)部的能量傳遞過程,使得導(dǎo)熱系數(shù)增大;二是納米粒子的小尺寸效應(yīng)，使得粒子與液體間有微對流現(xiàn)象存在,這種微對流增強(qiáng)了粒子與液體間的能量傳遞過程,增大了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)三種主要的強(qiáng)化傳熱方法，分別是泡沫金屬、金屬固體和金屬翅片、膨脹石墨泡沫金屬是一種內(nèi)部充滿氣泡的金屬制品，既有金屬特性又有氣泡特性。其重量減輕為其致密固體的1/21/50，且仍能保持致密固體的大部分強(qiáng)度，具有比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合相變材料的傳熱性能大大提高，但是儲能能力有所降低。并且指出

29、，如果與風(fēng)扇或制冷工質(zhì)回路等主動冷卻系統(tǒng)相結(jié)合，可以很好地解決高熱流密度、短時(shí)和間歇性大功率組件的溫控問題熱流方向與翅片方向一致即構(gòu)成并聯(lián)時(shí)，翅片能有效提高熱流方向的導(dǎo)熱能力。但是，當(dāng)翅片與熱流方向垂直時(shí)，填充在翅片間的相變材料構(gòu)成主要熱阻，有效導(dǎo)熱系數(shù)基本等于相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這時(shí)，翅片的強(qiáng)化泡沫金屬復(fù)合相變材料和膨脹石墨復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)性，結(jié)果表明，兩者都能明顯提高導(dǎo)熱效率，進(jìn)而縮短儲放熱時(shí)間，結(jié)果還顯示，泡沫金屬明顯優(yōu)于膨脹石墨。，電子設(shè)備能有效抗擊高的熱流、并且能保證操作的可靠性和穩(wěn)定性這種復(fù)合相變材料能大大提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和儲熱能力。并且發(fā)現(xiàn)泡沫石墨的孔徑大小和韌帶的厚度

30、對導(dǎo)熱系數(shù)和儲熱量也有影響，孔徑越小、韌帶越厚，結(jié)果導(dǎo)熱系數(shù)越高?？讖皆酱?、韌帶越薄，儲熱量越大。在選取提高導(dǎo)熱系數(shù)的添加物時(shí)，應(yīng)該滿足下面幾個(gè)條件：導(dǎo)熱系數(shù)高；物質(zhì)密度不能太高；材料應(yīng)該與相變材料相容；具有一定的耐腐蝕能力；價(jià)格相對便宜，易購得。在對各種強(qiáng)化傳熱方法回顧以后，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：1)添加金屬顆粒會顯著增加系統(tǒng)的總重量，并且分布不均勻容易造成傳熱不穩(wěn)定，整體效能較低，因此發(fā)展前途有限；2)加入碳纖維改善導(dǎo)熱性能是一種較先進(jìn)的方法，雖然碳纖維的技術(shù)加工存在一些困難，但物理和化學(xué)性能優(yōu)良，以后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究；3)膨脹石墨主要與高聚物(如石蠟)混合，多應(yīng)用于中高溫領(lǐng)域的性能改進(jìn)

31、，研究者對這方面的關(guān)注較多，技術(shù)已臻于完善；4)納米流體作為新型材料，性能優(yōu)越，而且還有許多新工質(zhì)及新工藝等待開發(fā)，考慮到其在低溫領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間，以后應(yīng)加大研究力度；5)泡沫金屬既有金屬特性又有氣泡特性，多種潛在的優(yōu)良特性還有待于開發(fā)，應(yīng)該對此做進(jìn)一步的深入研究。相變材料的利用A.太陽能供暖系統(tǒng)上的應(yīng)用相變儲熱材料用于儲熱具有環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項(xiàng)優(yōu)勢，非常適合于太陽能供暖系統(tǒng)儲熱，以替代傳統(tǒng)的取暖設(shè)備。組合式相變儲熱單元換熱器為方形結(jié)構(gòu)，主要由鋼板、折流板、高密度聚乙烯管組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3個(gè)區(qū)構(gòu)成，每個(gè)區(qū)內(nèi)都有幾十根高密度聚乙烯管，管外徑25mm，壁厚1.5mm，相變儲熱材料用石

32、蠟封裝在管內(nèi)，每根管內(nèi)都留有5%10%的空余空間，用來避免儲熱材料受熱膨脹將管脹裂。3個(gè)區(qū)內(nèi)的石蠟相變點(diǎn)溫度值是不相同的，沿高溫水流動方向依次降低，根據(jù)實(shí)際需要，各區(qū)之間相差2.55.5。每個(gè)區(qū)內(nèi)各有2塊折流板，用以增加流體的擾動，提高換熱效果，這種供暖系統(tǒng)在實(shí)際中已有應(yīng)用。B.太陽能熱水系統(tǒng)上的應(yīng)用C.熱泵干燥機(jī)組中的應(yīng)用D.工業(yè)加熱過程的應(yīng)用E.醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用相變貯熱材料在太空中的應(yīng)用日趨活躍,可用于太陽能熱動力發(fā)電、航天器儀器儀表的恒溫控制、艙外航天服等方面。許多醫(yī)療電子治療儀要求在恒溫條件下使用，這樣就需要利用溫控儲熱材料來調(diào)節(jié)，使儀器在允許的溫度內(nèi)工作。日本有專利報(bào)導(dǎo)用NaSO41

33、0H2O和MgSO47H2O的混合物作為相變材料用于儀器室的控溫，可使室溫保持在25左右。也可將特種儀器埋包在用相變材料制成的熱包中，來維持儀器使用的溫度。近年來國內(nèi)市場有種熱袋，相變材料是水合鹽，相變溫度55左右，利用一塊金屬片作為成核晶種材料，當(dāng)用手?jǐn)D壓金屬片時(shí)，使它的表面成為晶體生長中心，從而結(jié)晶放熱，再配備某些具有活血作用的中藥袋，從而達(dá)到理療的作用,對于治療類風(fēng)濕等疾病具有一定的療效。相變儲能復(fù)合材料在電子行業(yè)中的應(yīng)用近年來隨著電子設(shè)備向高速、小型、高功率等方向發(fā)展，集成電路的集成度、運(yùn)算速度和功率迅速提高，導(dǎo)致集成塊內(nèi)產(chǎn)生的熱量大幅度增加。如果集成塊產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，將使集成

34、塊的溫度急劇上升，影響其正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還可能造成集成塊燒壞。而如果在集成塊上應(yīng)用相變材料，可以有效緩解其過熱問題。因?yàn)橄嘧儾牧显谄浒l(fā)生相變過程中，在很小的溫升范圍內(nèi)，吸收大量熱量，從而降低其溫度上升幅度。相變材料的應(yīng)用：出現(xiàn)了一系列具有超高熱流密度、短時(shí)和間歇工作的大功率組件,如激光武器、行波管和機(jī)動飛行控制系統(tǒng)等.這類系統(tǒng)的短時(shí)峰值發(fā)熱量大大地超過了平均發(fā)熱量太陽能熱發(fā)電、工業(yè)熱利用及余熱回收、電力負(fù)荷調(diào)節(jié)等方面/，以及各種設(shè)備的溫控上面。近年來，相變材料作為一種輔助冷卻手段被廣泛應(yīng)用航天器和航空電子設(shè)備、個(gè)人計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)、手機(jī)等的熱控制。相變材料被動熱管理策略能用于瞬態(tài)

35、性或者周期性熱源的散熱。被選擇的相變材料熔點(diǎn)需低于設(shè)備允許最高工作溫度，理想的相變材料應(yīng)具有高的潛熱質(zhì)量比、顯熱質(zhì)量比、高的熱導(dǎo)率、相變時(shí)體積變化小的特點(diǎn)。A 裝有PCM的薄盤貼合在處理器或者處理器盒子上。使用于手機(jī)散熱，裝置體積小。能管理的熱量小，適用于小功率散熱。B 單純增大PCM容量，由于PCM熱導(dǎo)率低，其管理熱量的能力仍不能提高，必須在PCM中加肋片C 先加一個(gè)導(dǎo)熱的盤狀肋，再在其上面加一些針狀肋，這種結(jié)構(gòu)大大減小了暴露在空氣中的散熱面積。 相變材料的封裝結(jié)構(gòu)：利用相變材料熔化時(shí)吸收大量潛熱、凝固時(shí)放出大量潛熱的特性，由于相變熱控裝置只發(fā)生物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、無運(yùn)動部件且不消耗航天器能量、

36、可靠性高，特別適用于航天器內(nèi)周期性工作的大功率儀器設(shè)備或受周期性高熱流影響的設(shè)備的溫度控制?？捎糜谠虑蜍囬g斷性工作的電子設(shè)備，以保證月球車電子設(shè)備溫度維持恒定，不受月球外表面的溫度巨幅變化的影響，也不受月球車內(nèi)儀器的發(fā)熱變化的影響。 相變材料已成功應(yīng)用于航天器熱控領(lǐng)域，在行星登陸車上也有許多應(yīng)用。例如，在“阿波羅15號”飛船的月球車上，采用了三個(gè)相變材料裝置，第一個(gè)裝置是將相變材料與信號運(yùn)算器和電池相連，月球車出動執(zhí)行任務(wù)時(shí)，信號運(yùn)算器產(chǎn)生的熱量被相變材料吸收，使之熔化;月球車返回后，將相變材料儲存的熱量通過輻射器向空間發(fā)散，相變材料重新凝固，為下次出動執(zhí)行任務(wù)做好準(zhǔn)備。第二、第三個(gè)裝置將相變

37、材料分別與驅(qū)控電子組件和月球通訊繼電器連成一體。月球車出動時(shí)，后者產(chǎn)生的熱量由相變材料吸收，返回后通過百葉窗輻射器散熱，為再次工作做好準(zhǔn)備。另外，相變材料用來保持阿波羅登月中宇航服系統(tǒng)的溫度。美國03 /05火星漫游車也應(yīng)用了十二烷相變材料來控制鋰電池的溫度，該相變儲熱單元與可變熱導(dǎo)LHP組合使用，火星登陸車的電池裝在儲熱裝置中，通過相變材料的熔化、凝固維持電池的溫度水平川(見圖4)。常用的相變材料有石蠟類、非石蠟類有機(jī)物、水化鹽、熔鹽低熔共晶物等，由于一般相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，在0.1一1.0W/m"K量級之間，在相變過程中，低導(dǎo)熱系數(shù)會導(dǎo)致相變材料內(nèi)溫度梯度增加，傳熱速率小，熱

38、響應(yīng)速度慢，使得控溫對象溫度比設(shè)計(jì)高，相變熱控裝置性能低。因此，提高相變熱控裝里整體表觀導(dǎo)熱系數(shù)，提高裝里傳熱效率，是應(yīng)用相變材料熱控技術(shù)的關(guān)鍵。以往，改善相變材料導(dǎo)熱性能的辦法是，在相變材料中加人金屬、陶瓷材料和熱解石墨等導(dǎo)熱系數(shù)高的填料，填料通常有以下結(jié)構(gòu)形式:粉末、纖維、肋片及蜂窩。高導(dǎo)熱系數(shù)的填料的加人在一定程度上提高了相變材料的導(dǎo)熱性能，但也存在以下問題:1)、添加粉末、纖維填料會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加程度有限。例如，在石蠟中添加20%重量比的A1粉末，表觀導(dǎo)熱系數(shù)為0.48W/m"K，導(dǎo)熱系數(shù)增加了不到3倍(原石蠟導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/m"K);相變熱控裝置的溫度均勻

39、性難以保持。在相變材料中添加粉末、纖維填料，很難保證填料始終均勻分布在相變材料中，長期運(yùn)行會導(dǎo)致聚集、沉淀等不良后果，導(dǎo)致其強(qiáng)化傳熱性能逐漸降低，并使得相變熱控裝置的溫度均勻性變差;2)、添加肋片、蜂窩填料會導(dǎo)致相變材料的充裝性差。使用填料增加相變材料導(dǎo)熱性能，需保證相變材料的可充裝性。使用肋片、蜂窩填料時(shí)，由于每個(gè)肋片或蜂窩間沒有空隙，相變材料充裝時(shí)非常困難，只有采取打孔或預(yù)留空間等辦法解決，但會影響裝置的強(qiáng)度及傳熱性能，效果不好;肋片、蜂窩填料與相變熱控裝置殼體熱阻大。由于肋片、蜂窩墳料是由很薄的金屬片制成，無法用焊接工藝將它和殼體金屬板聯(lián)接，只能采用膠粘的方法，顯然，這將增加接觸熱阻，降

40、低裝置傳熱性能。 2002年，南京理工大學(xué)將高孔隙率通孔型泡沫鋁或泡沫石墨等材料用于相變儲熱單元，設(shè)計(jì)、制造了高傳熱性能的相變儲熱裝置(見圖5所示)，試驗(yàn)側(cè)試結(jié)果表明泡沫功能材料增加了相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了相變儲熱單元的傳熱性能，提高了相變熱控裝置的溫度均勻性、可充裝性及可靠性。例如，孔隙率為92 %的泡沫鋁與石蠟的組合表觀導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5W/m.K以上，導(dǎo)熱系數(shù)提高了30倍以上。而且，由于所采用的泡沫鋁為通孔型，且孔徑在4mm以上，相變材料很容易充滿整個(gè)裝置，不會產(chǎn)生死角，泡沫鋁相變熱控裝置充裝性能好。另外，由于泡沫鋁的孔隙率大(92%以上)，相變傳熱裝置使用的泡沫鋁重量輕，用于航天器或行星登陸車熱控將不會使相變裝置的重量及儲能量有太大變化40相變溫控的特點(diǎn)1.它屬于吸收型被動溫控，