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相变材料浅析

发表日期:2019年3月7日   人气:66   录入:admin

前言

相变材料(phase change material,简称PCM),是指在物质发生相变?#20445;?#21487;吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能,储热密度大,蓄热装置结构紧凑,并且在相变过程中本身温度基本不变,易于管理,随着全球节能意识的提高,相变材料的这一特性引起?#25628;?#31350;人员的重视,相变储热技术在储能领域越来越大放异彩。

材料技术特点简介

广义上的储热技术包括储热技术和储冷技术?#34903;鄭?#20854;?#20889;?#28909;技术包括显热储热和相变储?#21462;?#26174;热储热是利用材料自身的?#28909;?#23481;?#21019;?#23384;/释放热能,相变储热是利用相变材料PCM(phase change materials)发生相变时进行的吸/放热能量转化方式?#21019;?#23384;/释放热能。相变储热材料具有储热密度高、充放热过程中温度变化较小等优点,受到国内外学者的广泛关注。目前相变类储热材料主要有有机类、熔融盐类、合金类及复合类?#21462;?#20854;相变形?#34903;?#35201;有4种:固-固、固-液、固-气和液-气。

图表1 各类相变材料的特征区别

分类

优点

缺点

材料代表

在固体状态时成型性较好,一般不易出现过冷和相分离现象,并且对材料的腐蚀性较小,性能比较稳定,毒性小,成本低

导热系数小,导致对热量变化的响应速度慢,密度?#31995;停?#20648;能能力较小,并且有机物一般熔点?#31995;汀?#19981;适于高温场合

直链烷烃、脂肪酸、脂

肪醇、多元醇以及高分子相变材料、层状钙钛矿、高分子类聚合物等

一般应用于中高温领域,120~1000 ℃及以上。可以应用于小功率电站、太阳能发电、工业余热回收等方面。

 

一般由碱金属的氟化物、氯化物、硝酸盐、碳酸盐等组成

在中高温相变储热应用中,金属材料的储热性能占有明显的优势,且相变稳定性好、性价比高、使用寿命长

合金类相变储热材料密度较高和相变潜热?#31995;停?#23548;致其在对重量较敏感的储热领域关注度不高

合金类相变储热材料主要由单一金属或多种金属等组成的二元、三元或四元合金,

可实现相变材料的微封装以解决相变材料的相分离、导热性能差、储热密度不高以?#25353;?释热性能的结构优化等问题

但微胶囊在实现较好的封装效果的同时往往难以实现热性能的提高

 

数据来源:储能科学与技术

理想的固-液相变材料应具有以下性质:(1)熔化潜热高,从而在相变中能贮能或放出较多的热量;(2)相变温度适当,能满足需要;(3)固-液相变的可逆性好,能尽量避免过冷或过热现象;(4)固-液两相导热系数大;(5)固-液相变过程有较小的膨胀收缩性;(6)相变材料的密度大,?#28909;?#23481;大;(7)无毒,无腐蚀性;(8)成本低,制造方便。

与固-液相变材料相比,固-固相变材料具有不少优点。可以直接加工成型,不需容器盛装;固-固相变材料膨胀系数较小,相变时体积变化较小;不存在过冷和相分离现象,不需要加入防过冷剂?#22836;老?#20998;离剂;毒性很低,腐蚀性很小;无泄漏问题,对?#32938;?#19981;产生污染;组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长;装置简单,使用方便。固-固相变材料主要缺点是相变潜热?#31995;?价格较高。

-气相变及固-气相变由于在相变过程中伴随有大量气体的存在,?#20849;?#26009;体积变化较大,因?#21496;?#31649;它们有很大的相变热,但在?#23548;视?#29992;中很少被选用。

相变材料的应用领域

   相变储能材料的开发已逐步进入实用阶段,主要用于控制反应温?#21462;?#21033;用太阳能、储存工业反应中的余热?#22836;先取?#20302;温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系?#22330;?#39640;温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面。把它们注入纺织物,可制成保温性能好、重量轻的服装。?#37096;?#29992;于制作保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯。含有这种相变材料的沥青地面或水泥路面,可以防止道路、桥梁结冰。因此,它在工程保温材料、医疗保健产品、航空?#25945;?#22120;材、军事侦察、日常生活用品等方面具有广阔的应用前景。

(一)相变材料在医药行业中的应用

许多医?#39057;?#23376;治疗仪要求在恒温条件?#29575;?#29992;,这样就需要利用温控储热材料来调节,使仪器在?#24066;?#30340;温度内工作。日本有专利报导用NaSO410H2O和MgSO47H2O的混合物作为相变材料用于仪器室的控温,可使室温保持在25℃左右。?#37096;?#23558;特种仪器埋包在用相变材料制成的热包中,来维持仪器使用的温?#21462;?#36817;年来国内市场有种热袋,相变材料是水合盐,相变温度55℃左右,利用一块金属片作为成?#21496;?#31181;材料,当用手挤压金属片?#20445;?#20351;它的表面成为晶体生长中心,从而结晶放热,再配备某些具有?#38043;?#20316;用的中药袋,从而达到理疗的作用,对于治疗类风湿等疾病具有一定的疗效。 

(二)相变材料在数据存储方面的应用

很多材料都可以在熔融淬火下形成无定形态,但只有很少一部分材料是经光照后就会产生明显的区别,?#21019;?#26080;定形态转为结晶态。相变合金材料可以用来进行光学数据的存储。目前,利用第一性原理从头计算相变合金的特性,具有光学存储潜能的主要是锗锑碲的合金,如Ge1Sb2Te4。

2017年,由上海微系统与信息技术研究所所长宋志棠带领的科研团队在新型相变存储材料方面取得重大突破,创新提出一?#25351;?#36895;相变材料的设计思路,即以减小非晶相变薄膜内成核的随机性来实现相变材料的高速晶化。利用0.13um-COMS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦操作,循环寿命大于107次。相比传统Ge-Sb-Te器件,其操作功耗降低了90%,且十年的数据保持力相当。

(三)相变材料在可穿戴设备上的应用

有研究者让多位志愿者穿着两件外表相同的?#32435;潰?#24182;让他们在潮湿闷热的?#32938;?#20013;[(35±1)℃,相对湿度RH(55±6)%]进行45min的跑步运动,分别在低(5.0)、中高(7.5)?#22270;?#38480;(9.0)水平的运动能力下测?#28304;?#30528;含有多级PCM/ACC(相变材料和主动冷却组分,PCM 是通过商业购买的,熔点在26~32℃之间,熔融潜热在100~200J/g)的?#32435;?#23545;生理应变指数(PSI)的影响。结果发现,PSI=7.0~9.0之间的运动能力对含有PCM/ACC的?#32435;?#20855;有很大的提高,尤其对中高水平的运动能力来说,可以提高8%,且穿着含有相变材料?#32435;?#30340;志愿者,对感知热评级和感知舒适度评级相比于?#21019;?#30528;相变材料?#32435;?#26377;很明显的降低。

相变材料行业?#27835;?/FONT>

上个世纪70年代能源危机以来,相变储能的基础和应用研究在世界发达国?#24050;?#36895;崛起并得到不断发展。其研究和应用涉及材料学、太阳能、工程热物理、空调和采暖及厂业废热利用等领域。应该说相变储能理论是生长于上述诸多领域中 的新学科,它的发展经历了一个从无到有,从简单现象到深刻理论和应用的发?#26500;?#31243;。

国内相变储能材料的研究始于九十年代初,中国科学院广州化学所、中国科技大学、清华大学、华中理工大学、?#26412;┖教?#33322;空大学、重庆大学等多所大学和研究单位相?#38518;?#24320;了相变储能材料的开发和研究工作。但总的来说,我国相变储能材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱。目前政府和工业界对节能和温控材料及技术研究很重视,投入了大量的经费进行攻关。随着《中国制造2025》提升为国?#33402;?#30053;,《可再生能源发展“十三五”规划》等关键政策的出台,储能新材料已经列入国家重点专项规划,其发?#20849;?#20240;将明显提速。目前全国各地纷纷上马相变材料产业基地,开展产业集群竞争。

图表2 相变材料产业基地明细

属地

基地规模

产业特征

主导企业

?#23383;?/SPAN>

基地占地47亩,建设投资1.4亿元,达产后形成产值20亿元,创造利税3亿-6亿元

以微型储能单元、中大型储能单元、复合型储能单元为依托,以智能调温穿戴、相变储能供热系?#22330;?#30005;器及电子产品热管理、绿色恒温建筑及智能调?#24405;?#23621;为延展

?#26412;?#23431;田相变储能科技有限公司

韩城

一期占地230亩,总建筑面积为31.9万㎡,计划一期投资3亿元,建设6条生产线,年产6万吨道路相变调温材料,年产值可达60亿元

具有自动调节沥青路面温度的功能,可广泛用于高速公路建设

?#26412;?#31206;天科技集团

?#31383;?/SPAN>

项目总投资130亿元,一期投资43亿元,占地276亩,预计年产值45亿元,利税3亿元。

该项目建成后将年产10万片12英寸PCM相变存储芯片,

江苏时代芯存半导体有限公司

天津

生产能力达10万吨

用于电池恒温柜、相变空调等方面

?#26412;?#20013;瑞森新能源科技有限公司

合肥

日产500kg中高温储热材料中试生产线

日产500kg中高温储热材料中试生产线

中科院过程工程研究所

平度

投资7.9亿元建设新旧动能转换示范基地

高导热烯?#21363;?#33021;相变技术

中科院炭材料实验室

数据来源:滨投整理

总结

相变材料作为一种被动换能材料具备着节能、环保等显著优势,尤其利用其无源优势在多个领域展现作用。以目前产业发展的情况而言,处于起步阶段,技术的突破是带动产业发展的主要因素。而市场的竞争则较为间接,通常表?#27835;?#26032;型终端产品与传统功能产品的竞争,但该类竞争的革命性质将增大产业壮大的成功率。

目前国内相变材料并无明显的产业集群效应,主要受到其材料类型广泛、非终端产品特性影响,但?#26377;?#26448;料的产品性质而言,面对市场、面对能耗成本等需综合考量制造战略。

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