相變材料（Phase Change Materials，簡(jiǎn)稱PCMs）是一種能夠通過相變過程實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放的功能材料。狹義上講，相變是物質(zhì)由一種聚集態(tài)或結(jié)構(gòu)形式向另一種聚集態(tài)或結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。因此，相變材料利用溫度或壓力變化吸收或釋放大量潛熱，從而有效調(diào)節(jié)溫度和電阻狀態(tài)。

相變儲(chǔ)能材料即利用自身相變潛熱的釋放或吸收，實(shí)現(xiàn)溫度控制和熱量?jī)?chǔ)存的一類材料，具有諸多應(yīng)用場(chǎng)景，然而PCMs存在易泄漏和導(dǎo)熱性差的問題，因而在實(shí)際使用過程中，還需進(jìn)行封裝來實(shí)現(xiàn)定型和強(qiáng)化傳熱，本文優(yōu)先闡述相變材料分類，后續(xù)文章綜述封裝工藝及方法：

01 

相變儲(chǔ)能材料分類：

PCMs作為SSPCMs中最核心的部分，決定了實(shí)際應(yīng)用中的使用場(chǎng)景。相變材料根據(jù)相變過程中物理狀態(tài)的變化，可分為以下幾類，其中，固-液相變材料由于具有更大的相變潛熱和更小的相變體積變化，是最常見的相變材料之一：

• 固-氣相變材料：潛熱高，但體積變化劇烈，應(yīng)用受到限制。

• 液-氣相變材料：潛熱高，但體積變化大，應(yīng)用受限。

• 固-液相變材料：體積變化小，易于封裝，是目前應(yīng)用最廣泛的相變材料。

• 固-固相變材料：體積變化小，但潛熱相對(duì)較低。

按照相變溫度可以分為高溫（相變溫度大于300℃）、中溫（相變溫度100~300℃）和低溫（相變溫度小于100℃）相變儲(chǔ)能材料。

根據(jù)化學(xué)組成來看，可以分為以下幾類：

• 無機(jī)相變材料：包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和金屬合金等。這類材料具有高導(dǎo)熱性、高儲(chǔ)能容量、成本低等優(yōu)勢(shì)，適用于中高溫應(yīng)用。價(jià)格低廉，但易出現(xiàn)過冷和相分離問題，限制了其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用；金屬及其合金類無機(jī)PCMs導(dǎo)熱性好、儲(chǔ)能密度大、過冷度小，廣泛應(yīng)用在工業(yè)余熱回收、電力調(diào)峰和光伏利用領(lǐng)域。

• 有機(jī)相變材料：主要包括石蠟、羧酸、脂肪醇、多元醇以及高分子相變材料等，石蠟類PCMs化學(xué)式一般符合通式C_nH_2n+₂。這些材料物理化學(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)，可在高溫下適配除塑料以外的所有載體；缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率低、成本高、易燃，并且對(duì)材料存在輕微腐蝕性。

  
  

復(fù)合相變材料：結(jié)合了有機(jī)和無機(jī)相變材料的優(yōu)點(diǎn)，旨在克服單一材料的不足，主要分類如下。

（1）結(jié)晶水合鹽

• 材料通式：A_xB_y?n(H₂O)

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：具備導(dǎo)熱系數(shù)大、溶解熱高、儲(chǔ)熱密度高、潛熱大，性價(jià)比高等

• 儲(chǔ)熱不足：過冷結(jié)晶和無機(jī)水合鹽析出

（2）熔融鹽類

• 材料通式：M_xA_y

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：高儲(chǔ)熱密度、高導(dǎo)熱系數(shù)、寬工作溫度范圍、相變溫度較高，適用于高溫范圍內(nèi)的儲(chǔ)能和控溫

• 儲(chǔ)熱不足：易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象

（3）金屬合金

• 材料通式：M，M-Me

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)高、儲(chǔ)熱密度高、體積變化小，性價(jià)比高、毒性低

• 儲(chǔ)熱不足：因比熱容較小，在熱過載下溫度波動(dòng)大，影響容器壽命

（4）石蠟

• 材料通式：C_n，C_nH_2n+2

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：潛熱較高，性價(jià)比高、無過冷、無腐蝕性等特點(diǎn)

• 儲(chǔ)熱不足：導(dǎo)熱系數(shù)小、儲(chǔ)熱密度較低

（5）脂肪酸

• 材料通式：C_nH_2n+2O₂

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：潛熱較高，性價(jià)比高、無過冷、無腐蝕性等特點(diǎn)

• 儲(chǔ)熱不足：導(dǎo)熱系數(shù)小、儲(chǔ)熱密度較低

（6）多元醇類

• 材料通式： C_n(H₂O)_m

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：潛熱較高、固固變化時(shí)體積變化小、過冷度輕、無泄漏、循環(huán)使用周期長(zhǎng)

• 儲(chǔ)熱不足：導(dǎo)熱性差、易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象

（7）交聯(lián)高密度聚乙烯

• 材料通式：(-CH₂-CH₂-)_n
  

• 儲(chǔ)熱優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、無過冷和層析現(xiàn)象、便于加工

• 儲(chǔ)熱不足：相變溫度范圍有限

復(fù)合PCMs的優(yōu)點(diǎn)：

• 導(dǎo)熱性顯著提高：金屬泡沫和碳材料泡沫的使用，可以使PCMs的導(dǎo)熱性提高數(shù)倍甚至數(shù)百倍。

• 熔化和凝固速度更快：導(dǎo)熱性提高，加速了熱傳遞過程。

• 溫度分布更均勻：導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，使得PCMs內(nèi)部溫度梯度減小。

• 形狀穩(wěn)定性好：多孔結(jié)構(gòu)的支撐作用，可以有效防止PCMs泄漏。

02 

相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用：

PCMs憑借其獨(dú)特的熱物理特性，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景：

在建筑節(jié)能中，PCMs可集成于墻體和地板，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，降低能耗。

在冷鏈物流中，它們用于冷鏈包裝和冷藏集裝箱，保持貨物低溫環(huán)境。

在電子設(shè)備熱管理中，PCMs可用于芯片散熱和鋰電池?zé)峁芾恚岣咴O(shè)備可靠性和壽命。

在航空航天領(lǐng)域，PCMs可用于航天器熱控系統(tǒng)，保障設(shè)備正常運(yùn)行；

在醫(yī)療領(lǐng)域，它們用于醫(yī)療冷敷包和恒溫箱，提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

此外，PCMs還可應(yīng)用于太陽(yáng)能利用（提高太陽(yáng)能利用效率）、工業(yè)余熱回收（回收工業(yè)余熱）和智能調(diào)溫紡織品（提供舒適的溫度環(huán)境）等等。PCMs的應(yīng)用正在不斷拓展，為節(jié)能減排和提高能源利用效率提供重要支持。