相变材料种类及优缺点比较

非直接接触为了提高热导率，相变材料装在浅而大的盘状容器中；也可以将PCM装入有导热流体包围的小圆柱管中；或者是壳管换热器的壳中。部分填充PCM的蜂窝结构，以及将PCM置于球状的塑料容器中（即相变胶囊），很好的解决了相变时体积变化导致泄漏、导热面积减小引起热阻增大的问题。组合相变材料直接接触的换热器固—固相变材料水和盐与不溶流体的使用，扰动解决了PCM的过冷和相隔离的问题，而且微/纳胶囊较大的面积/体积比，使得导热率加强。材料在固态、液态、气态中发生转变的过程叫做相变。材料在相变过程中，会放热或者吸热，而物体会维持恒温。而这种特性为我们热控制带来了福音。相变材料是由多组分构成的,包括主储剂、相变点调整剂、防过剂、防相分离剂、相变促进剂组分。相变材料的分类：按照其相变过程可分为固——固相变、固——液相变、固——气相变和液——气相变材料四种，目前应用较多的是固——液相变材料。按照其化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。无机相变材料包括结晶水合盐（可逆性不好）、熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。（多种相变材料混合可以获得合适的相变温度）三种各自的特点存在的问题：过冷、相分离、相变时体积变化、腐蚀容器、液相泄露；有机相变材料熔点低，易燃、导热率低。近年来出现的产品：为解决固液相变时泄露和腐蚀，产生了胶囊相变材料，为增加表面积/体积比，微/纳米胶囊相变材料及其应用；定型相变材料综合了是将相变材料与高分子材料复合，既避免固-固相变材料潜热低的问题，又回避了固——液相变材料液体泄露的问题；金属泡沫相变材料等相变材料,应满足的要求有:合乎需要的相变温度;足够大的相变潜热;性能稳定,可反复使用;相变时的膨胀收缩性小;导热性好,相变速度快;相变可逆性好,原料廉价易得等。改善相变材料导热性能的办法是，在相变材料中加人金属、陶瓷材料和热解石墨等导热系数高的填料，填料通常有以下结构形式:粉末、纤维、肋片及蜂窝；利用2种或者3种相变温度不同的材料按相变温度高低顺序进行放置，可得到合适的相变温度点，同时加快导热速度。1)、添加粉末、纤维填料会导致导热系数增加程度有限。例如，在石蜡中添加20%重量比的A1粉末，表观导热系数为0.48W/mK，导热系数增加了不到3倍(原石蜡导热系数为0.15W/mK);相变热控装置的温度均匀性难以保持。在相变材料中添加粉末、纤维填料，很难保证填料始终均匀分布在相变材料中，长期运行会导致聚集、沉淀等不良后果，导致其强化传热性能逐渐降低，并使得相变热控装置的温度均匀性变差;2)、添加肋片、蜂窝填料会导致相变材料的充装性差。使用填料增加相变材料导热性能，需保证相变材料的可充装性。使用肋片、蜂窝填料时，由于每个肋片或蜂窝间没有空隙，相变材料充装时非常困难，只有采取打孔或预留空间等办法解决，但会影响装置的强度及传热性能，效果不好;肋片、蜂窝填料与相变热控装置壳体热阻大。由于肋片、蜂窝坟料是由很薄的金属片制成，无法用焊接工艺将它和壳体金属板联接，只能采用胶粘的方法，显然，这将增加接触热阻，降低装置传热性能。2002年，南京理工大学将高孔隙率通孔型泡沫铝或泡沫石墨等材料用于相变储热单元，设计、制造了高传热性能的相变储热装置(见图5所示)，试验侧试结果表明泡沫功能材料增加了相变材料的导热系数，提高了相变储热单元的传热性能，提高了相变热控装置的温度均匀性、可充装性及可靠性。例如，孔隙率为92%的泡沫铝与石蜡的组合表观导热系数可达5W/m.K以上，导热系数提高了30倍以上。而且，由于所采用的泡沫铝为通孔型，且孔径在4mm以上，相变材料很容易充满整个装置，不会产生死角，泡沫铝相变热控装置充装性能好。另外，由于泡沫铝的孔隙率大(92%以上)，相变传热装置使用的泡沫铝重量轻，用于航天器或行星登陆车热控将不会使相变装置的重量及储能量有太大变化[4]0应用和封装方面的总结（民用产品的启示，包括封装结构和预冷预热等）:储能利用，如用在建筑、太阳能热水器、工业废热利用、太阳帆板电池、功能工质、医用暖片作为散热器的中间部分，缓冲散热：1.对周期性的，间断性的大功率热载荷可以减小散热面2.与主动热控的强制对流、自然对流等措施结合（风扇排热或者液体工质散热），通过增加热容来增强热控系统的热控能力；若预先加热或者冷冻，可进一步提高其热控能力或者增加热控系统的安全系数。即能承担更大的热载荷。如大型电池的控温。3.与热管结合使用，可将某一部分的废热用来控制其他部分的温度水平恒温控制:由于相变时温度维持在相变点，可实现对对温度敏感的电子元器件的精确控温航天服军事上隐身：通过隐藏设备温度，改变红外光谱，而起到隐形或者隐身的作用。相变材料应用于航天领域利用相变材料熔化时吸收大量潜热、凝固时放出大量潜热的特性，由于相变热控装置只发生物理状态的转变、无运动部件且不消耗航天器能量、可靠性高，特别适用于航天器内周期性工作的大功率仪器设备或受周期性高热流影响的设备的温度控制。可用于月球车间断性工作的电子设备，以保证月球车电子设备温度维持恒定，不受月球外表面的温度巨幅变化的影响，也不受月球车内仪器的发热变化的影响。相变材料已成功应用于航天器热控领域，在行星登陆车上也有许多应用。例如，在“阿波罗15号”飞船的月球车上，采用了三个相变材料装置，第一个装置是将相变材料与信号运算器和电池相连，月球车出动执行任务时，信号运算器产生的热量被相变材料吸收，使之熔化;月球车返回后，将相变材料储存的热量通过辐射器向空间发散，相变材料重新凝固，为下次出动执行任务做好准备。第二、第三个装置将相变材料分别与驱控电子组件和月球通讯继电器连成一体。月球车出动时，后者产生的热量由相变材料吸收，返回后通过百叶窗辐射器散热，为再次工作做好准备。另外，相变材料用来保持阿波罗登月中宇航服系统的温度。美国03/05火星漫游车也应用了十二烷相变材料来控制锂电池的温度，该相变储热单元与可变热导LHP组合使用，火星登陆车的电池装在储热装置中，通过相变材料的熔化、凝固维持电池的温度水平川(见图4)。相变控温的特点1.它属于吸收型被动温控，与常规散热型有很大的不同。它不靠温差散热，因此不受外界环境温度变化的影响，使元件或设备始终稳定在需要的温度上。尤其在大功率密度和要求低的平衡温度时，是常规散热无法解决的难题，而采用相变温控可迎刃而解。在低气压或真空条件下需要散热的设备采用这种温控技术效果更好。2.与主动温控比较，它不用电，没有运动部件，可用于振动、冲击、加速度等恶劣的力学条件下工作，可靠性很高。3.在一定条件下，它可取代水冷和风冷进行散热，如对半导体致冷器件的热端温控，不用水冷或风冷，节水节电，具有较大的经济价值。4.它在低温条件下(如一40℃)工作，它还储存热能，可使设备以极大的速率恢复到正常的工作温度。5.它能周期性工作，长久使用。6.在低的平衡温度条件下，它比热沉法散热器体积可缩小2.6倍左右;重量可减轻4.5倍左右。7.工艺较复杂。航天应用1.电子元器件组件的温控2.热能储存在电子组件的温控中，相变材料储存和释放能量的过程可以推广到热环境发生变化的航天器上。例如一个沿着地球轨道飞行的卫星，会遇到出入地球阴影发生强烈变化的周期性热环境，在这种情况下，可用相变材料将太阳能储存起来，阻尼轨道周期中产生大的温度变化。例如一个载人舱，在整个轨道中要求儿乎等温的条件，可用一层相变材料包络整个载人舱，吸收或释放轨道中太阳能，为舱内提供一个接近相变材料熔点的等温条件。在无大气的行星或月球上着陆的航天器也会遇到强烈变化的热环境。由于星体的自转，存在着白天和黑夜，又由于没有空气调节，白天黑夜温差很大。着陆的航天器用相变材料屏蔽起来，白天储存太阳能，夜间放出能量用于保温，可使舱内人员和设备正常工作。3.长距离温控实现长距离温控，可用热管将热源与中心相变材料温控系统连结起来，远距离的热源发出的热通过热管被相变材料吸收，这部分热又可用于其他部件的温控。这种将废热又转变成有用能量的措施，对长距离空间航程是很有价值的。4.精密仪器温控对于温度范围要求很严格的高敏感仪器，如制导和控制仪器中的导航陀螺，其温度精度必须维持在0.5k以内，才能保证正常工作。采用相变材料进行温控可使这些仪器温度维持在一个很小的范围内。5.孤立元件温控装在天线、航天器外边的帆板彬条上以及辐射器上的仪器，在结构上远离主航天器，对这些仪器或元件采取主动温控往往是不可能的或者是很困难的。采用相变材料对这些部件进行温控则是很有效的。并且使主飞行器和这些部件之间避免了使用热管、接热片等，可大大减轻重量并增加可靠性。相变材料种类及优缺点比较：目前相变储能材料的复合方法有以下几种:胶囊型相变材料、与高分子材料复合制备定形相变材料、将相变材料吸附到多孔基质中相变储能材料使用存在的问题：耐久性、经济性、储能密度耐久性问题。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次,相变材料从基体材料中泄露出来,表现为在材料表面结霜。再则,相变材料对基体材料的作用,在相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏相变贮热材料,尤其有机相变材料,往往存在热导率较低,导热性较差之不足；为解决固液相变材料液相泄露和无机盐对容器的腐蚀问题,把固液相变材料封闭在球形的胶囊中,Hawlader等以石蜡为相变材料,以阿拉伯胶囊体材料,制备了定形相变贮热材料；复合型相变贮热材料,相变温度可以根据需要来调节,兼具有无机相变材料和有机相变材料的种种优点,受到广泛的关注。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,比热容大;(7)无毒,无腐蚀性;(8)成本低,制造方便。目前国内外研制的固-液相变材料主要有:(1)无机水合盐。这类材料熔化热大,导热系数高,相变时体积变化小。但由于它们的结晶水模数在相变中有变化,使得相变的可逆性变差,有过冷范围且有腐蚀性。(2)有机物。用作固-液相变的有机物常是一些醇、酸、高级烷烃等,由于官能团不同,它们在性质上相差很大。有些材料具有合适的相变温度和较高的潜热,并且无毒、无腐蚀性。但有些材料在高温或强氧化剂存在时会燃烧、分解等,因此要加以选择,以确保安全。与显热储能相比,相变储能具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点,在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。从材料的化学组成来看,可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。通常,相变材料是由多组分构成的,包括主储剂、相变点调整剂、防过剂、防相分离剂、相变促进剂组分。而有机物相变材料则相变潜热低,而且易挥发、易燃烧、价格昂贵。作为相变材料,应满足的要求有:合乎需要的相变温度;足够大的相变潜热;性能稳定,可反复使用;相变时的膨胀收缩性小;导热性好,相变速度快;相变可逆性好,原料廉价易得等。固-液相变材料主要优点是价格便宜,但是存在过冷和相分离现象,从而导致储能不理想;易产生泄漏问题,污染环境;腐蚀性较大,封装容器价格高等缺点[5]。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和防相分离剂;毒性很低,腐蚀性很小;无泄漏问题,对环境不产生污染;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较低,价格较高。无机物相变材料一般具有腐蚀性、存在过冷和相分离的缺点，而有机物相变材料则