导热增强型相变材料研究进展

相变储能是一种集吸收、储存和释放能量的技术，这种技术中要用到的材料是相变储能材料。相变储能材料会在特定的温度节点发生相变，从一个相态转化为另一个相态的过程中会吸收或释放大量的能量。根据相变材料工作过程储存和释放能量的工作原理，可以解决能源在空间和时间上分配不均衡的问题，提高能源的利用率。由于有机固-液相变材料导热系数偏低，严重制约相变储能材料控温的效果，往往通过与基体材料或添加剂复合来增强相变材料的导热性能。

1 相变材料概述

1.1 相变储能材料蓄能原理

相变储能材料以有机类和无机盐类居多，从热力学的角度分析，相变储能材料的蓄热原理可以分为以下两种方式。（1）物理相变：变材料内部分子结构不发生改变，而是分子的排列方式发生改变。物理相变过程是通过分子间的振动频率来改变吸热、放热的状态，且这个过程是可逆的。（2）化学相变：相变材料内部分子发生键的断裂与重组，当键断裂时吸收大量能量，当键重组时放出大量能量。这个过程属于化学反应，也是可逆反应。

1.2 相变储热材料的导热过程

相变蓄热材料的热量传输过程是材料表面的原子吸收热能，并传递给相邻的原子，热能以共同振动波模式或声子到整个晶体，最后热量从材料其他表面通过热传导或热辐射的方式传递到周围环境。

2 复合相变材料导热能力增强的方式

2.1 采用不同结构强化导热

采用肋片、翅片等结构来增强导热能力，其原理是增加换热面积，提高换热系数，增强换热效果，进而提高相变材料的导热性能。

2.2 多孔介质吸附强化导热

多孔介质吸附是以泡沫金属、膨胀石墨、泡沫金刚石等材料为相变材料的载体，利用多孔基质材料内部孔隙小且孔隙率高的特点，通过微孔表面的张力和毛细作用力将液态相变材料吸附到内，形成多孔基相变储能材料。多孔材料的骨架结构可以增强导热、提高储能效率，成为增强相变材料的导热性能和复合相变材料的蓄放热速率的主流方法之一。

2.3 导热增强填料强化导热

由于有机固-液相变材料和多孔矿物载体的导热系数较低，国内外的研究中通过添加导热增强填料来增加相变储能材料的导热性能。常见的导热增强填料有碳基纳米材料（CNTs、碳纳米钎维、石墨、石墨烯等）、金属粉体（Fe、Cu、Al等）、金属氧化物（Al2O3，CuO）和金属纳米线（Ag、Cu纳米线）。

2.4 微胶囊强化导热

相变微胶囊由芯材与壁材组成，即使相变材料发生相变现象，壁材也能保证其不受外界因素的影响和干扰。微胶囊壁材具有大的比传热表面且可以加入一些高导材料，从而提高传热效率和热响应。

3 结语

相变储能材料具有可以解决能源在时间和空间上分布不均衡的问题，且制作方便、价格低廉，可以提高资源的利用率。相变材料在发展过程中也面临很多问题，如导热性能差、应用性差等问题。在实际应用中要协调好材料的整体性能，纳米粒子填料可以解决相变材料导热性差的问题，但添加大量的纳米粒子会影响相变材料的潜热，长期循环使用也会出现粒子沉积、分布不均匀等团聚现象，所以应协调好纳米粒子在相变材料中的比例，提高复合相变材料的整体性能，并开发出新型材料或相容性更高的填料是未来发展的趋势。