相变材料的基本概念及应用
相变材料的基本概念
相变材料（Phase Change Material,PCM）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。材料由固态向液态或液态向固态转变时发生热能转变，称为相变。传统固态或液态蓄热材料随着吸热而温度上升，但相变材料吸收热量和释放热量时温度保持恒定。相变材料按化学成分可分为无机相变材料及有机相变材料。无机类相变材料具有较高的熔解热、固定的熔点、导热系数高、相变时体积变化小等优点，主要用于中低温相变材料。但一般盐型的无机类相变材料循环使用时易发生“过冷”和“相分离”现象。有机类相变材料不易发生“过冷”及“相分离”现象，具有腐蚀性较小、性能稳定、固体成型较好、价格便宜等优点，但存在着导热系数低、材料密度小、易挥发、损耗大、单位体积储热能力差、价格较高、存在可燃性等缺陷，从而会降低储热系统效能及限制其应用。为弥补无机或有机类相变材料单独使用的缺点，达到最佳的应用效果，可制成有机／无机复合相变材料进行使用。
相变材料应用于墙体中的技术方法
相变材料与传统墙体材料复合可制成具有蓄热和调温功能的新型墙体材料，可减少室内温度的波动，提高舒适度，并降低建筑物采暖、制冷所需能耗。将相变材料引入建筑材料或建筑构件中的常用方法有以下几种：
1．直接浸渍法
直接将相变材料渗入多孔的基体中。这种方法的优点是便于控制加入量，制作工艺简单，但相变物质泄漏对基体可能有腐蚀作用。丁四醇四硬脂酸酯与水泥、石膏的复合相变材料就可以用直接掺入法。这些材料可以用来提高舒适度，减少建筑物的能耗，甚至减少的墙板重量，但对相变材料和基体材料的相容性问题仍需进一步研究。
2．微胶囊技术
利用微胶囊技术将特定相变温度范围的相变材料，通过物理或化学方法用高聚物封装形成直径为0.1m～100m的颗粒，作为热的传递介质，应用于建筑材料，见图12-1。相变过程中，封装膜内的相变材料发生固-液相变，外层的高分子膜始终保持固态，因此用高分子膜封装的相变材料在宏观上始终为固态。作为壁材的胶囊壳体不能和墙体材料发生化学反应，胶囊化的相变材料避免了作为芯材的相变材料的外泄。但这种技术将大大增加材料的成本，制约了相变建筑材料的推广应用。
图12-1 微胶囊相变材料封装在轻型建筑板材中
3．定形相变材料的制备
面层均为混凝土，中间夹入不同厚度的相变储能材料成为定形相变材料。定形相变材料越厚，墙体内表面温度随外界温度变化幅度越小，能够有效降低室内空调设备的能耗；定形相变材料厚度一定时，不同的定形相变材料结构和布局对墙体内表面温度波动情况影响较小，能耗差别不大。图12-2为将固-液相变材料石蜡与支撑材料如高密度聚乙烯组合密封后形成定形相变材料应用于墙体中，没有发现石蜡泄露的现象，通过调节石蜡的混合比从而调节相变温度，可满足不同地区建筑物的储能要求。
图12-2石蜡封装在高密度聚乙烯中
相变材料与建筑材料的结合工艺
结合制备工艺和实际情况，目前相变材料与建材基体的结合工艺，主要有以下三种方法。
(1)掺加能量微球法 即将相变材料密封后置入建筑材料中。近年来得到迅速发展的胶囊包封相变材料技术也属于这一种，即胶囊掺混法。
(2)浸泡法 即通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体(如石膏墙板、水泥混凝土试块等)。
(3)直接混合法 即将相变材料直接与建筑材料混合。如将相变材料吸入半流动性的硅石细粉中，然后掺入建材中。
浸泡法制备相变储能建筑材料的优点是工艺简单，可以使传统的建筑材料按要求变成相变建材。直接混合方法的优点在于结构简单，性质更均匀，更易于做成各种形状和大小的建筑构件，以满足不同的需要。但是这两种方法均存在易泄漏且性能不稳定等问题。
采用胶囊技术对相变材料进行封装，近年来得到了国内外专家们的广泛关注，相变材料做成胶囊再与建筑材料掺混有以下优点：
①可增大相变材料的比表面积和其热导率；
②相变过程在胶囊内完成，可极大地消除“相分离”现象；
③提高相变材料的稳定性，降低一些相变材料的毒性；
④提高相变材料的耐久性，增加其使用寿命；
⑤相变材料微胶囊便于封装，可满足绿色环保新型材料的要求；
⑥通过选择合适的相变材料微胶囊壁材料，可以避免相变材料与建筑材料的不相容性造成的对建筑材料热性能与承重能力的影响。
