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中低温相变蓄热材料改性：策略、挑战与应用前景

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长，能源需求不断攀升，能源问题日益严峻。传统化石能源的大量消耗不仅导致资源逐渐枯竭，还引发了一系列环境问题，如温室气体排放、空气污染等，严重威胁着人类的生存和可持续发展。在此背景下，提高能源利用效率、开发和利用可再生能源以及寻求有效的能源存储和管理方式，成为解决能源危机和环境问题的关键。

相变蓄热技术作为一种高效的能源存储和利用方式，在提高能源利用率、缓解能源供需矛盾方面发挥着重要作用。相变蓄热是利用相变材料（PCM）在物态变化过程中吸收或释放大量潜热的特性来实现能量的存储和释放。与显热蓄热相比，相变蓄热具有蓄热密度大、温度波动小、储能效率高等优点，能够在能源的存储和利用过程中实现更高效的能量转换和管理。

相变蓄热技术在众多领域有着广泛的应用前景。在建筑节能领域，将相变材料应用于建筑围护结构中，如墙体、屋顶、地板等，可以有效调节室内温度，减少空调和供暖系统的能耗，提高建筑的能源效率和舒适度。在太阳能利用领域，相变蓄热技术可以与太阳能集热器相结合，将太阳能储存起来，供夜间或阴天使用，提高太阳能的利用效率和稳定性。在工业余热回收领域，相变蓄热材料能够将工业生产过程中产生的废热储存起来，并在需要时释放，实现废热的有效利用，降低工业生产的能源消耗。在冷链物流领域，相变蓄热材料可用于维持低温环境，确保货物在运输和储存过程中的质量和安全。

中低温相变蓄热材料（相变温度通常在-30℃至200℃之间）由于其适用范围广，与日常生活和许多工业生产过程的温度区间相匹配，在上述领域中得到了尤为广泛的关注和应用。然而，目前中低温相变蓄热材料在实际应用中仍面临一些问题，如相变材料的导热系数较低，导致热量的传递速度较慢，影响了蓄热和放热的效率；部分相变材料存在过冷现象，即在相变温度以下仍保持液态，不能及时释放潜热，降低了蓄热系统的可靠性；一些相变材料在反复相变过程中会发生相分离、体积变化等问题，导致其性能逐渐下降，使用寿命缩短。

为了解决这些问题，提高中低温相变蓄热材料的性能和实用性，对其进行改性研究具有重要的现实意义。通过对中低温相变蓄热材料进行改性，可以增强其导热性能，有效改善过冷现象，提高材料的稳定性和耐久性，从而拓展相变蓄热技术的应用范围，提升能源利用效率，为实现可持续发展提供有力的技术支持。此外，深入研究中低温相变蓄热材料的改性方法和机理，还能够丰富材料科学的理论体系，为新型高性能相变蓄热材料的研发奠定基础。

1.2中低温相变蓄热材料概述

中低温相变蓄热材料是指在-30℃至200℃温度区间内发生相变，并利用相变潜热进行热量存储和释放的一类功能材料。在该温度范围内，材料能够在固态-液态、固态-固态或液态-气态之间发生相转变，从而实现对热量的高效储存和利用。中低温相变蓄热材料广泛应用于建筑节能、太阳能利用、工业余热回收以及冷链物流等众多领域，对于提高能源利用效率、降低能源消耗和缓解能源供需矛盾具有重要意义。

根据化学组成和结构的不同，中低温相变蓄热材料主要可分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料三大类。

有机相变材料种类繁多，常见的有石蜡、脂肪酸及其盐类、醇类、酯类等。以石蜡为例，它是由多种正构烷烃混合而成，具有良好的化学稳定性和热稳定性，在多次相变循环过程中，其化学性质和物理性能变化较小，不易与其他物质发生化学反应，这使得它在实际应用中具有较高的可靠性。石蜡的相变潜热较大，一般在150-250J/g之间，能够存储较多的热量，而且其相变温度范围较宽，通过调整烷烃的组成和配比，可以制备出不同相变温度的石蜡，以满足不同应用场景的需求。此外，石蜡无毒、无腐蚀性，对环境友好，使用过程中不会对人体和周围环境造成危害。然而，有机相变材料也存在一些明显的缺点。其一，大多数有机相变材料的导热系数较低，一般在0.1-0.3W/(m?K)之间，这导致热量在材料中的传递速度较慢，在实际应用中会影响蓄热和放热的效率，延长蓄热和放热的时间。其二，有机相变材料的相变焓相对较小，与一些无机相变材料相比，单位质量的有机相变材料储存的热量有限，在对蓄热密度要求较高的场合，可能无法满足实际需求。

无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属及合金等。结晶水合盐是一类应用较为广泛的无机相变材料，如芒硝（Na?SO??10H?O）、氯化钙六水合物（CaCl??6H?O）等。这类材料的相变焓较大，通常在200-400J/g之间，具有较高的蓄热密度，能够在较小的质量或体积下储存大量的热量。而且，结晶水合盐的导热系数相对较高，一般在0.5-2.0W/(m?K)之间，有利于热量的快速传递，提高蓄热