相变材料(PCM - Phase Change Material)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程,这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。
微胶囊技术
微胶囊可以被定义为在一个非常小的范围内一种物质包围或者包裹另一种物质的过程,胶囊的尺寸范围可以从1微米到几百微米。微胶囊可能是球状的,围绕中心不停的进行外壁包裹;而有一些则是不对称的、形状不一的,少量液滴的核心材料嵌入整个微胶囊内。
微胶囊封装的相变材料几乎可以无限制地被应用,越来越多的应用领域需要使用微胶囊相变材料。相变材料通过周围环境温度的变化而改变自身形态从而吸收或者释放大量的能量。当温度升高时,相变材料开始融化,并吸收热量;相反,当温度降低时,相变材料释放热量。微胶囊封装相变材料的这种特性可以被用在军事装备,床上用品、服装、建筑材料、和许多其他产品中。
相变材料微胶囊应用方向
1、 节能建筑领域----相变储能建筑材料
相变储能建筑材料兼备普通建材和相变材料两者的优点,能够吸收和释放适量的热能;能够和其他传统建筑材料同时使用;不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建筑材料;能够用标准生产设备生产;在经济效益上具有竞争性。
相变储能建筑材料应用于建材的研究始于1982年,由美国能源部太阳能公司发起。另欧美有多家公司利用PCM生产销售室外通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋,可在冬夏天均保持在适宜的工作温度。此外,含有PCM的沥青地面或水泥路面,可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深夜结冰。
2、医学和生物领域
温度敏感性生物医药制品的等温冷藏和运输:许多生物医药制品对于温度非常敏感,如疫苗,它们常常需要在低温条件下储存和运输,一旦环境温度超过其可承受的范围,将导致其失效。相变材料可以提供长时间稳定的低温环境,并且无需电源,尤其适合温度敏感性生物医药制品的运输过程。
物理医疗:传统上,医学热疗采用显热蓄热方法,如用加热的水和其它物质对患者的患病部位进行热疗,但因为显热蓄热密度偏低,为了增加放热时间常常导致温度过高,引起患者不适,甚至烫伤。而相变材料因为具有蓄热密度高、蓄/放热温度恒定等特定,采用相变材料进行热疗具有放热温度恒定、时间长的优点。
生物医学工程中的恒温控制:在生物工程领域的微型生化反应器中,可以采用纳米相变储能复合材料对其进行温度控制,提高生化实验的效率和正确性。在介入式热疗方法中,纳米相变储能复合材料可以作为施热技术的载热媒质。由于相变储能材料具有温度控制稳定、持久,可以带来更佳的医疗效果。此外,相变材料还可以在激光疗法中作为控温保护介质,保护病灶周围的健康组织。
3、燃料电池温度控制
燃料电池启动需要一定的温度,因此在严寒的冬季,保持燃料电池一定温度对其再次启动非常重要。采用相变材料可以完成这一功能,利用相变材料蓄存燃料电池在使用过程的放出的热量。因为相变材料的蓄热密度非常高,并且其蓄热温度适当,热损失很小,可以将热量保持相当长的一段时间。在燃料电池再次启动时仍能保持足够的温度。
4、电子设备散热
相变材料利用其吸热特性可以用于电子产品内的温度控制,其显著的功能是能够平抑高功率电子器件的温度波动,起到保护电子器件的目的。相变材料可在电子芯片层次和电子设备层次引入,具有安静无噪音、不耗电、长期稳定性高、体积小和热舒适度高等优点。
自动化机柜温度控制:一些自动化机柜,如通信、天然气管线等控制机柜,处于露天环境,会受到外界环境温度波动的影响,同时其内部发热部件也会产生大量热量,这些都有可能导致机柜内部出现剧烈的温度波动,影响机柜的正常功能,因此需要对其进行必要的温度控制。采用相变材料可对机柜内温度波动进行有效控制,同时,相变材料技术无需电源,长期使用过程中无需维护,非常适合地理分布范围大的自动化机柜的温度控制。
5、纺织品领域----恒温面料
夏季降温(冬季保暖)服饰:将纳米相变储能复合材料微粉(微胶囊相变材料)加入纺织纤维中,制作具有储能功能的纺织纤维,采用这种纤维可以制作高级服饰。在冬季室内相变材料通过熔化可以吸收室内环境和人体散发的热量,出门时,相变材料又会通过凝固向服装内缓缓释放热量,可提供保暖功能。而在夏季,相变材料又可为人体降温。它可根据外界温度的变化,对人体皮肤表层做出相应的吸热或放热反应,从而使体表温度波动相对减小,进而提高舒适感/增强抵御恶劣环境的作用。
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