前言

 

相变材料(phase change material，简称PCM)，是指在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能，储热密度大，蓄热装置结构紧凑，并且在相变过程中本身温度基本不变，易于管理，随着全球节能意识的提高，相变材料的这一特性引起了研究人员的重视，相变储热技术在储能领域越来越大放异彩。

 

相变化示意图（图自： FMS KOREA）

 

▌一、材料技术特点简介

 

广义上的储热技术包括储热技术和储冷技术两种，其中储热技术包括显热储热和相变储热。显热储热是利用材料自身的比热容来储存/释放热能，相变储热是利用相变材料PCM(phase change materials)发生相变时进行的吸/放热能量转化方式来储存/释放热能。相变储热材料具有储热密度高、充放热过程中温度变化较小等优点，受到国内外学者的广泛关注。

 

目前相变类储热材料主要有有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。其相变形式主要有4种：固-固、固-液、固-气和液-气。

 

图表1 各类相变材料的特征区别

 

 

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。

 

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。

 

液-气相变及固-气相变由于在相变过程中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大，因此尽管它们有很大的相变热，但在实际应用中很少被选用。

 

▌二、相变材料的应用领域

 

相变储能材料的开发已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。低温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统。高温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面。把它们注入纺织物，可制成保温性能好、重量轻的服装。也可用于制作保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯。含有这种相变材料的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁结冰。因此，它在工程保温材料、医疗保健产品、航空航天器材、军事侦察、日常生活用品等方面具有广阔的应用前景。

 

(一)相变材料在医药行业中的应用

 

许多医疗电子治疗仪要求在恒温条件下使用，这样就需要利用温控储热材料来调节，使仪器在允许的温度内工作。日本有专利报导用NaSO410H2O和MgSO47H2O的混合物作为相变材料用于仪器室的控温，可使室温保持在25℃左右。也可将特种仪器埋包在用相变材料制成的热包中，来维持仪器使用的温度。近年来国内市场有种热袋，相变材料是水合盐，相变温度55℃左右，利用一块金属片作为成核晶种材料，当用手挤压金属片时，使它的表面成为晶体生长中心，从而结晶放热，再配备某些具有活血作用的中药袋，从而达到理疗的作用,对于治疗类风湿等疾病具有一定的疗效。

 

(二)相变材料在数据存储方面的应用

 

PCM是一种高性能、非易失性存储器，基于硫属化合物玻璃。这种化合物有一个很重要的特性，当它们从一相移动到另一相时能够改变它们的电阻。该材料的结晶相是低电阻相，而非晶相为高电阻相，通过施加或消除电流来完成相变。与基于NAND的传统非易失性存储器不同，PCM设备可以实现几乎无限数量的写入。此外，PCM器件的优势还包括：访问响应时间短、字节可寻址、随机读写等，其也是诸多被称为能够“改变未来”的存储技术之一。

 

在2017年，由上海微系统与信息技术研究所所长宋志棠带领的科研团队在新型相变存储材料方面取得重大突破，创新提出一种高速相变材料的设计思路，即以减小非晶相变薄膜内成核的随机性来实现相变材料的高速晶化。利用0.13um-COMS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦操作，循环寿命大于107次。相比传统Ge-Sb-Te器件，其操作功耗降低了90%，且十年的数据保持力相当。

 

2018年，内存芯片制造商SK海力士公司，已开始生产基于PCM的3D交叉点存储器,SK介绍该应用于SCM的3D crosspoint 存储单元，是由基于硫化物的相变材料制成的。

 

近期，IBM 研究表明，通过使用基于相变存储器的模拟芯片，机器学习能力可以加速一千倍。IBM公司的一个博客透露，IBM正在建立一个研究中心，以开发新一代AI硬件，挖掘PCM存储器在AI领域的应用潜力。

 

包含多个PCM器件的芯片（图自：IBM博客）

 

(三)相变材料在穿戴上的应用

 

有研究者让多位志愿者穿着两件外表相同的衬衫，并让他们在潮湿闷热的环境中[(35±1)℃，相对湿度RH(55±6)%]进行45min的跑步运动，分别在低(5.0)、中高(7.5)和极限(9.0)水平的运动能力下测试穿着含有多级PCM/ACC(相变材料和主动冷却组分，PCM 是通过商业购买的，熔点在26~32℃之间，熔融潜热在100~200J/g)的衬衫对生理应变指数(PSI)的影响。结果发现，PSI=7.0~9.0之间的运动能力对含有PCM/ACC的衬衫具有很大的提高，尤其对中高水平的运动能力来说，可以提高8%，且穿着含有相变材料衬衫的志愿者，对感知热评级和感知舒适度评级相比于未穿着相变材料衬衫有很明显的降低。

 

(四)相变材料在智能手机上的应用

 

当代电子、通信和IT行业迅猛发展，特别是诸多手持终端的散热成为一大难题，而相变材料由于出色的吸热能力，能在有限空间迅速吸热，对于间歇式发热的终端设备来说，这是一个比较理想的散热解决方案。

 

研究表明，电子设备的失效有 55%是由温度超过限定值引起的。在某些严酷环境下，虽然电子设备只需要在几十秒到几分钟内短时工作，但往往其芯片热流密度极高，同时平台无法提供主动冷却散热条件，这对设备的温控提出了更高要求。相变材料（phase change material, PCM）在特定相变点发生相变过程中具有吸收/释放大量潜热同时保持等温或近似等温等优点，已逐步在航天器热控领域得到广泛应用，因而也是无主动散热条件下实现高热流密度电子设备热控的一种可行方案。

 

小米8屏下指纹版在应用了相变材料后，同等功耗下机身的温度可以下降3℃。

 

小米8屏下指纹版应用PCM材料散热（图自：小米科技）

 

华为保时捷联合设计Mate RS手机由于集成功能增加，功能模组占用了大量主板的空间，主板面积只有普通机型的一半，芯片堆叠密度高发热集中，其采用微胶囊PCM材料，帮助机身散热。

 

(五)相变材料在笔记本电脑上的应用

 

笔记本电脑超薄时尚、移动办公的需求，促进了无风扇散热技术的发展，PCM材料快速吸热，储存大量热量再缓慢释放的特性，使之在超薄笔电的散热设计上越来越受重视。

 

华为MateBook X在低压i5处理器上，大胆采用了PCM相变材料，取消风扇，完全依靠铝合金外壳的空气对流散热。无风扇设计，笔记本运行更静谧舒适，外形轻巧携带方便，PCM材料加强散热使得搭载低压i5处理器的MateBook X在便携的同时兼顾了较高的性能，打破了以往M系列处理器无风扇超极本性能低下的桎梏。

 

华为将PCM材料应用于无风扇笔记本MateBook X（图自：华为）

 

▌三、相变材料行业分析

 

上个世纪70年代能源危机以来，相变储能的基础和应用研究在世界发达国家迅速崛起并得到不断发展。其研究和应用涉及材料学、太阳能、工程热物理、空调和采暖及厂业废热利用等领域。应该说相变储能理论是生长于上述诸多领域中 的新学科，它的发展经历了一个从无到有，从简单现象到深刻理论和应用的发展过程。

 

国内相变储能材料的研究始于九十年代初，中国科学院广州化学所、中国科技大学、清华大学、华中理工大学、北京航天航空大学、重庆大学等多所大学和研究单位相继展开了相变储能材料的开发和研究工作。但总的来说，我国相变储能材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱。目前政府和工业界对节能和温控材料及技术研究很重视，投入了大量的经费进行攻关。随着《中国制造2025》提升为国家战略，《可再生能源发展“十三五”规划》等关键政策的出台，储能新材料已经列入国家重点专项规划，其发展步伐将明显提速。目前全国各地纷纷上马相变材料产业基地，开展产业集群竞争。

 

图表2 相变材料产业基地明细

 

 

▌总结

 

相变材料作为一种被动换能材料具备着节能、环保等显著优势，尤其利用其无源优势在多个领域展现作用。以目前产业发展的情况而言，处于起步阶段，技术的突破是带动产业发展的主要因素。而市场的竞争则较为间接，通常表现为新型终端产品与传统功能产品的竞争，但该类竞争的革命性质将增大产业壮大的成功率。

 

目前国内相变材料并无明显的产业集群效应，主要受到其材料类型广泛、非终端产品特性影响，但从新材料的产品性质而言，面对市场、面对能耗成本等需综合考量制造战略。

 

本文参考：

1、滨投集团——《相变材料浅析》

2、航 天 器 环 境 工 程——第34卷第2期《复合相变热沉在电子设备热管理中的应用

3、36Kr——《六大“未来式”存储器，谁将脱颖而出？》