魏梦丽　禹森　叶潇强

【摘 要】对相变材料进行温度恒定、储热量大、储热容器体积小、能源转化率高等特点进行了分析。进行了对泡沫金属和石蜡的性质结构的研究，提出了泡沫金属和石蜡组合成复合相变材料的方法。

【关键词】泡沫金属;石蜡;复合材料;泡沫铜

中图分类号： TB34 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）10-0179-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.077

Selection of Foam Metal and Paraffin for Composite Phase Change Materials

WEI Meng-li YU Sen YE Xiao-qiang

（Jiaxing Institute of Architectural Engineering，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】The characteristics of phase change materials，such as constant temperature，large heat storage capacity， small volume of heat storage container and high energy conversion rate，are analyzed.The properties and structure of foam metal and paraffin were studied.A method of combining foam metal and paraffin into composite phase change material was put forward.

【Key words】Foam metal;Paraffin wax;Composite material;Foam copper

0 引言

近些年随着节能意识的普及和能源应用的广泛，如何更加高效的利用能源成了迫在眉睫的事情。基于这样的现况，我们想研究一种储热更好的复合相变材料。

1 泡沫金属的特点及应用

泡沫金属作为一类新型的复合一体化材料。自从1948年被科学家气化制取得到之后，凭借其优良的性能，在各个领域，尤其是航空航天方面发挥着巨大的作用。

它不同于传统金属的优良的性能，源于其特殊的结构。

在结构方面它有着三个显著特点：

1）孔径大：它并不是密致结构，而是更类似于气体结构，这是泡沫金属材料最大区别于传统金属材料的点。

2）孔隙率高：泡沫金属它孔径较大（一般在0.1～10mm之间），贯通孔较多，像极了气体，因此它的孔隙率极高，而且其随着组成材料不同，孔隙率会变化，一般在40%～98%范围内变化。

3）密度低：这个特点也是显而易见的，与孔隙率有着极大的关系。随着泡沫金属孔隙率的提高，它的密度也随之减低，一般为同体积金属的3/5～1/50不等。[1]

说完了结构，再来看性能，结构决定了性能。由于泡沫金属是以金属基体骨架为架构材料，因此其性质主要取决于所用金属基体、基体气孔率和气孔结构，当然制备工艺也有一定的影响。通常来说，泡沫金属的各项性能与气孔有着分不开的关系。力学性能，导电性，导热性等都随气孔率的增加而呈现不同程度降低。其中高孔隙率使泡沫金属具有良好的隔热性能。另外一方面，气孔可以让泡沫金属拥有良好的的抗冲击性能。压力使气孔塌陷，金属的整体受力面积增加同时材料应变硬化。

基于上述提到的泡沫金属材料的种种性能，尤其是较高的孔隙率所带来的良好的隔热性能。大部分金属或合金的导热系数在l0～300W/（m·K）之间，而对于泡沫金属材料，其有效热导率仅为金属或合金的1%～10%。良好的隔热性能，高空隙率，抗冲击性，它很适合做复合材料的骨架。[2]

说完性能结构方面，看看目前使用情况。目前应用的泡沫金属有铝镍铜及其合金，泡沫铝及其合金质轻，能吸音、隔热、减振、吸收冲击能和电磁波等，多用于航天航空领域。泡沫镍因其高通气性、高比表面积和毛细力，多用于制作流体过滤器、雾化器、催化器、电池电极板和热交换器等。泡沫铜导电性和延展性好，且制备成本比泡沫镍低，导电性能更好，可将其用于制备电池负极（载体）材料、催化剂载体和电磁屏蔽材料。

2 石蠟的特点及应用

石墨具有温度恒定、比热高、能源转化率高等特点，是进行储热良好材料。因此它在太阳能利用、废热回收、建筑节能等领域具有广阔应用，尤其是在建筑供暖、空调领域的应用已成为国内外研究的热点[3]。

石蜡作为相变材料中应用最广泛的一种。主要有以下几点原因[4]：

1）物理性质稳定。不易燃易爆，无毒，对金属无腐蚀;

2）化学活性较低。呈中性，化学性质稳定;

3）相变温度可变。其种类繁多，组分多样，各自有着不同的相变温度。它没有固定的熔点，相变过程发生在一定的温度范围之内;

4）具有疏水性。不易风化或者洗脱;

5）生产加工简易方便，经济成本低。可由石油加工副产品得或是合成制得。

6）不存在过冷现象和相分离的缺陷;

但是石蜡也不是完美的，它导热系数小、单位密度小和单位体积储热能力差等问题，在一定程度上限制了其在储热技术中的应用。

为了克服单一的石蜡作为相变材料所存在的缺点，我们选择制作复合型石蜡相变材料，将石蜡与泡沫金属相结合使用，从而组成复合型相变储能材料。既可以利用石蜡的稳定物理化学性能，同时又可以利用泡沫金属的性能，弥补石蜡做为单一的相变储能材料的缺点。以达到充分利用太阳能这种可再生能源来达到建筑节能的目的。

3 泡沫铜石蜡复合相变材料的制备猜想

我们在泡沫金属中选择了泡沫铜。泡沫铜制备成本相较而言是比较低的。若用电沉积法进行制备可达到大于95%的孔隙率;用烧结法进行制备也可达到50%以上的孔隙率。从制作复合相变材料的角度，我们需要选择高孔隙率的泡沫铜，以便可以尽可能的填充更多的石蜡，使复合材料可以储蓄更多的热量。

经过选择，制作方法泡沫铜石蜡复合相变材料是按照向泡沫铜骨架网的空隙中加入一定状态下的液态石蜡相变材料。制备过程需要恒温水浴锅、不锈钢容器等组成。将石蜡切成片与泡沫铜一起放在不锈钢容器中，把盛有泡沫铜和石蜡的不锈钢容器放入恒温水浴锅中加热至80摄氏度，加热一小时待石蜡与泡沫铜混合均匀后对不锈钢容器进行冷却，取出复合相变材料，取出多余的石蜡即可。

对于不同孔隙率的泡沫铜石蜡复合相变材料，它的等效导热系数和热容都随相变材料孔隙率的减小而增大，因为铜金属的导热系数和热容都大于石蜡，所以相变材料中泡沫铜的含量对相变材料的导热系数影响非常大，因为不同的多孔结构对相变材料的导热系数也有一定的影响，当复合相变材料为三维正十四面体模型时的导热系数公式如下[6]

由于泡沫铜的密度比较大，使得蓄热设备的重量增加，而且泡沫铜体积分数的增加使得复合相变材料的蓄热量减少，因此泡沫铜和石蜡的量必定存在一个均衡点。

在泡沫铜/石蜡复合材料的应用方面，目前大部分还处于实验阶段。在汽车锂电池的散热研究中，采用泡沫铜/石蜡复合材料来解决这一问题。使用了复合材料的锂电池比没用的最高温度降低了了10.36℃和12.56℃，起到了明显的散热作用，同时不同的包覆方式效果最好的是四面包覆，如下图所示：

在泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统的研究中，体现了其显著减小加热器温度变化幅度的优势。在一种用于防止锂电池热失控的复合板及其制作方法的专利和一种LED散热灯罩的专利中也有用到泡沫铜/石蜡复合材料。

在强化相变蓄热器传热条件的研究中，对泡沫铜/石蜡相变材料进行了填充，泡沫铜推动了石蜡加速融化，也增强了导热，使温度能更快地变一致均匀，强化了蓄热器的蓄热。这种装置可在太阳能空调，太阳能相变蓄热热水器等，其中需要使用蓄热。

在有轨电车储能部件热控制技术的研究中，泡沫铜/石蜡复合物体现了沿金属纤维的热传递，将热量通过较大的比表面积扩散到装置的所有部分，热导率高的优势。

可见泡沫铜/石蜡相变复合材料有其特殊的优势和很大的应用空间。

【参考文献】

[1]陈文革，张强.泡沫金属的特点、应用、制备、与发展.

[2]盛强，邢玉明，王泽泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析.

[3]张寅平，康艳兵.江亿相变和化学反应储能在建筑 供暖空调领域的应用研究[J].暖通空调，1999，29（5）：34-38.

[4]韩德奇，潘金亮石蜡相变储能材料的生产技术及其应用.

[5]李得伦石蜡相变材料的传热与控温性能研究[D].华南理工大学，2012.

[6]郑焕培泡沫铜/石蜡复合相变材料传热性能研究.

[7]魏高升，王遙，杨彦平，徐超，杜小泽基于孔尺度的泡沫金属强化相变储热材料 传热性能数值模拟.