相变材料在使用过程中最大的难点有两个,第一是过冷现象,第二是相分离现象。具体机理如下所述:
(1)相变材料的过冷现象
大部分相变材料具有过冷现象,其原理为:当相变材料温度降低到理论结晶温度点以下时,水合盐却不发生结晶现象;而需要继续降温使得其温度降低温度至理论凝固点以下时,相变材料才开始结晶过程,学术上称这种现象称为过冷现象。文献中称理论结晶温度与实际凝固温度之间的差值为过冷度。工业运用中的大部分相变材料在冷凝过程中都会受到过冷度的影响,它们的过冷度范围在几度到几十度之间,这造成物质不能在指定的温度范围内放热,给实际应用造成很大的困扰。因此较小的过冷度是评价相变蓄热材料良好程度的重要指标。热力学第二定律表明,一定的过冷度作为结晶驱动力是相变材料冷凝结晶的必要条件。较大的过冷度会导致相变材料相变潜热的耗散,从而使得潜热利用率出现很大程度的降低。
(2)相变材料的相分离现象
相变材料按稳定性一般可以分为两类:一类是稳定相变材料,另一类是不稳定相变材料。稳定相变材料定义如下:无论相变材料是处于固相还是处于液相,其组成成分都不会发生任何的改变。相变材料AB.mH2O中AB的含量,不管是在固相还是在液相,两者都应当相同,且稳定存在而不分解。不稳定相变材料是溶解后出现固液共存的现象。具体来说,相变材料AB.mH2O受热分解时会产生新的AB.rH2O的固体和(m-r)物质量的水,新产生的AB.rH2O的固体会部分或者全部溶解在(m-r)物质量的水中。当相变材料吸热导致其温度升高时,若其固体具有很高的溶解度,则会在水中全部溶解,若溶解度不高,则加热完成后会出现固液共存的现象。即容器上部为液体,容器底部为未溶解的固体,这就会造成相分离现象。这类材料在冷却结晶时,晶体首先在固液交界面上产生,然后向上发展和上层溶液结合,这就会造成底部的固态受到结晶层的阻碍无法和上层液体结晶,从而无法形成原始的相变材料。此时容器内分为三层,底部为固态无水颗粒,中间层为相变材料晶体,上层为液体,这就是相分离。随着循环次数的增多,底部堆积的固态无水颗粒越多,则势必造成材料相变储能特性的丧失。
解决方法
通过各种不同材料按照一定的比例进行混合,在特定的反应条件下进行合成,以满足工业上对相变材料的稳定性要求。