相變材料導熱系數測試方法

儲熱系統按照儲熱方式不同可以分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱三類，相變材料（PCM）是利用相變過程中吸收或釋放的熱量來進行潛熱儲能的物質。與顯熱儲能材料相比，PCM具有儲能密度大，效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優點，因此可以應用于很多領域，如太陽能利用、廢熱回收、智能空調建筑物、調溫調濕、工程保溫材料、醫療保健和紡織行業等等。但化學反應熱蓄熱雖然具有儲能密度大的特點，但應用技術和工藝太復雜，目前只能在太陽能領域受重視，離實際的應用還很遠，因此PCM成為了熱能儲存的主要利用方式。

相變材料具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態的能力。相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和復合PCM三類。其中，無機類PCM主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機物。由于它的應用十分廣泛，目前已成為一種日益受到重視的新材料。導熱系數的大小直接關系到相變儲能裝置的蓄能和釋放功率。因此，采取必要措施強化相變材料導熱性能，并采用合適技術手段對材料導熱系數測試，已經成為相變儲能技術的必要研究環節。

加拿大C-Therm公司擁有的導熱系數儀TCi。TCi采用改良瞬態平面熱源法（Modified Transient Plane Source， “MTPS"），可直接對固體、液體、粉末和膠體等各種材料的導熱系數和蓄熱系數進行快速、精確地測定。TCi的應用領域包括聚合物材料、相變材料、粉末材料、熱界面材料、納米材料、傳熱流體、隔熱材料、熱電材料、含能材料、建筑材料、地質材料和功能性織物等。

TCi可用于實驗室研發，質檢控制及生產制造過程，并可非常方便地同控溫箱、高壓倉和手套箱等其他實驗設備聯合使用，滿足用戶對各種測試環境的不同需求。 除MTPS探頭外，TCi另有瞬態熱線法（Transient Line Source）探頭可選，用于測試熔融高分子、土壤、瀝青、油、蠟等材料。

導熱系數測試范圍：0~500W/mK

廣泛溫度范圍：-50~200℃，可擴展至500℃

無需樣品制備，無損測試

測試時間快速：0.8~2.5秒

適用范圍：可測試固體，液體，粉體，膠體

最小測試樣品尺寸：0.71" (18mm) 直徑

測試樣品尺寸：不限

最小測試樣品厚度：通常 0.02" (0.5mm), 基于測試物體的熱傳導性

標準：ASTM D7984、ASTM D5334、ASTM D5930、IEEE 442-1981

· 導熱系數儀在相變材料上的應用

導熱性能是評價相變材料好壞的關鍵影響因素。目前改善相變材料導熱性能的方法是，在相變材料中加入金屬、陶瓷材料和熱解石墨等導熱系數高的填料，填料通常有以下結構形式：粉末、纖維、肋片及蜂窩。利用兩種或者三種相變溫度不同的材料按照相變溫度高低順序進行放置，可得到合適的相變溫度點，同時加快導熱速度。

一、石墨片對相變材料導熱性能影響

韓國崇實大學的Sumin Kim教授[1]研究了膨脹納米石墨片對相變材料/硅藻土復合材料導熱性能的影響。

復合材料：相變材料（十六烷、十八烷、石蠟）+硅藻土

添加材料：膨脹納米石墨片（xGnP）

圖中純相變材料的導熱系數為0.32、0.18和0.23W/mk，PCM/硅藻土復合材料的導熱系數為0.39、0.25、0.33W/mk，可知，將相變材料混入硅藻土結構中，可提高相變材料導熱系數。PCM/硅藻土復合材料+xGnP的導熱系數為0.42、0.35和0.41W/mk，添加石墨片后，復合材料的導熱系數也相應增加。因此石墨片可作為添加材料提高相變材料的導熱系數。

二、新型無機鈣基相變材料導熱性能

天津科技大學鄧天龍教授[2]研究了室溫條件下新型無機鈣基相變材料導熱性能。

材料：水（47.1wt%）、氯化鈣（47.7wt%）、 硝酸鉀（2wt%）、（2wt% ）和氯化鍶（1.2wt% ）

固液相變溫度：21.4 °C

鄧教授測試了10℃-40℃溫度下PCM-Ca材料的導熱系數。固相下PCM-Ca材料的導熱系數為0.3512 W/mk，液相下PCM-Ca材料的導熱系數為0.5221W/mk，在相變過程中，材料的導熱系數可達到1.3637W/mk。PCM-Ca材料具有較高的導熱系數，適用于作為建筑節能材料。

三、水泥基復合儲熱材料導熱性能

斯威本科技大學的Sayanthan Ramakrishnan教授[3]將相變材料（石蠟和膨脹珍珠巖）添加到水泥砂漿中，制備成水泥基復合儲熱材料，研究其在建筑材料中的保溫性能。

隨著相變材料含量的增加，復合材料的導熱系數逐漸降低。與普通水泥砂漿相比，TESC-20, TESC-40, TESC-60和TESC-80 的導熱系數降低15.8%, 31.6%, 52.6% 和65.8%。水泥基復合儲熱材料導熱系數越低，越有利于建筑材料的隔熱性能，提高材料的儲熱能力。

結語：

相變材料的導熱系數是表征材料熱傳導能力的一個重要參數，在航空航天領域，建筑，織物等領域都有很重要的應用。C-Therm的TCi采用改良瞬態平面熱源法，可以非常方便，快速的測試材料的導熱系數，為科研研究過程提供重要的幫助。

參考文獻

[1] Su-Gwang Jeong , Jisoo Jeon, Okyoung Chun, Sughwan Kim, Sumin Kim. Evaluation of PCM/diatomite composites using exfoliated graphite nanoplatelets (xGnP) to improve thermal properties . J. Therm Anal Calorim, 2013;

[2] GAO Daolin, GUO Yafei, YU Xiaoping, WANG Shiqiang and DENG Tianlong. Thermal Characteristics of Room Temperature Inorganic Phase Change System Containing Calcium Chloride. Chem. Res. Chin. Univ., 2014;

[3] Sayanthan Ramakrishnan, Xiaoming Wang, Jay Sanjayan, John Wilson.Thermal energy storage enhancement of lightweight cement mortars. Procedia Engineering, 2017;