相變材料在使用過程中最大的難點有兩個,第一是過冷現(xiàn)象,第二是相分離現(xiàn)象。具體機理如下所述:
(1)相變材料的過冷現(xiàn)象
大部分相變材料具有過冷現(xiàn)象,其原理為:當相變材料溫度降低到理論結晶溫度點以下時,水合鹽卻不發(fā)生結晶現(xiàn)象;而需要繼續(xù)降溫使得其溫度降低溫度至理論凝固點以下時,相變材料才開始結晶過程,學術上稱這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。文獻中稱理論結晶溫度與實際凝固溫度之間的差值為過冷度。工業(yè)運用中的大部分相變材料在冷凝過程中都會受到過冷度的影響,它們的過冷度范圍在幾度到幾十度之間,這造成物質不能在指定的溫度范圍內放熱,給實際應用造成很大的困擾。因此較小的過冷度是評價相變蓄熱材料良好程度的重要指標。熱力學第二定律表明,一定的過冷度作為結晶驅動力是相變材料冷凝結晶的必要條件。較大的過冷度會導致相變材料相變潛熱的耗散,從而使得潛熱利用率出現(xiàn)很大程度的降低。
(2)相變材料的相分離現(xiàn)象
相變材料按穩(wěn)定性一般可以分為兩類:一類是穩(wěn)定相變材料,另一類是不穩(wěn)定相變材料。穩(wěn)定相變材料定義如下:無論相變材料是處于固相還是處于液相,其組成成分都不會發(fā)生任何的改變。相變材料AB.mH2O中AB的含量,不管是在固相還是在液相,兩者都應當相同,且穩(wěn)定存在而不分解。不穩(wěn)定相變材料是溶解后出現(xiàn)固液共存的現(xiàn)象。具體來說,相變材料AB.mH2O受熱分解時會產(chǎn)生新的AB.rH2O的固體和(m-r)物質量的水,新產(chǎn)生的AB.rH2O的固體會部分或者全部溶解在(m-r)物質量的水中。當相變材料吸熱導致其溫度升高時,若其固體具有很高的溶解度,則會在水中全部溶解,若溶解度不高,則加熱完成后會出現(xiàn)固液共存的現(xiàn)象。即容器上部為液體,容器底部為未溶解的固體,這就會造成相分離現(xiàn)象。這類材料在冷卻結晶時,晶體首先在固液交界面上產(chǎn)生,然后向上發(fā)展和上層溶液結合,這就會造成底部的固態(tài)受到結晶層的阻礙無法和上層液體結晶,從而無法形成原始的相變材料。此時容器內分為三層,底部為固態(tài)無水顆粒,中間層為相變材料晶體,上層為液體,這就是相分離。隨著循環(huán)次數(shù)的增多,底部堆積的固態(tài)無水顆粒越多,則勢必造成材料相變儲能特性的喪失。
解決方法
通過各種不同材料按照一定的比例進行混合,在特定的反應條件下進行合成,以滿足工業(yè)上對相變材料的穩(wěn)定性要求。