導讀：相變材料(PCM - Phase Change Material)是指溫度不變的情況下而改變物質狀態並能提供潛熱的物質。轉變物理性質的過程稱為相變過程，這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。相變材料可分為有機（Organic）和無機(Inorganic) 相變材料。亦可分為水合鹽（Hydrated Salts）相變材料和蠟質(Paraffin Wax)相變材料。相變儲能材料在許多領域具有應用價值，包括太陽能利用、電力調峰、廢熱利用、跨季節儲熱和儲冷、食物保鮮、建築隔熱保溫、電子器件熱保護、紡織服裝、農業等等。
圖1 相變儲能材料
相變材料效能測試是相變材料開發和用應用中重要的一部分，材料的效能引數決定著材料的應用。相變材料在開發和應用過程中常用的效能指標主要有：相變溫度、相變潛熱、比熱、分解溫度、導熱係數、密度、體積變化率、迴圈熱穩定性和腐蝕性。
表1 相變材料常用測試專案和測試方法
下面我們來具體介紹相變材料測試中所用到的方法或儀器：
1 相變溫度
相變溫度可以採用差示掃描量熱儀進行測試，將樣品和在所測定溫度範圍內不發生相變，且沒有任何熱效應產生的參比物，在相同的條件下進行等溫加熱或冷卻，當樣品發生相變時，在樣品和參比物之間就產生一個溫度差。放置於它們下面的一組差示熱電偶即產生溫差電勢UΔT，經差熱放大器放大後送入功率補償放大器，功率補償放大器自動調節補償加熱絲的電流，使樣品和參比物之間溫差趨於零，兩者溫度始終維持相同。此補償熱量即為樣品的熱效應，以電功率形式顯示於記錄儀上。
圖2 相變溫度測試曲線
2 相變潛熱
相變潛熱也可採用差示掃描量熱儀進行測定，其原理與上述相變溫度測試相同。在分析軟體上對材料測試曲線的熔融峰進行積分，即可求得試樣的相變潛熱。
圖3 相變潛熱測試曲線
3 比熱容
比熱容的測定採用差示掃描量熱儀，儀器原理與上述相變溫度測試相同。先採用儀器進行基準曲線的繪製，然後待儀器冷卻後再進行標準物質（藍寶石）的曲線繪製，最後儀器冷卻後再進行樣品曲線的繪製。
圖4 差示掃描量熱儀測試基準、標準物質、樣品的比熱曲線圖
比熱容計算公式如下：
式中：L1——溫度為t時樣品曲線的DSC值；
L0——溫度為t時基準曲線的DSC值；
m1——標準物質（藍寶石）的質量的數值，單位為克（g）；
L2——溫度為t時標準物質（藍寶石）曲線的DSC值；
m2——試驗樣品Ａ的質量的數值，單位為克（g）；
Cp1——標準物質（藍寶石）的比熱容，單位為焦每克開[J/（g·K）]。
4 分解溫度
分解溫度採用熱重分析儀進行測定，其原理是：利用熱重法檢測樣品溫度質量變化關係。在程式控溫下，測量樣品的質量隨溫度（或時間）的變化關係。當被測樣品在加熱過程中分解時，被測的樣品質量就會發生變化。樣品質量變化所引起的天平位移量轉化成電磁量，微小的電磁量經過放大器放大後，送入記錄儀記錄；而電量的大小正比於樣品的重量變化量。當被測物質在加熱過程中分解時，被測的物質質量就會發生變化。這時熱重曲線就不是直線而是有所下降。透過分析熱重曲線，就可以知道被測樣品在多少溫度時產生變化。
圖5 熱重分析儀測試分解溫度的曲線圖
5 導熱係數
導熱係數的測定採用鐳射熱擴散係數儀，原理：使用鐳射脈衝均勻照射圓盤狀試樣的正面，透過記錄樣品背面的溫度響應，可以得到樣品的熱物性。其物理模型為，初始條件為在恆定溫度下，樣品正面收到一個瞬間能量脈衝，根據樣品的厚度、熱量從正面傳遞到背面所需的特徵時間函式，可以獲得樣品的熱擴散係數；根據比較法獲得被測樣品的比熱，然後根據密度值，計算得到樣品的導熱係數。
圖6 鐳射熱擴散係數儀測試的特徵溫度曲線
樣品的熱擴散係數α計算公式：
式中：0.13879——換算因子；
H——石墨坩堝的高度，單位為釐米（cm）；
t50——從起始脈衝開始到試樣背面溫度升至最高所需的一半時間，單位為秒（s）。
樣品的導熱係數λ計算公式：
式中：α——樣品的熱擴散係數，單位為平方釐米每秒（cm2/s）；
Cp——樣品的比熱容，單位為焦每克開[J/（g·K）]；
ρ——樣品的密度，單位為克每立方厘米（g/cm3）。
6 密度
相變材料固態狀態下的密度測試可以採用密度公式進行測量，先稱量樣品的質量，然後測定固態相變材料的體積（排水法或排油法），再根據密度公式ρ=m/V計算得出；
相變材料液態狀態下的密度可透過熔體物性檢測儀進行測試，原理為：樣品在一定溫度下熔化後，根據樣品的質量與體積的比值確定其熔融狀態下密度。
樣品的密度ρ計算公式：
式中：m2——試驗樣品和坩堝的質量數值，單位為克（g）；
m1——坩堝的質量數值，單位為克（g）；
d——坩堝的內經，單位為釐米（cm）；
h——樣品熔融後的液麵高度，單位為釐米（cm）。
7 體積變化率
相變材料的體積變化率可以根據相變材料的密度變化進行推導，其計算公式如下：
式中：ε——材料從固態轉變為液態的體積變化率，單位（%）；
ρ固——材料在固態狀態下的密度，單位（g/cm3）；
ρ液——材料在液態狀態下的密度，單位（g/cm3）。
8 迴圈穩定性
迴圈穩定性的測試方法是將材料放入高低溫迴圈槽或高低溫交變箱，設定約t（相變溫度）±20℃的溫度範圍量程，材料經過先升溫再降溫（或先降溫再升溫），經歷一個完整的固態-液態-固態（或液態-固態-液態）的轉變過程，即為一個迴圈。每迴圈50或100次，對迴圈後的材料進行相變溫度和相變潛熱測定。相變溫度的變化在2℃以內，相變潛熱的變化範圍在15%以內為合格。
9 腐蝕性
採用掛片腐蝕實驗進行材料腐蝕性測試，其原理：將準備好並經過準確稱量的金屬試片用細絲懸掛全浸在熔融的相變材料試液中，在一定溫度和規定時間的條件下進行腐蝕試驗，待試驗完畢後，取出試片經處理後再稱重，透過試片的質量損失來計算材料對試片金屬的腐蝕率及腐蝕總量。
腐蝕量計算公式為：
式中：A——腐蝕量，單位（g/cm2）；
m1——金屬掛片原質量，單位（g）；
m2——經腐蝕併除去表面產物後金屬掛片的質量，單位（g）；
F——金屬掛片的表面積，單位（cm2）。
腐蝕速率計算公式為：
式中：V——腐蝕速率，單位（mm/a）；
k——常數，87600；
m1——金屬掛片原質量，單位（g）；
m2——經腐蝕併除去表面產物後金屬掛片的質量，單位（g）；
F——金屬掛片的表面積，單位（cm2）；
T——腐蝕時間，單位（h）；
ρ——金屬掛片的密度，單位（g/cm3）.
