相变材料的过冷现象及其抑制方法的研究进展

张正飞¹，秦紫依¹，李勇¹，王毅^1,2

1. 兰州理工大学石油化工学院2. 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

摘 要：过冷是材料液-固相变过程中为提供离子扩散、晶体生长及晶面扩大所需能量而产生的一种亚稳态。过冷是结晶过程的推动力,但大的过冷度导致相变材料结晶温度降低、结晶时间延迟,使得储存的潜热不能及时释放,储-放热温度不匹配,降低了热能利用效率。过冷度大已成为限制相变储热技术规模化应用的重要影响因素之一。大量实验结果表明:过冷现象与熔体晶核的生成与长大速率、环境温度、接触面的粗糙程度、熔体温度等因素有关,但其产生的内在机制尚不明确,影响规律和调控手段仍需借助实验探索。目前,主要采用外加添加剂或在胶囊化、流体化过程中加入添加剂的添加晶种法,以及通过搅拌、超声振荡和鼓泡等外部刺激的动力学成核法诱发过冷液体结晶。利用外加成核剂、纳米颗粒以及部分未熔化母相晶体作为晶核诱发非均匀成核是抑制过冷现象最常用、最有效的方法。为提高添加剂的分散性和抑制水合无机盐类相变材料的相分离现象,在添加成核剂的同时往往需要加入一定量的增稠剂,但成核剂和增稠剂的添加量需要优化。胶囊化可以改变相变材料的结晶特性,目前的研究一致认为在胶囊化前添加成核剂有利于改善相变材料的过冷度。动力学成核常采用的方法是超声振荡法,其通过空化作用使晶体持续破碎并与熔体混合而提高晶核的分散性和加速结晶过程。在超声的同时添加纳米颗粒也有利于抑制过冷度。本文简述了过冷现象和典型的过冷曲线,分析了影响过冷度的因素,并着重介绍了外加添加剂法、胶囊化法、功能流体法和超声振荡法等抑制过冷度的方法。

关键词：相变材料;过冷度;成核理论;过冷度抑制;胶囊化法;功能流体法;添加剂;超声振荡;