摘要：本文重點針對相變材料的各種熱分析方法進行了簡單比較，介紹了各種熱分析測試方法的特點和適用范圍，突出介紹了新型商品化熱分析測試儀器——參比溫度曲線法（T-History）的特點，參比溫度曲線法（T-History）更適合大尺寸復合相變材料的熱分析測試。
關鍵詞：相(xiang)變材料，參比溫度曲線法，T-History，熱(re)分析，差(cha)示掃描量熱(re)計，DSC，復(fu)合相(xiang)變材料，儲熱(re)
1. 引言
熱能(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)系統(tong)是用于改(gai)進能(neng)(neng)(neng)效的(de)最有效技(ji)術手段之一，其(qi)中(zhong)具有儲(chu)熱能(neng)(neng)(neng)力(li)的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)也正在(zai)被進行(xing)廣(guang)泛的(de)研究(jiu)。熱能(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)系統(tong)中(zhong)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)(liao)作為(wei)一種附件，通(tong)過(guo)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)過(guo)程中(zhong)所產生的(de)潛熱來增加(jia)熱能(neng)(neng)(neng)存(cun)儲(chu)系統(tong)外殼和系統(tong)中(zhong)的(de)熱質(zhi)。另(ling)外，相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)料(liao)(liao)(liao)被認為(wei)是增強建筑(zhu)能(neng)(neng)(neng)效和其(qi)它應(ying)用領域中(zhong)最具潛質(zhi)材(cai)料(liao)(liao)(liao)之一，如應(ying)用于特殊環(huan)境下穩定人(ren)體(ti)溫度、太空(kong)領域、電子工業(ye)、汽(qi)車行(xing)業(ye)以及冷藏、太陽能(neng)(neng)(neng)制(zhi)冷、太陽能(neng)(neng)(neng)發電和季節(jie)性(xing)能(neng)(neng)(neng)力(li)存(cun)儲(chu)等。
在實際工(gong)程(cheng)應用中(zhong)選擇相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)時(shi)需(xu)(xu)要考慮(lv)合適的(de)熱(re)物理(li)、動力學和化學特性(xing)以及(ji)合理(li)的(de)經濟性(xing)和安全性(xing)。本文將重點關注相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)的(de)熱(re)物理(li)性(xing)能，因為這是在蓄熱(re)系統模擬(ni)和設計中(zhong)選擇相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)時(shi)的(de)主要需(xu)(xu)要考慮(lv)的(de)性(xing)能參數，而(er)且還需(xu)(xu)要通過相(xiang)變材(cai)料(liao)(liao)來實現以下條件：
（1）融化溫度處于操作溫度范圍內。
（2）單位體積融化(hua)具(ju)有高潛熱(re)，這樣對于存儲給(gei)定熱(re)量時所需要的容器尺寸(cun)較小。
（3）具(ju)有高的比熱以(yi)提供較(jiao)大(da)的蓄熱能(neng)力。
（4）無論是(shi)在液相(xiang)還是(shi)固相(xiang)狀態(tai)下(xia)都(dou)具有較高的熱導率以(yi)有利(li)于蓄(xu)熱系統(tong)的充(chong)熱和放熱。
（5）在操作溫度下的相變過程中產生較(jiao)小(xiao)的體積變化和蒸汽壓(ya)以(yi)避免產生容積問題。
（6）對于一個不變(bian)存儲(chu)容(rong)積(ji)具有凍結/融化循環的(de)(de)相變(bian)材料，需要具有合(he)適的(de)(de)融化溫度。
無論是(shi)(shi)(shi)采用(yong)熱(re)(re)分(fen)析技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)還是(shi)(shi)(shi)采用(yong)量(liang)(liang)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)所提供的測(ce)試(shi)數據，都(dou)可(ke)以(yi)進(jin)行測(ce)試(shi)評價得(de)到熱(re)(re)物理性能參數，如相變(bian)溫度（Tm）、潛熱(re)(re)（Hm）和(he)(he)液(ye)相和(he)(he)固相比(bi)熱(re)(re)（Cp）。但熱(re)(re)分(fen)析技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)還是(shi)(shi)(shi)與量(liang)(liang)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)有所不(bu)同，熱(re)(re)分(fen)析技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)是(shi)(shi)(shi)基(ji)于試(shi)樣的溫度函(han)數或時(shi)間(jian)函(han)數來(lai)進(jin)行測(ce)試(shi)評價，而量(liang)(liang)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)是(shi)(shi)(shi)基(ji)于加熱(re)(re)/冷卻時(shi)間(jian)函(han)數來(lai)記錄試(shi)樣的溫度或熱(re)(re)量(liang)(liang)變(bian)化。差示掃描量(liang)(liang)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)則兼顧了這兩種方法(fa)，測(ce)試(shi)中輸(shu)出的參數是(shi)(shi)(shi)基(ji)于時(shi)間(jian)和(he)(he)溫度函(han)數的熱(re)(re)流，因此(ci)這里(li)將它歸結為熱(re)(re)分(fen)析技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)。
2. 常用熱分析技術
最(zui)常用的熱分(fen)析方(fang)法如表2-1所示，對(dui)于每種(zhong)分(fen)析技術都標出(chu)了相應的輸出(chu)參數。為了便于區別(bie)測(ce)試技術和(he)測(ce)試方(fang)法，測(ce)試方(fang)法中需要包括測(ce)量參數的評價和(he)解(jie)釋(shi)，因此在表中這(zhe)兩項都進行了標注。
針對商(shang)業化的(de)測試技(ji)術（表2-1所列內容），在相變材料研究領(ling)域(yu)用到最多的(de)測試方(fang)(fang)法(fa)(fa)是(shi)DSC、DTA以及較少范(fan)圍內的(de)TGA。然而，還存在其他測試技(ji)術，如(ru)上海依陽公司已經商(shang)業化的(de)參比溫(wen)度曲線法(fa)(fa)（T-history）。T-history法(fa)(fa)首(shou)次是(shi)以量熱計(ji)方(fang)(fang)法(fa)(fa)被提出，但由(you)于(yu)采用了一種新的(de)數據(ju)評價方(fang)(fang)法(fa)(fa)，所以我們將參比溫(wen)度曲線法(fa)(fa)（T-history）方(fang)(fang)法(fa)(fa)歸結為(wei)熱分析領(ling)域(yu)。
表2-1 常(chang)用熱分析技術(shu)及相關方法、縮(suo)寫和測試參數
3. 針對相變材料的各種熱分析方法對比
選擇合適的(de)熱分(fen)析方(fang)法(fa)以得(de)到(dao)準確的(de)實(shi)驗數據(ju)取決于測試設備(bei)的(de)輸出量(liang)、測量(liang)值準確度、實(shi)驗裝置所需(xu)要的(de)試樣尺(chi)寸、設備(bei)維護和(he)實(shi)驗裝置安(an)裝等(deng)多種因素(su)。如(ru)表(biao)3-1所示，對于相變材料性能(neng)評價(jia)采用了(le)四種不同測試方(fang)法(fa)進行比較(jiao)，比較(jiao)它們的(de)相對偏差量(liang)和(he)輸出值。
表3-1 四種熱分析測試(shi)方法對比
試(shi)樣(yang)大小(xiao)(xiao)在確定熱物理性能參數中是(shi)個需要(yao)考慮的(de)重要(yao)指標，小(xiao)(xiao)試(shi)樣(yang)會導致(zhi)相應的(de)測試(shi)時間減小(xiao)(xiao)，由此可改善溫度測量分辨率。然而，相變材料(liao)主(zhu)要(yao)是(shi)用于建筑等工程領(ling)域(yu)，較大試(shi)樣(yang)的(de)測試(shi)分析(xi)更具有代表(biao)性，實驗室級(ji)別得到的(de)小(xiao)(xiao)試(shi)樣(yang)測試(shi)結果(guo)可能會產生(sheng)誤導作用。
另外，大量文獻闡述了T-history方法具有其他方法不具備的優勢：由于可用于大試樣測試，這種方法適用于各種寬泛形式的相變材料（無機、有機、膠囊封裝或復合材料），加熱和冷卻速率以及溫度范圍都可以大范圍變化并足以滿足相變材料在不同場合的應用需要。因此，大試(shi)樣(yang)形式的(de)相變(bian)材料(liao)性能評價將更可取，滿足這種大試(shi)樣(yang)測試(shi)要(yao)求的(de)則如表3-1所示(shi)的(de)采用T-history方(fang)法。
在材料(liao)性能測(ce)試(shi)(shi)(shi)評(ping)價過程中(zhong)(zhong)，測(ce)量和結果(guo)(guo)評(ping)估(gu)(gu)是(shi)最費(fei)時(shi)(shi)間(jian)的(de)步(bu)驟(zou)。測(ce)試(shi)(shi)(shi)結果(guo)(guo)評(ping)估(gu)(gu)時(shi)(shi)間(jian)可以憑借(jie)研究者經驗和建立好(hao)的(de)規程來進行優化(hua)，而測(ce)試(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)間(jian)則是(shi)純粹(cui)基于所(suo)選擇分析(xi)方法的(de)測(ce)試(shi)(shi)(shi)設備。由于通(tong)常的(de)熱穩定性分析(xi)測(ce)試(shi)(shi)(shi)以及重復性測(ce)試(shi)(shi)(shi)中(zhong)(zhong)需(xu)要不止(zhi)一個試(shi)(shi)(shi)樣，測(ce)試(shi)(shi)(shi)技術中(zhong)(zhong)相應的(de)測(ce)試(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)間(jian)優化(hua)就需(xu)要得到特(te)別(bie)的(de)關注，如表(biao)3-1所(suo)示，T-history方法是(shi)一種測(ce)試(shi)(shi)(shi)時(shi)(shi)間(jian)較短(duan)的(de)測(ce)試(shi)(shi)(shi)方法。
另外，測試設備的維護維修以及價格也是選擇測試方法需要考慮的因素，而T-history方法所具有的優點之一就是這種方法的測試設備簡單和造價低。同時，如表3-1所示，T-history方法是一種較少需要維護維修以及價格低廉的測試設備。
DSC和DTA儀器顯示出近似的特點，盡管DTA往(wang)往(wang)常(chang)被用來(lai)進行定(ding)性測(ce)量，在某些特殊(shu)情況下，對(dui)于熱涵的定(ding)量測(ce)量，合適的測(ce)試技術(shu)往(wang)往(wang)是(shi)DSC和T-history方法。
與其他三種測試方法相比，T-history方法適合于大試樣尺寸測試分析，并只需要很少的維護維修、儀器價格和測試時間。
同時，由于T-History方法的簡便性，使得這種方法可以很容易的進行擴展而輕松實現多試樣的同時測量。