摘要：本文重點(diǎn)針對相變材料的各種熱分析方法進(jìn)行了簡單比較，介紹了各種熱分析測試方法的特點(diǎn)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(diǎn)，參比溫度曲線法（T-History）更適合大尺寸復(fù)合相變材料的熱分析測試。

關(guān)鍵詞：相變材料，參比溫度曲線法，T-History，熱分析，差示掃描量熱計(jì)，DSC，復(fù)合相變材料，儲熱

1. 引言

熱能存儲系統(tǒng)是用于改進(jìn)能效的最有效技術(shù)手段之一，其中具有儲熱能力的材料也正在被進(jìn)行廣泛的研究。熱能存儲系統(tǒng)中相變材料作為一種附件，通過相變過程中所產(chǎn)生的潛熱來增加熱能存儲系統(tǒng)外殼和系統(tǒng)中的熱質(zhì)。另外，相變材料被認(rèn)為是增強(qiáng)建筑能效和其它應(yīng)用領(lǐng)域中最具潛質(zhì)材料之一，如應(yīng)用于特殊環(huán)境下穩(wěn)定人體溫度、太空領(lǐng)域、電子工業(yè)、汽車行業(yè)以及冷藏、太陽能制冷、太陽能發(fā)電和季節(jié)性能力存儲等。

在實(shí)際工程應(yīng)用中選擇相變材料時(shí)需要考慮合適的熱物理、動(dòng)力學(xué)和化學(xué)特性以及合理的經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文將重點(diǎn)關(guān)注相變材料的熱物理性能，因?yàn)檫@是在蓄熱系統(tǒng)模擬和設(shè)計(jì)中選擇相變材料時(shí)的主要需要考慮的性能參數(shù)，而且還需要通過相變材料來實(shí)現(xiàn)以下條件：

（1）融化溫度處于操作溫度范圍內(nèi)。

（2）單位體積融化具有高潛熱，這樣對于存儲給定熱量時(shí)所需要的容器尺寸較小。

（3）具有高的比熱以提供較大的蓄熱能力。

（4）無論是在液相還是固相狀態(tài)下都具有較高的熱導(dǎo)率以有利于蓄熱系統(tǒng)的充熱和放熱。

（5）在操作溫度下的相變過程中產(chǎn)生較小的體積變化和蒸汽壓以避免產(chǎn)生容積問題。

（6）對于一個(gè)不變存儲容積具有凍結(jié)/融化循環(huán)的相變材料，需要具有合適的融化溫度。

無論是采用熱分析技術(shù)還是采用量熱技術(shù)所提供的測試數(shù)據(jù)，都可以進(jìn)行測試評價(jià)得到熱物理性能參數(shù)，如相變溫度（Tm）、潛熱（Hm）和液相和固相比熱（Cp）。但熱分析技術(shù)還是與量熱技術(shù)有所不同，熱分析技術(shù)是基于試樣的溫度函數(shù)或時(shí)間函數(shù)來進(jìn)行測試評價(jià)，而量熱技術(shù)是基于加熱/冷卻時(shí)間函數(shù)來記錄試樣的溫度或熱量變化。差示掃描量熱技術(shù)則兼顧了這兩種方法，測試中輸出的參數(shù)是基于時(shí)間和溫度函數(shù)的熱流，因此這里將它歸結(jié)為熱分析技術(shù)。

2. 常用熱分析技術(shù)

最常用的熱分析方法如表2-1所示，對于每種分析技術(shù)都標(biāo)出了相應(yīng)的輸出參數(shù)。為了便于區(qū)別測試技術(shù)和測試方法，測試方法中需要包括測量參數(shù)的評價(jià)和解釋，因此在表中這兩項(xiàng)都進(jìn)行了標(biāo)注。

針對商業(yè)化的測試技術(shù)（表2-1所列內(nèi)容），在相變材料研究領(lǐng)域用到最多的測試方法是DSC、DTA以及較少范圍內(nèi)的TGA。然而，還存在其他測試技術(shù)，如上海依陽公司已經(jīng)商業(yè)化的參比溫度曲線法（T-history）。T-history法首次是以量熱計(jì)方法被提出，但由于采用了一種新的數(shù)據(jù)評價(jià)方法，所以我們將參比溫度曲線法（T-history）方法歸結(jié)為熱分析領(lǐng)域。

表2-1 常用熱分析技術(shù)及相關(guān)方法、縮寫和測試參數(shù)

3. 針對相變材料的各種熱分析方法對比

選擇合適的熱分析方法以得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取決于測試設(shè)備的輸出量、測量值準(zhǔn)確度、實(shí)驗(yàn)裝置所需要的試樣尺寸、設(shè)備維護(hù)和實(shí)驗(yàn)裝置安裝等多種因素。如表3-1所示，對于相變材料性能評價(jià)采用了四種不同測試方法進(jìn)行比較，比較它們的相對偏差量和輸出值。

表3-1 四種熱分析測試方法對比

試樣大小在確定熱物理性能參數(shù)中是個(gè)需要考慮的重要指標(biāo)，小試樣會導(dǎo)致相應(yīng)的測試時(shí)間減小，由此可改善溫度測量分辨率。然而，相變材料主要是用于建筑等工程領(lǐng)域，較大試樣的測試分析更具有代表性，實(shí)驗(yàn)室級別得到的小試樣測試結(jié)果可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。

另外，大量文獻(xiàn)闡述了T-history方法具有其他方法不具備的優(yōu)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(jī)、有機(jī)、膠囊封裝或復(fù)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(yīng)用需要。因此，大試樣形式的相變材料性能評價(jià)將更可取，滿足這種大試樣測試要求的則如表3-1所示的采用T-history方法。

在材料性能測試評價(jià)過程中，測量和結(jié)果評估是最費(fèi)時(shí)間的步驟。測試結(jié)果評估時(shí)間可以憑借研究者經(jīng)驗(yàn)和建立好的規(guī)程來進(jìn)行優(yōu)化，而測試時(shí)間則是純粹基于所選擇分析方法的測試設(shè)備。由于通常的熱穩(wěn)定性分析測試以及重復(fù)性測試中需要不止一個(gè)試樣，測試技術(shù)中相應(yīng)的測試時(shí)間優(yōu)化就需要得到特別的關(guān)注，如表3-1所示，T-history方法是一種測試時(shí)間較短的測試方法。

另外，測試設(shè)備的維護(hù)維修以及價(jià)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(yōu)點(diǎn)之一就是這種方法的測試設(shè)備簡單和造價(jià)低。同時(shí)，如表3-1所示，T-history方法是一種較少需要維護(hù)維修以及價(jià)格低廉的測試設(shè)備。

DSC和DTA儀器顯示出近似的特點(diǎn)，盡管DTA往往常被用來進(jìn)行定性測量，在某些特殊情況下，對于熱涵的定量測量，合適的測試技術(shù)往往是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(hù)維修、儀器價(jià)格和測試時(shí)間。

同時(shí)，由于T-History方法的簡便性，使得這種方法可以很容易的進(jìn)行擴(kuò)展而輕松實(shí)現(xiàn)多試樣的同時(shí)測量。