摘要：本文重點(diǎn)針對(duì)相變材料的各種熱分析方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較，介紹了各種熱分析測(cè)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(cè)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(cè)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(chǔ)熱
1. 引言
熱能存儲(chǔ)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(chǔ)熱能力的材料也正在被進(jìn)行廣泛的研究。熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)中相變材料作為一種附件，通過(guò)相變過(guò)程中所產(chǎn)生的潛熱來(lái)增加熱能存儲(chǔ)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(yáng)能制冷、太陽(yáng)能發(fā)電和季節(jié)性能力存儲(chǔ)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(guò)相變材料來(lái)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(duì)于存儲(chǔ)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(wú)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(guò)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(wèn)題。
（6）對(duì)于一個(gè)不變存儲(chǔ)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(wú)論是采用熱分析技術(shù)還是采用量熱技術(shù)所提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，都可以進(jìn)行測(cè)試評(píng)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(lái)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，而量熱技術(shù)是基于加熱/冷卻時(shí)間函數(shù)來(lái)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(cè)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(duì)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(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法，測(cè)試方法中需要包括測(cè)量參數(shù)的評(píng)價(jià)和解釋，因此在表中這兩項(xiàng)都進(jìn)行了標(biāo)注。
針對(duì)商業(yè)化的測(cè)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(cè)試方法是DSC、DTA以及較少范圍內(nèi)的TGA。然而，還存在其他測(cè)試技術(shù)，如上海依陽(yáng)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(píng)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(cè)試參數(shù)
3. 針對(duì)相變材料的各種熱分析方法對(duì)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(cè)試設(shè)備的輸出量、測(cè)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(duì)于相變材料性能評(píng)價(jià)采用了四種不同測(cè)試方法進(jìn)行比較，比較它們的相對(duì)偏差量和輸出值。
表3-1 四種熱分析測(cè)試方法對(duì)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(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的測(cè)試時(shí)間減小，由此可改善溫度測(cè)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(cè)試分析更具有代表性，實(shí)驗(yàn)室級(jí)別得到的小試樣測(cè)試結(jié)果可能會(huì)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(shì)：由于可用于大試樣測(cè)試，這種方法適用于各種寬泛形式的相變材料（無(wú)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(chǎng)合的應(yīng)用需要。因此，大試樣形式的相變材料性能評(píng)價(jià)將更可取，滿足這種大試樣測(cè)試要求的則如表3-1所示的采用T-history方法。
在材料性能測(cè)試評(píng)價(jià)過(guò)程中，測(cè)量和結(jié)果評(píng)估是最費(fèi)時(shí)間的步驟。測(cè)試結(jié)果評(píng)估時(shí)間可以憑借研究者經(jīng)驗(yàn)和建立好的規(guī)程來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，而測(cè)試時(shí)間則是純粹基于所選擇分析方法的測(cè)試設(shè)備。由于通常的熱穩(wěn)定性分析測(cè)試以及重復(fù)性測(cè)試中需要不止一個(gè)試樣，測(cè)試技術(shù)中相應(yīng)的測(cè)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(cè)試時(shí)間較短的測(cè)試方法。
另外，測(cè)試設(shè)備的維護(hù)維修以及價(jià)格也是選擇測(cè)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(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)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(cè)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(lái)進(jìn)行定性測(cè)量，在某些特殊情況下，對(duì)于熱涵的定量測(cè)量，合適的測(cè)試技術(shù)往往是DSC和T-history方法。
與其他三種測(cè)試方法相比，T-history方法適合于大試樣尺寸測(cè)試分析，并只需要很少的維護(hù)維修、儀器價(jià)格和測(cè)試時(shí)間。
同時(shí)，由于T-History方法的簡(jiǎn)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(cè)量。