Фазопереходные материалы

Фазопереходные материалы (также материалы с фазовым переходом, ФПМ, англ. Phase-Change Materials, PCM) — это класс веществ, способных при изменении температуры или давления переходить из одного агрегатного состояния в другое (чаще всего из твёрдого в жидкое и обратно) с поглощением или выделением значительного количества скрытой теплоты. Основное применение ФПМ основано на их способности аккумулировать тепловую энергию при плавлении и отдавать её при затвердевании, что позволяет использовать их для терморегуляции, теплоаккумуляции и охлаждения в широком диапазоне отраслей — от строительства и электроники до текстильной промышленности и космонавтики.

Физические основы

Фазовый переход первого рода, лежащий в основе работы ФПМ, характеризуется скачкообразным изменением внутренней энергии вещества при постоянной температуре. В процессе плавления твёрдого тела его кристаллическая решётка разрушается, на что затрачивается энергия (теплота плавления). При обратном процессе — кристаллизации — эта энергия выделяется в окружающую среду. Ключевым параметром ФПМ является скрытая теплота фазового перехода (ΔH), измеряемая в Дж/кг или кДж/кг. Чем выше это значение, тем больше энергии способен аккумулировать или отдать материал при заданной массе.

Другими важными характеристиками являются:

• Температура фазового перехода (Tпл) — точка, при которой происходит плавление/кристаллизация. Для практических применений она должна находиться в узком диапазоне, соответствующем условиям эксплуатации.
• Теплопроводность — определяет скорость передачи тепла внутри материала. Большинство органических ФПМ имеют низкую теплопроводность (0,1–0,3 Вт/(м·К)), что требует использования теплообменников или добавок для повышения эффективности.
• Плотность и изменение объёма при фазовом переходе (обычно 5–15 % для органических и до 30 % для неорганических ФПМ).
• Циклическая стабильность — способность сохранять свойства после многократных циклов плавления-затвердевания (тысячи и десятки тысяч циклов).
• Химическая инертность, отсутствие токсичности и коррозионной активности.

Классификация

Фазопереходные материалы делятся на три основные группы по химической природе: органические, неорганические и эвтектические смеси.

Органические ФПМ

К этой группе относятся парафины (смеси насыщенных углеводородов CₙH₂ₙ₊₂), жирные кислоты (например, стеариновая, пальмитиновая, лауриновая), полиэтиленгликоли (ПЭГ) и некоторые сложные эфиры. Парафины — наиболее распространённый тип ФПМ благодаря доступности, низкой стоимости, химической инертности, отсутствию коррозии и стабильности при циклировании. Их температура плавления варьируется от -20 °C до +80 °C в зависимости от длины углеродной цепи. Недостатки: низкая теплопроводность, горючесть и значительное изменение объёма при плавлении.

Жирные кислоты (например, каприловая, лауриновая, миристиновая) обладают более высокой скрытой теплотой плавления (150–200 кДж/кг) и могут быть получены из возобновляемых растительных масел. Они также имеют низкую теплопроводность и могут быть подвержены сублимации.

Неорганические ФПМ

Основными представителями являются солевые гидраты (например, глауберова соль Na₂SO₄·10H₂O, ацетат натрия CH₃COONa·3H₂O, хлорид кальция CaCl₂·6H₂O) и соли металлов (например, нитраты, хлориды). Солевые гидраты обладают высокой скрытой теплотой плавления (200–300 кДж/кг), относительно высокой теплопроводностью (0,4–0,6 Вт/(м·К)) и негорючестью. Их основной недостаток — склонность к переохлаждению (застывание при температуре ниже точки плавления) и фазовому разделению (выпадение кристаллов соли при многократных циклах), что снижает циклическую стабильность. Для борьбы с этими эффектами применяют зародышеобразователи и загустители.

Металлические ФПМ (например, сплавы галлия, индия, олова) имеют высокую теплопроводность (десятки Вт/(м·К)) и температуру плавления в диапазоне 30–200 °C, но их высокая стоимость и коррозионная активность ограничивают применение.

Эвтектические смеси

Эвтектики — это смеси двух или более веществ, которые плавятся и кристаллизуются при одной температуре, как чистое вещество. Они могут быть как органическими (например, смесь жирных кислот), так и неорганическими (смеси солей). Эвтектические ФПМ позволяют точно настроить температуру фазового перехода и часто обладают более высокой скрытой теплотой плавления, чем исходные компоненты. Пример: эвтектика CaCl₂·6H₂O — MgCl₂·6H₂O с Tпл около 25 °C.

Применение

Строительство и архитектура

ФПМ используются для пассивной терморегуляции зданий. Материалы с фазовым переходом (например, парафин в капсулах) добавляют в гипсокартон, штукатурку, бетон, теплоизоляционные плиты или встраивают в системы «тёплый пол». Днём, при повышении температуры, ФПМ плавится, поглощая избыточное тепло и предотвращая перегрев помещений. Ночью, при охлаждении, материал затвердевает, отдавая накопленное тепло, что снижает потребность в кондиционировании и отоплении на 20–40 %. В России такие технологии применяются в экспериментальных энергоэффективных домах, например, в жилых комплексах с «умными» фасадами.

Электроника и теплоотвод

В электронных устройствах (процессоры, светодиоды, силовые модули) ФПМ используются в качестве теплоаккумуляторов для сглаживания пиковых тепловых нагрузок. При кратковременном повышении температуры (например, при запуске мощного процессора) ФПМ плавится, поглощая тепло и предотвращая перегрев. После снижения нагрузки материал затвердевает, отдавая тепло радиатору. Это позволяет уменьшить размеры и массу систем охлаждения. Типичные материалы — парафины с температурой плавления 40–60 °C, заключённые в металлические или графитовые оболочки.

Текстильная промышленность

ФПМ в микрокапсулированной форме (диаметр капсул 1–50 мкм) наносятся на ткань или вплетаются в волокна. Такая одежда способна поддерживать комфортную температуру тела: при физической активности тепло поглощается, при охлаждении — выделяется. Технология используется в спортивной и военной экипировке, а также в постельном белье. Первые коммерческие продукты появились в 1990-х годах (например, бренд Outlast, изначально разработанный для NASA).

Транспорт и логистика

ФПМ применяются в термоконтейнерах для перевозки продуктов, лекарств и биологических образцов, требующих поддержания заданной температуры (например, вакцин от COVID-19). Материалы с температурой плавления -5…+5 °C (солевые гидраты, эвтектики) обеспечивают стабильный температурный режим в течение 24–72 часов без внешнего источника энергии.

Возобновляемая энергетика

В солнечных тепловых электростанциях ФПМ (например, расплавы солей — нитраты натрия и калия) используются для хранения тепловой энергии, полученной в дневное время, и её отдачи в ночные часы для выработки электроэнергии. Такие системы позволяют сгладить суточную неравномерность генерации. В России подобные технологии разрабатываются в рамках проектов по созданию солнечных электростанций в южных регионах.

Инкапсуляция и методы стабилизации

Для предотвращения утечки жидкой фазы, повышения теплопроводности и защиты от внешней среды ФПМ часто инкапсулируют. Существуют два основных подхода:

• Микрокапсулирование — создание оболочки из полимера (меламин-формальдегид, полиуретан, желатин) вокруг частиц ФПМ диаметром 1–100 мкм. Метод позволяет получать порошки, которые можно добавлять в строительные смеси, краски, ткани.
• Макроинкапсуляция — размещение ФПМ в герметичных контейнерах (металлические, пластиковые, стеклянные капсулы или панели). Используется в системах отопления и охлаждения зданий, а также в промышленных теплоаккумуляторах.

Для повышения теплопроводности в ФПМ добавляют высокотеплопроводные наполнители: графит, углеродные нанотрубки, металлические порошки (медь, алюминий), оксид алюминия. Например, добавление 5–10 % графита может увеличить теплопроводность парафина в 5–10 раз.

Перспективные направления

Ведутся исследования по созданию ФПМ с улучшенными свойствами: нанокомпозитные материалы (например, парафин с графеном), биосовместимые ФПМ для медицинских применений (термотерапия, доставка лекарств), а также фотонные ФПМ, способные изменять прозрачность при фазовом переходе (для «умных» окон). В космической технике разрабатываются ФПМ для терморегуляции спутников и лунных баз, где перепады температур могут достигать сотен градусов.

Источники

• Sharma, A., Tyagi, V. V., Chen, C. R., & Buddhi, D. (2009). Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(2), 318–345.
• Zalba, B., Marín, J. M., Cabeza, L. F., & Mehling, H. (2003). Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering, 23(3), 251–283.
• Cabeza, L. F., Castell, A., Barreneche, C., de Gracia, A., & Fernández, A. I. (2011). Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(3), 1675–1695.
• Farid, M. M., Khudhair, A. M., Razack, S. A. K., & Al-Hallaj, S. (2004). A review on phase change energy storage: materials and applications. Energy Conversion and Management, 45(9–10), 1597–1615.
• Kenisarin, M. M., & Mahkamov, K. (2007). Solar energy storage using phase change materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(9), 1913–1965.