我們最常見的相變材料非水莫屬了，當溫度低至0°C 時，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)（結(jié)冰）。當溫度高于0°C時水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（溶解）。在結(jié)冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量（體積）越大，溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型的例子。

從以上的例子可看出，相變材料實際上可作為能量存儲器。這種特性在節(jié)能，溫度控制等領(lǐng)域有著極大的意義。因此，相變材料及其應(yīng)用成為廣泛的研究課題。

有機相變材料和無機相變材料的最大區(qū)別在于運用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異，后者多優(yōu)于前者。

相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固－液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。

相變材料的分類相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和復(fù)合PCM三類。其中，無機類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機物；復(fù)合相變儲熱材料的應(yīng)運而生，它既能有效克服單一的無機物或有機物相變儲熱材料存在的缺點，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。因此，研制復(fù)合相變儲熱材料已成為儲熱材料領(lǐng)域的熱點研究課題。但是混合相變材料也可能會帶來相變潛熱下降，或在長期的相變過程中容易變性等缺點。

物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態(tài)對應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。

在發(fā)生相變時，有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為“一級相變”。例如，在1個大氣壓0℃的情況下，1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉(zhuǎn)換屬一級相變。

在發(fā)生相變時，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)等的物理量發(fā)生變化，這一類變化稱為二級相變。正常液態(tài)氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉(zhuǎn)變，正常導(dǎo)體與超導(dǎo)體之間的轉(zhuǎn)變，順磁體與鐵磁體之間的轉(zhuǎn)變，合金的有序態(tài)與無序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變等都是典型的二級相變的例子。

由于外太空溫度屬于極寒或極熱環(huán)境，對宇航員、航天器的保護要求非常嚴格，普通材料無法適應(yīng)惡劣條件，因此，需要特殊材料進行保護。美國和前蘇聯(lián)科學(xué)家首先研制出相變材料，使得宇航員的服裝、返回艙外殼等得以應(yīng)用。該技術(shù)一直處于壟斷地位。我國進入21世紀以來，經(jīng)過科學(xué)家的不斷努力，已經(jīng)克服了關(guān)鍵技術(shù)部分，開始進行實際運用。

相變材料引用到建筑，是建筑領(lǐng)域革命性發(fā)展。主要作用結(jié)果是節(jié)能，可以達到節(jié)能60%-99%。以北方采暖為例，使用相變材料，按照100平米的房屋為測量單位計算，一個采暖季的用電量只有10度左右。

在服裝領(lǐng)域，使用相變材料，將相變材料植入纖維中，可以極大的改變?nèi)藗兊纳钯|(zhì)量，不使用任何能源，可以讓普通衣服變成微空調(diào)。

傳統(tǒng)制冷設(shè)備，如空調(diào)、冷藏車、冷庫，均是采取壓縮機制冷技術(shù)進行制冷，不僅耗電，而且不環(huán)保。采用相變技術(shù)，可以替代壓縮機進行制冷，節(jié)能60%以上。

一旦裝備部隊，將是相變材料一重大貢獻。軍車、軍人服裝、艦船、飛機、坦克、潛艇等軍事各個方面，均是相變材料運用的重要領(lǐng)域，可以極大的提高戰(zhàn)斗力和防護持久能力。

在通訊、電力等設(shè)備箱（間）降溫方面，相變材料可以節(jié)省設(shè)備成本75%以上。在通訊領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊基站的機房、電池組間，使傳統(tǒng)的一年壽命的設(shè)備可以延長到4年或更多。

運用范例：相變材料恒溫UPS機箱

不間斷電源（UPS）作為一種可靠的電源供給系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)如通信，鐵路和油田等。在很多情況下UPS與用電設(shè)備一起被安裝在野外，受環(huán)境的影響很大。而UPS中蓄電池的充放電產(chǎn)生的高溫和環(huán)境溫度升高都會影響其壽命。在常溫25℃時，溫度每上升10℃，電池的壽命將縮短一半。使用空調(diào)給UPS降溫的運行和維護成本甚至比更換電池的成本還高。大部分安裝UPS的野外機箱或設(shè)備箱的箱內(nèi)溫度控制是通過箱體的隔熱材料并利用空氣對流來實現(xiàn)的，這種控制溫度方式存在兩個很大的缺陷：一、當箱外的環(huán)境溫度升高時，箱內(nèi)的UPS或其它設(shè)備運行都產(chǎn)生熱量，自身的熱再加上環(huán)境的熱，就非常容易產(chǎn)生高溫；二、箱體使用了隔熱材料，是為減少受箱外的溫度的影響，亦正因為這樣，內(nèi)部的熱無法及時散去而會慢慢積累，最終導(dǎo)致溫度上升；這些箱體都是長年放置于野外使用的，往往因為長期高溫工作，因而影響了箱內(nèi)的UPS 和各種設(shè)備或電子元件的性能，使正常的使用壽命縮短，增加了經(jīng)營成本。特別是在邊遠地區(qū)或溫室效應(yīng)大的區(qū)域，以上的問題仍然沒有較好的解決方法，所能做得只是頻繁地更換電池和各種設(shè)備。

為了解決野外UPS機箱、設(shè)備箱或信號箱的溫度控制難題，研發(fā)者提供了一種特殊的相變材料能量存儲熱交換的方案。已知許多物質(zhì)在特定溫度下會改變形態(tài)，這類物質(zhì)稱為相變材料（Phase Change Material- PCM）. 相變材料在改變形態(tài)時會吸收或釋放能量，稱之為潛熱。本方案利用相變材料在發(fā)生相變時吸收潛熱的特性，在UPS機箱、設(shè)備箱、信號箱等內(nèi)填裝一定數(shù)量的相變材料，并使用進風(fēng)/排風(fēng)扇和相應(yīng)的箱內(nèi)外溫度監(jiān)控裝置而達致溫度控制的效果；當監(jiān) 測到箱體外環(huán)境溫度低于相變溫度及箱體內(nèi)的溫度高于設(shè)備指定溫度時，通風(fēng)控制系統(tǒng)的裝置會將箱外的空氣輸入箱內(nèi)，一方面為箱體制冷，另一方面將能量儲存在相變材料中；當監(jiān)測到箱體外環(huán)境溫度高于相變溫度或箱體內(nèi)的溫度低于某一指定溫度時，通風(fēng)控制系統(tǒng)會停止工作，釋放已存儲的冷能量，達到制冷的目的。在這過程中只消耗少許的電能（風(fēng)扇耗電），但可以很好地解決野外UPS機箱的溫度控制難題。

本方案所采用32°C的相變材料，具有潛熱大和穩(wěn)定性高的特點，使用周期可長達二十年以上。相變材料被嵌入特制的鋁合金散熱器中，散熱器的一部在機箱內(nèi)部，吸收機箱內(nèi)UPS和設(shè)備產(chǎn)生的熱量。另一部在機箱上部通過風(fēng)扇和環(huán)境進行熱交換。

溫度控制系統(tǒng)的工作由監(jiān)控裝置控制，其監(jiān)測的目的是：維持箱內(nèi)的溫度于某一特定的溫度，此溫度有利于箱中的UPS電池和電子部件的壽命得以延長；恒定溫度的選擇要保證在夏天機箱外的溫度非常高的時候也不會影響內(nèi)部部件的壽命，增加經(jīng)營成本。

一個典型的溫度控制過程如下：

當監(jiān)測到箱內(nèi)的溫度高于40℃及箱外溫度低于30℃時，進風(fēng)風(fēng)扇及排風(fēng)風(fēng)扇會即刻起動，為相變材料提供能量的交換，相變材料散熱器吸收機箱內(nèi)的熱量和外部環(huán)境進行能量交換，達至溫度控制的效果；當監(jiān)測到箱內(nèi)的溫度低于37℃或箱外的溫度高于32℃時，進風(fēng)風(fēng)扇及排風(fēng)風(fēng)扇會停止工作，利用相變材料已存儲的能量進行交換，達至溫度控制的效果。

對安裝了相變材料的UPS機箱的溫度進行測試

測試條件與環(huán)境：采用29°C相變材料，機箱外溫度40°C，相變材料重量為50公斤。

相變儲能建筑材料兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點，能夠吸收和釋放適量的熱能；能夠和其他傳統(tǒng)建筑材料同時使用；不需要特殊的知識和技能來安裝使用蓄熱建筑材料；能夠用標準生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)；在經(jīng)濟效益上具有競爭性。

相變儲能建筑材料應(yīng)用于建材的研究始于1982年，由美國能源部太陽能公司發(fā)起。20世紀90年代以PCM處理建筑材料(如石膏板、墻板與混凝土構(gòu)件等)的技術(shù)發(fā)展起來了。隨后，PCM在混凝土試塊、石膏墻板等建筑材料中的研究和應(yīng)用一直方興未艾。1999年，國外又研制成功一種新型建筑材料－固液共晶相變材料，在墻板或輕型混凝土預(yù)制板中澆注這種相變材料，可以保持室內(nèi)溫度適宜。另歐美有多家公司利用PCM生產(chǎn)銷售室外通訊接線設(shè)備和電力變壓設(shè)備的專用小屋，可在冬夏天均保持在適宜的工作溫度。此外，含有PCM的瀝青地面或水泥路面，可以防止道路、橋梁、飛機跑道等在冬季深夜結(jié)冰。

PCM與建材基體的結(jié)合工藝，主要有以下幾種方法：（1）將PCM密封在合適的容器內(nèi)。（2）將PCM密封后置入建筑材料中。（3）通過浸泡將PCM滲入多孔的建材基體(如石膏墻板、水泥混凝土試塊等)。（4）將PCM直接與建筑材料混合。（5）將有機PCM乳化后添加到建筑材料中。國內(nèi)建筑節(jié)能某知名企業(yè)成功地將不同標號的石蠟乳化，然后按一定比例與相變特種膠粉、水、聚苯顆粒輕骨料混合，配制成兼具蓄熱和保溫的可用于建筑墻體內(nèi)外層的相變蓄熱漿料。試驗樓的測試工作正在進行中。同時在開發(fā)的還有相變砂漿、相變膩子等產(chǎn)品。

現(xiàn)代建筑向高層發(fā)展，要求所用圍護結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)材料。但普通輕質(zhì)材料熱容較小，導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動較大。這不僅造成室內(nèi)熱環(huán)境不舒適，而且還增加空調(diào)負荷，導(dǎo)致建筑能耗上升。采用的相變材料的潛熱達到170J/g甚至更高，而普通建材在溫度變化1℃時儲存同等熱量將需要190倍相變材料的質(zhì)量。因此，復(fù)合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容，對于房間內(nèi)的氣溫穩(wěn)定及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。

這種復(fù)合的產(chǎn)品的缺點是，強度不夠。

用于建筑圍護結(jié)構(gòu)的相變建筑材料的研制，選擇合適的相變材料至關(guān)重要，應(yīng)具有以下幾個特點：（1）熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；（2）相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；（3）有合適的相變溫度，能滿足需要控制的特定溫度；（4）導(dǎo)熱系數(shù)大，密度大，比熱容大；（5）相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，制造方便。

在實際研制過程中，要找到滿足這些理想條件的相變材料非常困難。因此，人們往往先考慮有合適的相變溫度和有較大相變潛熱的相變材料，而后再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。

現(xiàn)存的問題主要在相變儲能建筑材料耐久性以及經(jīng)濟性方面。

耐久性主要體現(xiàn)在三個方面：

相變材料在循環(huán)過程中熱物理性質(zhì)的退化問題；相變材料易從基體的泄漏問題；相變材料對基體材料的作用問題。

經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在：

如果要最大化解決上述問題，將導(dǎo)致單位熱能儲存費用的上升，必將失去與其他儲熱法或普通建材競爭的優(yōu)勢。相變儲能建筑材料經(jīng)過20多年的發(fā)展，其智能化功能性的特點勿容置疑。隨著人們對建筑節(jié)能的日益重視，環(huán)境保護意識的逐步增強，相變儲能建筑材料必將在今后的建材領(lǐng)域大有用武之地，也會逐漸被人們所認知，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

徐祖耀院士，在馬氏體相變、貝氏體相變、形狀記憶材料及材料熱力學(xué)諸領(lǐng)域研究獲豐碩成果。揭示了無擴散的馬氏體相變中存在間隙原子的擴散，由此重新定義了馬氏體相變、修正了經(jīng)典動力學(xué)方程；成功地由熱力學(xué)計算鐵基。

1995年當選為中國科學(xué)院院士。