科学认识相变材料

人类与材料

先秦《考工记》有云：“天有时，地有气，材有美，工有巧，合此四者，然后可以为良。”“材美工巧”古往今来始终为世人所重。材料是一门综合性极强的古老学科，同人类的发展息息相关。在岁月的长河中，不同时代材料的应用划分出人类史的脉络，人类文明的发展史其实也是材料学的进化史。

自古人使用天然材料狩猎的石器时代，到半坡人面鱼纹盆带来刀耕火种的陶器时代，再到金属冶炼的出现将人类带入青铜时代。后来科技的进步促使人类进入铁器时代，蒸汽机的发明将人类带入钢铁时代，第二次工业革命使人类进入电气时代……每一次的时代变迁都伴随科学技术的变革。材料被誉为“人类社会文明大厦的基石”，不管社会如何发展，都在社会各领域发挥着重要作用。

材料的更迭带动社会文明的进步，我们常说现代文明有三大支柱：材料、能源和信息技术。如果有一种材料既具备能量的转换又兼有绿色节能环保的特性，那么它在人类未来发展中定会备受瞩目，下面就让我们来了解一种导热储热材料——相变材料。

什么是相变材料

在我们的日常生活中，常见的水就是天然的相变材料。例如，在恒定的温度下，一杯放满冰块的水，温度为0 ℃，随着时间的推移水杯中的冰块发生融化，只要融化持续发生，即使只有一块冰，杯中的水温依旧保持在0 ℃。冰块虽然在吸热融化，但冰水的温度为什么没有发生变化呢？这是因为产生了物理相变现象。

我们把冰块比作一个房子，冰块之所以是无法流动的物体，是因为内部的水分子像房子的钢架结构一样彼此牢固衔接。想要拆除这个钢架结构，就需要工人把衔接部分敲断，松动的过程就会发生“液化”。而敲断衔接的工人就是“热量”，整个冰房屋的结构在消失前，需要工人把全部衔接敲断，所以冰块在吸收热量完全融化成水之前，温度并不会升高。因此，少冰和多冰的水喝起来是一样冰冷的。这也就是为什么冬季下雪时没有很冷，而雪融化的时候会感觉比较冷。因为水结成冰需要释放热量，冰融化成水需要吸收热量。

假设这些热量可以被我们吸收利用，会达到什么样的效果呢？同样以冰水为例，1千克0 ℃的冰想要融化成 0 ℃的水，需要吸收336千焦的热量。而336千焦的热量可以让1千克的水从0 ℃加热到100 ℃，可见相变材料不仅可以导热，还可以储热。所以相变材料的定义为，在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能，储热密度大，蓄热装置结构紧凑，并且在相变过程中本身温度基本不变，易于管理，随着全球节能意识的提高，如果这种材料能在人类生活中被广泛应用，将成为节能环保的绿色环保载体。

古代的相变材料

上述只是固-液相变的简单阐释，材料的相变过程还存在液-气相变、固-气相变、固-固相变等分类，古人很早便掌握了部分固-固相变材料的制造方法。例如，《史记·黄帝本纪》曾记载：“帝采首山之铜铸剑，以天文古字铭之。”又据《管子·地数》篇云：“昔葛天卢之山，发而出金；蚩尤受而制之，以为剑、铠、矛、戟……”

《战国策》对于吴越宝剑的威力也有记载：“夫吴干之剑，肉试则断牛马，金试则截盘匜；薄之柱上而击之，则折为三，质之石上而击之，则碎为百。”湖北省出土的春秋时期越王勾践剑，出土时剑身几乎看不见锈迹，寒气逼人，锋利无比。更为令人震惊的是，通过科学检测，剑身上检验出金属锡的树枝状结晶，这符合相变材料富锡细晶的特征。这种技术要求在制作时材料达到固液临界点的“共生”，待熔汤凝固后晶种定型才能实现。通过科技解开穿越千年的宝剑不朽之谜，有利于固-固相变材料的研发和创造。

现代的相变材料

相变材料有绿色环保等高效节能优势，近年来成为国际公认的新储能材料。欧美国家对于这种材料的研发起步较早，我国对于相变材料的研究起步较晚，但也取得了不少成果，涉及领域范围也在不断延展扩大，除在航天、军工、通信、电力等领域外，近些年相变材料也在建筑、电动汽车、制冷设备等领域广泛运用，甚至在家具装饰、艺术作品、时尚服装等领域也有广泛的应用前景。例如，夏天穿着的夏凉服，就是把相变现象应用在了生活中。传统的冰感服饰，是由导热性好的锦纶纤维或粘胶纤维制作而成，其导热性带来的冰凉感只能在身体上停留几秒钟，而相变材料制作而成的冰感服饰穿着体验会更好。值得注意的是，我国在调温纺织品领域自主研发的调温纱相变材料已经开始普及并走向国际市场，其接触瞬间凉感系数是国际标准要求的2.6倍，并且相变材料的合成物质没有采用传统的化石原料，而是运用自主研发的100%生物基材料制作，充分体现了科技与环保的完美结合。

相信在不久的将来，随着科技的发展和相变材料知识的普及，相变材料神奇的储热调温功能不再只属于尖端领域，将广泛应用在人们的生活中。

作者单位|泰山学院