科学技术的快速发展和人们对于生活品质追求的提高导致能源消耗量激增，但目前已探明的能源储备量无法满足长期发展的需求，因此能源的供需失衡已成为刻不容缓的全球性问题。研究表明，开发和利用可再生能源可以有效地缓解能源短缺困局，是提高能源利用率、调整能源结构和实现可持续发展的重要途径。然而，太阳能、风能、海洋能和地热能等可再生资源因受时间、环境和位置等因素的影响，存在能量密度低、稳定性差等缺点。潜热蓄热技术因具有储热密度大、蓄放热过程可控而被视为最具应用潜力的能量转换方式之一。潜热蓄热技术以相变材料作为功能介质，利用其在相变过程中吸收和释放大量热能，从而实现能量在时间和空间上的协调分配。因此，开发安全稳定的相变材料是确保潜热蓄热技术顺利应用的关键因素。笔者归纳了相变材料的种类及特点，综述了定形相变材料的常见制备方法及储热性能，阐述了导热强化技术的研究进展，并指出了定形相变材料在制备工艺方面所面临的挑战并展望了未来发展前景。

1.1  相变材料的分类

通常根据相变形式、相变温度和化学成分对相变材料进行分类。根据相变形式，可以分为固-液、固-固、固-气、液-气相变材料；根据相变温度分为高温(＞250℃)、中温(100~250℃)和低温(＜100℃)相变材料；根据化学成分分为无机、有机、有机-无机相变材料。

固-气和液-气相变材料虽然具有较高潜热，但是相转变过程中会形成大量气体导致体积波动大和稳定性较差，对于设备和环境要求都很严格。由于上述问题没有被妥善解决，导致这两种相变材料的应用受限。目前，固-液相变材料和固-固相变材料受到的关注度较高，研究人员从复配、定形及应用等方面开展了大量的研究。固-固相变材料包括多元醇、层状钙钛矿等，该类材料具有相变过程中无毒和无腐蚀性、体积变化小等优点，但是相比于固-液相变材料，固-固相变材料也存在相变潜热小和导热性能差等问题。固-液相变材料具有相变温度范围广、相变潜热大、成本低廉等优点，被认为是目前具有较大应用潜力的相变材料。低温相变材料具有种类多、相变潜热大、相变温度可调节等优势，因而在建筑节能、纺织服装、温室控温和太阳能蓄热等领域具有较大的应用空间。无机相变材料主要包括水合盐、熔融盐、金属和金属合金等，因相变潜热大、成本低廉而得到较为深入的研究和应用，但是无机相变材料存在过冷、相分离等问题。有机相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、醇等，具有相变潜热大、相变温度适宜、无腐蚀性等特点，且克服了无机相变材料易出现过冷和相分离的缺点，但也存在导热系数低和相变过程中液态渗漏等问题。有机-无机相变材料克服了单一材料的缺陷，如将碳素材料或金属纳米材料作为改性剂添加在相变材料中，可以显著改善导热系数低的问题，是实现相变材料优势互补的重要研究方向。

1.2  筛选标准

合理选择和正确使用相变材料是提升能源利用率的关键和核心。筛选相变材料时，主要从相变材料的热物性、（物理、化学、储能等）稳定性及经济性等方面考虑，应遵循以下原则⑴相变温度匹配，根据应用领域选择工作温度范围适合的相变材料。⑵单位储热密度大，确保在相变过程中有较大潜热的吸收和释放。⑶无毒、无污染、不易燃，不会危害人体健康和污染环境。⑷化学稳定性，相变材料与载体、环境介质等不发生反应。⑸长期储能特性，经过多次相变循环后仍保持较高的相变潜热。⑹原材料资源丰富，分布广泛且易于获得。⑺成本低廉，符合经济性要求的相变材料是满足规模化应用的重要因素。

2.1 多孔基定形相变材料的制备及储热性能

多孔基定形相变材料是将熔融态相变材料约束在载体丰富的微孔结构内部，稳定的载体能够确保相变过程中体积反复变化而不发生明显结构破坏和液态渗漏，从而保证相变材料在宏观上维持固体的形状。常见的载体材料包括膨胀石墨、膨胀珍珠岩、蒙脱土、硅藻土、蛭石和凹凸棒黏土等。多孔基定形相变材料的制备方法包括真空浸渍法和熔融吸附法。真空浸渍法是通过预先对锥形瓶内的多孔基载体进行抽真空，然后将熔融状态的相变材料与处理后的载体混合，利用压强差将较多的液态相变材料反压到载体的孔道结构中，从而保证相变材料存留于载体内部形成稳定的定形相变材料。熔融吸附法是直接将载体材料浸渍于熔融态相变材料中，依靠载体孔隙结构的表面张力和毛细管吸附力等物理作用将液态相变材料吸附在孔隙内部来制备定形相变材料。多孔基载体材料应具有以下共性：⑴自身孔隙结构丰富，能够为存留相变材料提供大量空间。⑵与相变材料之间不发生化学反应，载体与相变材料相容性较好。⑶具有良好的高温稳定性，在相变温度范围能够保持稳定的固体形状。

研究表明，在100℃以下温度范围内，多孔基定形相变材料的载体均能保持稳定的固体形状并较好地发挥容纳相变材料的作用，主要在低温领域具有广阔的应用前景。相变材料在定形前后的相变温度变化较小，相变潜热与载体对于芯材的负载量有关，说明定形处理不会影响相变温度，载体对于芯材负载量越大则定形相变材料储能特性越显著。其中，膨胀石墨具有质轻、吸附性高、可压缩性强的蠕虫孔隙结构而表现出优异的负载效果，石墨基定形相变材料具有储热密度大、导热性能好等特点。采用石蜡和膨胀石墨作为相变材料和载体，分别利用真空浸渍法和熔融吸附法制备定形相变材料，材料的相变负载率分别为92%和80%。与熔融吸附法相比，真空浸渍法制备多孔基定形相变材料能够容纳更多的相变材料，但是制备工艺也相对更复杂。硅藻土是一种经过长期沉积成岩作用而形成的天然矿物原料，热重分析结果表明以硅藻土为载体制备的定形相变材料在工作温度范围内具有较高的热稳定性。此外，凹凸棒土、膨胀蛭石和蒙脱土等黏土矿物也因比表面积大、来源广泛、成本低廉等优点而被选为定形相变材料的载体，此类载体与相变材料复合后仅为物理嵌合关系，没有形成新的物质，不会影响定形相变材料的储能特性。

2.2  微胶囊相变材料的制备及储热性能

微胶囊相变材料的壳-核结构中，核是相变芯材，壳材也称囊壁，理想的壁材应具有机械强度高、化学性能稳定、传热性能好等特点。微胶囊技术通过在相变芯材外表面形成壳材，从而得到具有核壳结构的微胶囊相变材料，通过阻隔相变材料与外界的直接接触，从而有效地缓解液态相变材料的渗漏。通常，芯壳质量比越小，微胶囊的成囊率越高，但芯材含量过少也会造成相变潜热较低，调温效果不显著等问题。相反地，芯壳质量比越大，会因为微胶囊囊壁过薄导致相变材料出现泄漏，不利于长期应用。此外，芯壳质量比过大，也会导致壳材部分无法完全包覆芯材而降低负载率。因此有必要探寻不同制备方法的最优芯壳比，从而得到高负载率且储能性能稳定的微胶囊相变材料。微胶囊技术主要包括物理法、化学法和物理化学法，其中，采用化学法制备的微胶囊相变材料具有稳定的储热性能和良好的致密性，可有效地缓解固-液相变材料在工作状态下发生液态泄漏、体积改变和腐蚀等问题而备受关注[19]。化学法通常包括原位聚合法、悬浮聚合法、界面聚合法和乳液聚合法等。原位聚合法制备的微胶囊囊壁以三聚氰胺-甲醛树脂、脲醛树脂等为主，其中，三聚氰胺-甲醛树脂的成本较低、热稳定性好，脲醛树脂具有良好的化学稳定性和力学性能，且反应易于控制。原位聚合法具有成本较低、包封芯材含量易于控制等优点，但是所选用的壁材多数会释放甲醛等有害物质而限制了其广泛应用。

2.3  聚合物基定形相变材料的制备及储热性能

聚合物具有储能密度大、可加工性能好等特性而被用于制备骨架材料。聚合物基定形相变材料的制备方法包括物理共混法和化学共聚法。物理共混法是将固-液相变材料约束在聚合物载体三维网状结构中，操作简单，但也存在储能密度相对较低、使用寿命较短等问题。化学共聚法主要利用接枝共聚或嵌段共聚的方法，将相变材料接枝到高熔点的高分子主链或侧链上，当温度升高时，相变材料支链由晶态转变为无定形态，而主链仍较稳定可以约束相变材料的流动，从而得到固体状聚合物基定形相变材料。

导热系数是评价相变材料热传递能力的重要参数，大部分有机相变材料的导热系数过低而不利于提升热响应效率。强化传热技术通过添加碳材料(膨胀石墨、石墨烯、碳纤维)、金属材料和无机材料（二氧化硅和氮化硼）等高导热组分来增强相变材料的导热系数，是充分发挥相变材料储能特性的关键。膨胀石墨因疏松多孔结构、轻质及高导热性能等优势而被认为是理想的载体材料之一。

人类面临不可再生能源减少及可再生能源利用率低的严峻形势，潜热蓄热技术以相变材料为功能介质可以有效地实现能量存储和温度调控，是一种极具推广潜力的能够缓解能源危机的手段。目前，国内外对定形相变材料的制备方法及导热强化技术等研究工作已取得较为丰硕的成果，但大规模推广和商业化应用还有一些问题需要解决，在今后工作中以下几个方面值得关注：

⑴进一步优化相变材料定形技术。在制备工艺、载体和相变材料等因素均相同的情况下，相变材料的储热性能存在明显波动，特别是相变潜热存在较大偏差。因此，应围绕保证定形相变材料的稳定性能开展工作。此外，探寻提高相变材料负载量的制备工艺、掌握不同种类载体的相变材料最佳负载量范围也是保证定形相变材料储能性质的关键。

⑵微胶囊相变材料制备过程中多选用三聚氰胺、脲醛树脂、脲甲醛等会释放甲醛的原材料作为壁材，不利于安全环保。因此，开发机械强度高、封装稳定性好、绿色环保、生产成本低廉的新型微胶囊壁材是今后研发工作关注的重点。

⑶相变材料在多孔载体中的传热特性与相变芯材类型、载体种类和载体孔隙结构等因素有关，目前系统化研究有所欠缺，应针对不同相变材料的传热特性构建更为全面可靠的传热模型，并对传热机理进行深入探索。