刘涛1，郭乃胜1，谭忆秋2，尤占平3，金鑫1于2020年在《材料导报（A）》第34卷第12期发表题为《路用相变材料研究现状和发展趋势》的学术论文。第一作者刘涛来自大连海事大学交通运输工程学院，其余作者分别来自哈尔滨工业大学交通科学与工程学院以及美国密歇根理工大学土木与环境工程系。该论文是一篇关于相变材料在道路工程中应用的系统性综述。
本文旨在全面梳理和评述相变材料在道路工程领域，特别是应用于沥青路面中的研究进展、关键技术挑战及未来发展趋势。其核心目标是为智能交通和绿色交通背景下，发展具有主动调温功能的智能路面提供技术参考和方向指引。
论文主题与学术背景 本文的学科领域聚焦于交通工程与材料科学的交叉，具体为道路工程材料。论文的背景是传统沥青路面面临着严峻的温度病害问题，如高温车辙、低温开裂和冻融循环破坏。现有的改性技术（如SBS、胶粉、蒙脱土改性）多属于被动增强，存在老化性能衰减、低温性能恶化等局限。因此，研究者开始从热力学角度寻求主动解决方案，即将具有智能自发储能放热特性的相变材料引入道路材料体系。相变材料在建筑节能领域已成功应用，但其在交通材料领域的研究尚不成熟，面临着如何与沥青混合料适配、如何保持路面力学性能等一系列关键问题。本文正是在此背景下，对路用相变材料进行系统性的综述与展望。
论文主要观点与论据 第一，明确相变沥青路面的工作原理与应用形式。 论文首先阐明了相变沥青路面如何通过PCMs的相变潜热来主动调控沥青混合料的温度，从而缩小其工作温度区间、降低温度变化率，最终减轻温度病害。引用Chen和Si等人建立的调温模型（图1和图2），论文指出，用于改善高温性能的PCMs相变温度应处于5-35℃之间，低于沥青软化点。关于应用形式，论文引用了Bhagya和Zakaria的研究结果，指出将PCMs层置于沥青面层下方会阻碍热量传递，导致面层持续高温，是不可取的；而将PCMs以分布式均匀分散在沥青混合料内部，则能更有效地调节整个路面结构的温度分布，因此分布式是相变沥青路面系统的最佳应用形式。基于此，论文提出了路用PCMs的技术要求：相变温度需适配（降温用熔融温度低于沥青软化点，融雪用凝固温度在-5~5℃为佳），并尽可能具有高潜热焓值和高热导率。
第二，分析纯相变材料的特性及其路用适配性的不足。 论文将纯相变材料分为固-固相变材料和固-液相变材料两大类进行剖析。固-固相变材料（如多元醇类）虽无液相泄漏问题，但其相变温度通常过高（如三羟甲基氨基甲烷高达181℃），远超道路环境需求。固-液相变材料（如石蜡、聚乙二醇PEG、正十四烷、脂肪酸等）具有相变温度适宜、潜热高的优点，但其相变过程中的液相流动和体积变化会严重破坏沥青的黏弹特性和结构完整性，例如PEG会稀释和软化沥青，导致沥青性能劣化。因此，结论是两类纯相变材料均难以直接满足相变路面关于调温效果和力学特性的双重需求，必须通过复合、封装等技术进行改良。
第三，系统评述复合相变材料的研究进展与优化工艺。 这是论文的核心部分之一。复合相变材料旨在通过载体吸附、包覆等手段解决固-液相变材料的泄漏问题，并改善其力学和热学性能。论文重点介绍了两种有前景的复合相变材料： 1. 聚氨酯固-固相变材料： 以多元醇PCMs为软段，通过聚氨酯化学合成形成网状结构约束，使其在宏观上保持固态，从而兼具固-液相变材料的高潜热和固-固相变材料的形态稳定性。例如，Wei等人制备的PEG-MDI-MOCA型聚氨酯相变材料，相变温度（吸热38.6-55.5℃，放热16.5-2℃）和潜热（约72-74 J/g）较为理想，调温效果显著。但论文也指出，其力学特性、耐久性及在沥青中的具体应用方式仍需深入研究。 2. 固-液复合相变材料： 由多孔载体（如膨胀石墨EG、陶粒CS、多孔Al2O3等）物理吸附固-液相变材料芯材（如石蜡、PEG等）构成。论文详细对比了常用芯材的热物性（表1），并指出单纯物理吸附仍可能泄漏。因此，论文进一步阐述了针对泄漏问题的优化工艺： * 封装工艺： 在复合相变材料外部形成包覆层。如何丽红采用的沥青封装（Asphalt-ssPCM），Jin等人采用的环氧树脂（NER）包覆，以及Ren等人采用的溶胶-凝胶（Sol-Gel）法硅胶包覆。这些工艺能有效防泄并提高耐久性，但包覆层可能降低热交换效率。 * 化学桥联工艺： 利用偶联剂（如酞酸酯KR-38S）在芯材（如PEG）与载体（如EG）之间建立化学分子桥。Zhang等人的研究表明，该方法不仅能有效防泄，还能提高复合材料的潜热和热稳定性，且对热导率影响小，被认为是较为理想的改进工艺。 论文总结认为，未来的发展方向是结合不同支撑载体和封装工艺的优点，设计“刚性强芯+高效包覆”的复合结构，以同时满足防泄、力学强度和热交换效率的要求。
第四，深入探讨相变微胶囊技术的优势与发展方向。 相变微胶囊是将PCMs芯材包裹在微小胶囊壳体（壁材）内，彻底隔绝了芯材与基体材料的接触，是解决泄漏问题的另一有效途径。论文强调了微胶囊粒径对路用适应性的关键影响：Su的研究指出沥青砂浆膜厚度约50μm，因此粒径小于50μm的微米级微胶囊可避免在混合料中受集料挤压而破碎，比毫米级微胶囊更具应用前景。论文重点评价了两种微胶囊： 1. CaCO3微米级相变微胶囊： Jiang等人通过自组装工艺制备，以石蜡为芯，CaCO3为壳。通过调节pH值可控制粒径小于50μm，包覆率约59.2%，热导率0.724 W·m⁻¹·K⁻¹，且力学性能良好。但CaCO3壳体热导率仍有提升空间，王婷玉等人的研究表明添加石墨纳米片等可大幅提升其复合热导率。 2. MMF微米级相变微胶囊： 以甲醇改性三聚氰胺甲醛预聚物为壳体，具有致密、耐高温等特点。胡拉的研究表明其储能效果好、稳定性高，但需注意残留甲醛的毒性问题。 论文指出，理想的路用微胶囊需追求高包覆率（提高有效PCMs含量）、低渗漏率（保证耐久性）和高热导率（提高相变效率）。未来可通过在壳体中引入石墨烯、纳米氧化锌等高热导纳米材料来优化性能。
第五，提出创新构想并展望未来发展趋势。 在综述现有技术的基础上，论文最后提出了一个前瞻性的构想：相变自愈复合微胶囊。这旨在将相变材料的储能调温功能与沥青材料的自愈合功能相结合，从而创造出更智能、更耐久的路面材料。这种构想极大地丰富了智能路面的内涵和多样性。论文对未来的展望包括：继续深化PCMs与沥青混合料适配性的基础研究；开发更多高效、环保、低成本的复合与封装技术；推动相变智能路面从实验室走向实际工程应用。
论文的学术价值与意义 本综述论文具有重要的学术价值和实践指导意义。在学术上，它系统性地梳理和整合了分散在建筑材料、材料科学和道路工程等多个领域关于路用相变材料的研究成果，清晰地勾勒出该领域的技术发展脉络、关键科学问题及解决方案，为后续研究者提供了全面的知识框架和明确的研究切入点。在实践上，论文通过对比分析各类材料与技术的优缺点，为道路工程技术人员选择和开发适用的路用相变材料提供了切实可行的技术路线参考。特别是论文提出的“分布式应用形式”、“微米级微胶囊”以及“相变自愈复合”等观点和构想，紧扣工程实际需求与技术前沿，对我国发展智能交通、绿色交通，建设长寿命、低维护的智慧道路具有积极的推动作用。该论文不仅是总结，更是对未来研究方向的重要引领。