这份文档是2021年发表于国际期刊《energy & buildings》上的一篇学术文章，题为“通过形状稳定化增强有机相变材料热物理性质以用于建筑热储能：一项最新综述”。作者是Pushpendra Kumar Singh Rathore和Shailendra Kumar Shukla，均来自印度理工学院（巴纳拉斯印度教大学）机械工程系的能源与资源发展中心。
本文属于对特定研究领域进行全面梳理和评估的综述文章。其核心主题是探讨如何通过“形状稳定复合相变材料（Shape Stabilized Composite Phase Change Material, SS-CPCM）”技术，来克服有机相变材料（Phase Change Material, PCM）在建筑热储能应用中的主要缺陷——低导热率和相变泄漏问题，从而提升其在调节建筑室内热环境方面的有效性和适用性。
文章主要观点阐述
观点一：建筑节能需求迫切，相变储能是高效解决方案，但有机PCM存在固有缺陷。 文章开篇即指出，建筑能耗占全球最终能源消耗的三分之一以上，其中超过一半用于空间供暖、制冷和通风。因此，提高建筑围护结构的热能储存能力是发展节能建筑的关键技术之一。与显热储能相比，以PCM为核心的潜热储能技术具有储能密度高（单位体积储能量是显热材料的5-14倍）、工作温度近乎恒定等显著优势。在各类PCM中，有机PCM（如石蜡、脂肪酸）因其化学和热稳定性好、相变潜热高、无过冷、无腐蚀性、价格相对低廉等优点，在建筑热管理领域备受青睐。然而，其两大固有缺陷严重限制了实际应用：一是导热系数低，导致储/释热速率慢，无法充分利用其潜热容量；二是在固-液相变过程中会发生泄漏，导致材料损失并可能损坏建筑构件。
观点二：形状稳定复合PCM（SS-CPCM）是解决有机PCM缺陷的有效策略，其核心在于多孔支撑材料和纳米颗粒的协同作用。 文章提出，制备SS-CPCM是克服上述缺陷的合适途径。SS-CPCM通常由三部分组成：作为储热主体的有机PCM、用于防止泄漏并提供结构支撑的多孔材料、以及用于增强导热性能的纳米颗粒。其工作原理是：多孔材料通过毛细管力、范德华力、表面张力等作用将PCM束缚在其孔隙内，防止液态时泄漏；而高导热率的纳米颗粒则分散在PCM或复合体系中，构建高效的热传导路径，从而显著提升整体导热率。
支撑证据与细分论述： 1. 多孔支撑材料的作用与类型：文章以大量已发表的研究为例，系统回顾了用于制备SS-CPCM的各类多孔材料，并分析了其特性。 * 多孔碳：来源于生物质（如茄子、棉花、土豆、多肉植物叶片）或合成前体，具有可调的形态、低密度、优异的稳定性和良好的相容性。例如，从茄子衍生的多孔碳可负载90.1 wt%的聚乙二醇（PEG），制备的SS-CPCM焓值为149 J/g，且导热性得到增强。 * 膨胀石墨：这是应用最广泛的支撑/增强材料之一。其具有层状结构和大量微孔，导热性极佳（约150 W/mK）。研究表明，添加一定比例的膨胀石墨（如7-30 wt%），可使复合PCM的导热率提升数倍乃至上百倍（例如，从0.25提升至2.51 W/mK，或提升130倍），同时有效防止泄漏。 * 聚氨酯泡沫：本身是优良的保温材料，其开孔或闭孔结构能有效吸附和包封PCM。研究通过将PEG与聚氨酯共聚，或与木材粉末、氧化石墨烯复合，制备出具有双重相变（固-液和固-固）、高负载量（如60 wt% PEG）且无泄漏的SS-CPCM，并展现出良好的热可靠性。 * 二氧化硅骨架：包括二氧化硅气凝胶、介孔二氧化硅、硅藻土等，具有高孔隙率、大比表面积和良好的热稳定性。例如，通过溶胶-凝胶法制备的PEG/SiO2复合PCM，可实现85%的PEG负载，焓值达162.9 J/g。硅藻土作为一种天然、廉价的粘土矿物，也常被用作支撑材料。 * 粘土矿物：如硅藻土、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、膨润土、高岭土、海泡石等。它们储量丰富、成本适中、具有天然多孔结构。文章通过表格汇总了大量研究数据，显示这些粘土材料可实现40%-86%不等的PCM负载，复合材料的潜热储存能力在27-142 kJ/kg之间。但粘土本身的低导热性是其短板，常需与纳米颗粒联用。
观点三：SS-CPCM在建筑围护结构中的应用能有效改善室内热性能，实现节能与热舒适。 文章第六部分集中回顾了SS-CPCM在建筑中的实际和实验性应用研究，证明了其技术价值。 * 与建材复合：研究将SS-CPCM（如月桂酸-硬脂酸/氧化铝/陶粒、正十八烷/膨胀石墨纳米片、石蜡/高密度聚乙烯/膨胀石墨等）掺入混凝土、石膏板、水泥砂浆、红粘土板、墙板等建筑材料中，制成复合构件。 * 应用效果：实验和模拟结果一致表明，与传统建材相比，集成SS-CPCM的构件或房间表现出以下优势： 1. 调节温度波动：降低室内峰值温度（实验数据显示可降低1.6°C 至 3.4°C），提高室内最低温度（冬季有益），使室内温度更加平稳。 2. 产生时间延迟：热量穿过墙体等构件的速度变慢，将室内温度峰值出现的时间推迟数小时（如1.33小时至3.7小时），有利于利用夜间凉爽空气。 3. 提升热惯性：增加了围护结构的热储能能力，在日照强烈时吸收更多热量，减少传入室内的热流。 4. 节能潜力：部分研究指出，应用SS-CPCM墙板可减少制冷能耗（如一个案例显示减少3.4%），或减少供暖设备的能耗（如减少9.2%-18.4%）。 5. 应用形式多样：SS-CPCM可被制成板材置于墙面、屋顶、地板，也可直接作为骨料或添加剂生产“相变砖”、“相变石膏板”等。
观点四：尽管SS-CPCM前景广阔，但仍存在挑战和未来研究方向。 文章在结论与展望部分客观指出了当前研究的局限性和未来需要重点关注的领域： 1. 热容下降：由于支撑材料本身不参与或较少参与相变储热，SS-CPCM的潜热储存容量通常低于纯PCM，这一折衷需要被 critically analyzed（审慎分析）。 2. 需深入全面的性能评估： * 实际建筑与长期研究：需要在真实建筑中进行实时、长期（年度/季节性）的性能监测，而非仅局限于实验室小样或气候箱测试。 * 夜间热管理：对于夏季，需要关注SS-CPCM在夜间能否有效释放白天储存的热量，以恢复第二天的储热能力。这在通风不良或夜间气温高的地区可能是个问题。 * 技术经济性分析：评估使用SS-CPCM的建筑围护结构在全生命周期内的成本效益，是其能否大规模商业化应用的关键。 3. 多功能与智能化：探索具有更优性能（如更高导热、更高潜热、定向热传导）或附加功能（如自修复、调光）的新型SS-CPCM。
本文的学术价值与意义
本篇综述文章具有重要的学术价值和实践指导意义： 1. 系统性：它首次专门针对“基于有机PCM的形状稳定复合PCM”这一主题进行了全面、详细的综述，填补了该细分领域综述文献的不足。 2. 条理性与资料详实：文章结构清晰，从问题背景、材料构成（多孔材料、纳米颗粒）到建筑应用，逻辑连贯。文中引用了大量（超过100项）近年来的前沿研究，并通过多个表格系统总结了各类材料的性能数据，为读者提供了极具参考价值的信息库。 3. 前瞻性：不仅总结了现有成果，更重要的是明确指出了当前研究存在的空白和未来发展方向，为后续研究者提供了清晰的路线图。 4. 应用导向：文章始终紧扣“建筑热储能”这一应用目标，所有材料讨论和应用案例都服务于提升建筑能效和室内热舒适，具有很强的工程应用参考价值。
这篇由Rathore和Shukla撰写的综述，成功地将形状稳定化技术作为提升有机PCM性能的核心手段进行了深度剖析，系统梳理了其材料科学基础与建筑应用成效，是该领域研究人员和建筑技术工程师了解现状、把握趋势的一份重要参考文献。