基于相位变化材料（PCM）的先进路面材料综述
一、论文概述
本文题为《An overview of phase change materials and their applications in pavement》，由波兰克拉科夫技术大学、法国南特大学和哈萨克斯坦古米廖夫欧亚国立大学等机构的研究人员共同撰写。作者包括Kinga Korniejenko（通讯作者）、Marek Nykiel、Marta Choinska、Assel Jexembayeva、Marat Konkanov和Lyazat Aruova。该综述于2024年5月10日发表于MDPI旗下的开放获取期刊《Energies》第17卷第10期（文章编号2292）。文章的核心主题是全面梳理和评估相位变化材料（Phase Change Material, PCM）在路面工程，特别是沥青和水泥混凝土路面中的应用现状、技术挑战与发展前景。
二、核心观点与论述
观点一：PCM在路面工程中具有广阔的应用潜力和多重效益，但其大规模应用仍面临技术挑战。
文章明确指出，将PCM与沥青或水泥混凝土等路面基体材料复合，是道路建设领域一种前景广阔的新型先进材料。主要驱动力在于通过PCM的相变潜热储能特性，实现对路面温度的主动调节。这种调控能力可带来三大核心益处：第一，调节路面温度，缓解极端温度带来的负面影响；第二，增强路面耐久性；第三，避免或减轻道路热岛效应。这些益处具体体现在多个方面：在低温环境下，PCM可用于融雪化冰，提升冬季交通安全；在高温环境下，PCM能吸收热量，降低路面峰值温度，从而减少车辙、氧化老化、蠕变等高温病害，并直接缓解城市热岛效应。
然而，文章也详细阐述了将PCM成功应用于路面所面临的主要挑战。这些挑战主要集中于材料性能的负面影响和制造工艺的复杂性。PCM的直接掺入可能导致基体材料的力学性能（如强度）下降、开裂倾向增加，并引发化学性质变化。因此，通常需要采用封装技术（微胶囊或宏胶囊）或将PCM浸渍到多孔骨料中，以防止泄漏并与基体材料相容。这些额外的工艺步骤会增加制造成本和复杂性。此外，PCM自身的工作温度范围（通常在-50°C至150°C之间）、热导率、化学稳定性（如腐蚀性、可燃性）以及经济成本（尤其是适用于高温的金属或盐类PCM）也是选择和设计时需要考虑的关键因素。
支持论据与子观点： * 应用效益证据：文章通过总结近年来的研究（如表1所示），列举了PCM带来的具体效果。例如，使用PCM可将路面表面温度降低2°C至超过11°C，峰值温度出现时间可延迟40分钟；能显著提高沥青混合料的高温抗车辙能力（有研究显示提升达30.7%）；并能有效用于除冰系统，在降雪期间维持路面温度在冰点以上。 * 挑战的具体体现：文中引用多项研究说明，PCM的掺入有时会对沥青的流变性能产生复杂影响，或降低混凝土的力学强度。封装技术被普遍认为是解决泄漏和兼容性问题的有效途径，但其本身也对封装壳体的机械强度和耐久性提出了要求。
观点二：PCM材料种类多样，其选择需基于热物理、化学、物理及经济等多重标准。
文章对PCM进行了系统分类，将其分为三大类：有机PCM、无机PCM和共晶PCM。 1. 有机PCM：主要包括石蜡、脂肪酸（如月桂酸、棕榈酸）以及聚乙二醇等。其优势在于化学和物理稳定性好、无腐蚀性、相变温度范围广。石蜡是最常用的有机PCM，其相变温度常接近0°C，适用于季节性冻融地区。聚乙二醇在沥青混合料中应用较多。但有机PCM通常存在热导率较低、部分材料易燃的问题。 2. 无机PCM：主要包括水合盐、熔融盐和金属等。优势在于相变潜热高、热导率高、不易燃。例如，硝酸盐等适用于更高温度的场景。其主要缺点是可能具有腐蚀性，且部分材料存在过冷和相分离现象。 3. 共晶PCM：由两种或多种不同组分构成，可以是有机-有机、无机-有机或无机-无机组合。其最大优点是可以“定制”特定的相变温度，以满足特定应用需求。但这类材料的性能数据库尚不完善，仍需深入研究。
文章强调，选择适用于路面的PCM是一个多目标决策过程，需综合考虑以下关键性能： * 热物理性能：相变潜热、热导率、比热容、相变温度。 * 化学性能：腐蚀性、毒性、可燃性、化学稳定性。 * 物理性能：相变过程中的体积变化、密度、抗冻融循环耐久性。 * 动力学性能：成核速率、晶体生长速度、过冷度。 * 经济性：材料的可获得性和成本。 * 与基体材料的兼容性及施工工艺：不同的路面材料（沥青/混凝土）和掺入技术（直接混合、封装、浸渍骨料）对PCM的选择有直接影响。
支持论据与子观点： * 分类实例：文中具体列出了各类PCM的代表物质及其典型特性。例如，石蜡的潜热约为200 kJ/kg，热导率在0.15-0.45 W/mK之间；而脂肪酸盐的相变温度范围更宽。 * 选择标准的重要性：论文指出，单纯追求高潜热或高热导率并不足够。例如，若PCM与沥青发生不良化学反应，或因其掺入严重劣化了混合料的抗疲劳性能，则其温度调节功能将失去实用价值。
观点三：PCM与路面材料的复合制造技术是决定应用成败的关键，目前以浸渍/封装技术为主流。
文章详细介绍了将PCM整合到路面材料中的主要技术路径，并分析了各自的优缺点。主流技术可分为三类： 1. 浸渍法：将PCM（液态）浸渍到多孔轻质骨料（如膨胀页岩、粘土、珍珠岩）的孔隙中。首先制备多孔骨料，干燥后浸入加热熔化的PCM中，使其渗入孔隙，最后将这些负载了PCM的骨料与水泥或沥青混合。此方法能有效防止PCM泄漏，是混凝土路面中常用的技术。 2. 封装法：将PCM包裹在微型或宏型胶囊外壳中，再掺入基体材料。微胶囊化技术可以防止PCM聚集，减少对材料力学性能的负面影响，并保护PCM免受环境影响。这是沥青路面应用研究中常见的方法。 3. 直接混合法：将PCM直接与沥青或混凝土原料混合。这种方法工艺最简单，但如前所述，容易导致PCM泄漏、与基体相容性差，并对材料性能产生较大不利影响，因此应用受限，通常需要与其他技术结合或进行改性。
文章特别指出，微胶囊化技术在路面应用中扮演着特殊角色，它能避免PCM相的大规模聚集，从而减轻对力学性能的损害。此外，文中还提及了前沿的溶液纺丝法制备纤维基PCM的可能性，这种技术有望将PCM与纤维增强相结合，在调节温度的同时提高材料的抗弯强度，但目前尚未在路面领域进行测试。
支持论据与子观点： * 技术对比分析：文章通过综述多个研究案例（表1），说明了不同技术路线的应用情况和效果。例如，直接混合PCM（如聚乙二醇）常被用于研究其对沥青流变性能的影响；而采用膨胀粘土骨料浸渍PCM则被用于制备具有降温功能的水泥混凝土路面。 * 封装技术的必要性：文中引用研究强调，对于沥青结合料，PCM的微胶囊化形式能有效调节温度变化，且不影响其流变性能；而直接添加则可能显著改变沥青的常规特性（如针入度、软化点）和流变行为。
观点四：当前研究揭示了PCM路面在温度调控、耐久性提升及环境效益方面的积极成果，并指明了未来的研究方向。
文章通过系统文献调研（基于Scopus等数据库，筛选出149篇相关文献），总结了近年来PCM在路面应用中的主要研究成果（这些成果被系统整理在篇幅庞大的表1中）。总体而言，研究证实了PCM在延迟路面峰值温度、储存和释放热量以实现温度调节方面的显著潜力。这种调控作用进而提升了材料的长期性能，如增强抗车辙能力。部分实地研究还验证了PCM在昼夜温差调节和除冰方面的有效性。
展望未来，文章指出了以下几个具有前景的研究方向和发展趋势： 1. 材料创新：开发新型、低成本、适用于更高温度的PCM；研究纳米PCM添加剂和纳米纤维壳体，以改善热性能；探索将碳纤维等其他功能材料与PCM复合。 2. 载体与可持续性：利用废料或副产品（如废砖、钢渣、粉煤灰）作为PCM的载体，提高技术的环境友好性和经济性；开展此类复合材料的全生命周期评估和可回收性研究。 3. 系统功能拓展：将PCM路面与能量采集系统结合，利用太阳能和路面热梯度进行热能收集与存储，为绿色能源供应提供补充。 4. 技术工艺优化：改进封装和浸渍技术，进一步提高防泄漏可靠性和长期耐久性；优化PCM在混合料中的分布。 5. 建模与仿真深化：发展更先进的数值模型（如三维仿真、精细化物理模型），以更准确地预测PCM路面在真实气候和荷载条件下的热-力耦合行为，指导材料设计与性能评估。
支持论据与子观点： * 研究成果汇总：表1详尽列举了超过30项重要研究，涵盖了不同的PCM类型（有机、无机、共晶）、基体材料（沥青、水泥混凝土）、应用目标（降温、防冻、抗车辙）和制造技术，为读者提供了全面的“研究地图”。 * 前沿方向例证：文中提及了使用PCM进行路面热能收集的初步研究，以及将PCM与纳米材料、废弃物结合的最新探索，显示了该领域交叉融合的创新活力。
三、论文的意义与价值
本综述论文具有重要的学术价值和实践指导意义。首先，在学术上，它系统地梳理了一个新兴交叉领域——PCM在路面工程中的应用——在过去十余年（特别是2017年后）的研究进展。通过对大量文献的归纳与总结，文章清晰地勾勒出该领域的研究脉络、技术路径、已取得的共识以及存在的挑战，为后续研究者提供了宝贵的知识基础和清晰的攻关方向。其次，在实践上，文章为道路工程师、材料科学家和行业决策者提供了关于PCM路面技术可行性、效益评估和技术选项的全面参考。它既展示了PCM技术在提升路面性能、延长使用寿命、增强交通安全和缓解城市热环境方面的巨大潜力，也客观分析了其当前面临的经济成本和技术复杂性障碍，有助于推动该技术从实验室研究走向工程化试点和最终规模化应用。这篇综述是理解PCM路面技术现状和未来发展趋势的一份关键文献。