本文是一篇发表于《sustainable energy technologies and assessments》期刊（2022年，第52卷，文章ID 102084）的综述性论文，作者为来自加拿大圭尔夫大学机械工程学院的Kasra Ghasemi、Syeda Tasnim和Shohel Mahmud。该论文系统地回顾了相变材料（Phase Change Material, PCM）、纳米/微胶囊化（Nano/Microencapsulation）及其浆料（Slurries）领域的基础知识、分类、制备方法、数值模型与应用，旨在为该领域的研究人员提供全面而深入的参考。
论文主题与背景 论文的核心主题是应对现代社会日益增长的可持续能源需求。热能储存（Thermal Energy Storage, TES）技术，特别是基于潜热储存（Latent Heat Storage, LHS）的相变材料技术，因其高储热密度而在优化能源利用（尤其是利用余热和可再生能源）方面展现出巨大潜力。然而，传统块体PCM在实际应用中面临诸多挑战，例如材料泄漏、与环境的潜在化学反应以及较低的热导率。将PCM封装在一个壳层或多孔网络内，形成纳米或微米尺度的封装相变材料（Encapsulated PCM, EPCM），被认为是解决这些问题的有效方案。此外，将PCM颗粒与传热流体混合形成的PCM浆料（PCM Slurries, PCMS），能够结合传热流体流动性与PCM高储热容量的优点，进一步提高热能系统的效率与紧凑性。
尽管已有一些关于微胶囊化相变材料（Microencapsulated PCM, MPCM）和PCMS的综述发表，但本文是第一篇全面同时涵盖实验与数值研究、并对PCM基础、纳米/微胶囊化、浆料、壳层材料、选择标准、可用制备方法、潜热模拟数值模型及近期突出进展进行系统评述的论文。作者旨在通过提供对比表和首创性图表，为研究人员梳理清晰的领域知识图谱，识别研究空白，并为未来研究方向提出建议。
主要观点与论据阐述
观点一：明确相变材料（PCM）的基础分类、特性及其作为封装核心材料的选择标准 论文首先详细阐述了作为热能储存核心的PCM。根据相变模式，PCM可分为固-固、固-液、液-气、固-气四种类型，其中固-液相变材料（Solid-Liquid PCM, SL-PCM）因高相变焓和材料选择范围广而最为常用。论文深入剖析了SL-PCM的三个关键现象：潜热（Latent Heat）、过冷度（Subcooling，或称Supercooling）和相分离（Phase Separation），并解释了其热力学原理和影响因素。
随后，论文将SL-PCM分为有机、无机和共晶三大类，并对其优缺点进行了系统比较。1) 有机PCM：包括石蜡（Paraffin，最常用，因其可负担性）和非石蜡类（如脂肪酸）。优点包括相变温度稳定、无过冷、无相分离、无腐蚀性；缺点是热导率低、易燃，部分材料随时间推移储热能力可能下降。2) 无机PCM：包括水合盐（Salt Hydrates）和金属。优点是储热密度高、热导率好、价格低廉、不易燃；缺点则是存在过冷、相分离和腐蚀性问题。3) 共晶PCM（Eutectic Material）：由两种或以上组分混合而成，可实现低温（甚至低于0℃）相变且无过冷和相分离，适合制冷应用，但成本较高，相变焓通常低于前两类。
为选择合适PCM，论文提供了包含物理特性（如相变温度、焓值、热导率）、技术要求（如体积变化、化学稳定性、安全性）和经济要求（如价格、可回收性）的综合选择标准表。论文指出，石蜡因其性价比最高而应用最广，无机PCM和共晶材料则分别适用于高温应用和制冷领域。这些基础知识为后续讨论如何通过封装和形成浆料来克服各类PCM的固有缺点（如泄漏、热导率低）奠定了基础。
观点二：系统阐述纳米/微胶囊化相变材料（EPCM）与PCM浆料（PCMS）的概念、类型及性能特征 论文核心部分之一是介绍EPCM与PCMS。EPCM是将PCM封装在壳层中，其优势在于防止泄漏、增加换热表面积、保护PCM免受环境影响。根据胶囊尺寸，可分为宏胶囊（>1000 μm）、微胶囊（1-1000 μm）和纳胶囊（1-1000 nm）。纳胶囊因更高的比表面积而具有更好的换热性能和分散稳定性，但面临颗粒不稳定和团聚的挑战。
PCMS是将PCM（通常以EPCM形式）分散在传热流体（如水）中形成的悬浮液。它结合了流体的流动性和PCM的高储热能力，能提高系统能量密度和传热系数。论文详细介绍了四种主要的PCMS类型： 1. PCM乳液（PCM Emulsion, PCME）：PCM与不互溶的传热流体（如水）通过乳化剂混合。优点简单，但长期稳定性差，易发生相分离。 2. 笼形水合物PCM浆料（Clathrate Hydrate PCMS, CH-PCMS）：水分子形成笼形结构包合物。可在常温附近相变，储冷密度高，长期稳定性好，流动性佳。 3. 形状稳定化PCM（Shape-Stabilized PCM, SS-PCM）：将PCM浸渍在多孔支撑材料（如高密度聚乙烯）中。无需独立壳层，稳定性好，但相变焓值有所降低。 4. 纳米/微胶囊化PCM浆料（N/MPCMS）：将N/MPCM颗粒分散在传热流体中。这是应用最广的概念，得益于胶囊壳层提供的良好保护，浆料稳定性高，PCM选择灵活，但成本相对较高。
论文进一步推导并阐述了PCMS的关键热物性（如等效密度、比热容、热导率、粘度）的计算模型与关联式，强调了质量分数、颗粒尺寸、剪切速率等因素对浆料性能（特别是粘度与压力降）的显著影响，为系统设计与优化提供了理论依据。
观点三：全面梳理和比较EPCM的壳层材料与制备方法，并评估其优劣 这是论文最具技术细节的部分之一。壳层材料需具备柔性、低渗透性、机械与热循环耐久性、低反应性、表面光滑、高热导率和成本效益。论文列出了超过50种有机、无机及杂化材料，其中亲水性和疏水性聚合物因成本与性能平衡而最常用。壳层形态包括单核均匀壳、多核多层壳、多核单壳及基质包埋等多种结构。
论文将制备方法分为物理法、物理化学法和化学法三大类，并逐一详解： * 物理法：如喷雾干燥/冷却（Spray Drying/Cooling）、空气悬浮包衣（Air-Suspension Coating）、锅包衣（Pan Coating）、离心挤出（Centrifugal Extrusion）、振动喷嘴（Vibrational Nozzle）、溶剂蒸发（Solvent Evaporation）和超临界流体法（Supercritical Fluid Preparing）。此类方法通常环境友好，但难以制备纳米级胶囊，且部分方法（如锅包衣）不适用于PCM封装。喷雾干燥法因成本低、可规模化而最常用。 * 物理化学法：如凝聚法（Coacervation）和溶胶-凝胶法（Sol-Gel）。凝聚法利用带相反电荷的聚合物（如明胶-阿拉伯胶）相互作用在PCM表面沉淀形成壳层，可实现高效封装，但规模化较难。溶胶-凝胶法主要用于制备无机壳层（如SiO2），工艺简单、成本低，对无机PCM核心兼容性好，能提供良好的热稳定性和阻燃性。 * 化学法：如原位聚合（In-situ Polymerization）、界面聚合（Interfacial Polymerization）、悬浮聚合（Suspension Polymerization）。此类方法能提供更好的粒径控制和分布，尤其是原位聚合法，可制备表面光滑、性能优良的胶囊，是目前最常用的EPCM制备技术。然而，化学方法通常涉及有毒单体和溶剂，带来环境和健康问题。
论文通过对比指出，原位聚合法能够提供更好的粒径范围、分布和表面光滑度，但环境问题显著。溶胶-凝胶法则因环境友好和适用于高温PCM而受到关注。作者还总结了大量文献中不同核心-壳层材料组合的实例，为研究人员选择制备方案提供了具体参考。
观点四：综述用于潜热储存模拟的数值模型，并比较其特点与应用 论文专门章节回顾了模拟EPCM和PCMS中相变传热过程的计算流体动力学（CFD）模型。重点介绍了两种广泛应用的技术： 1. 焓-多孔介质模型（Enthalpy-Porous Model）：该模型通过求解包含相变潜热源项的焓输运方程来处理相变界面。它能够自然捕捉固-液界面，但计算量相对较大。 2. 表观比热法（Apparent Specific Heat Method）：该方法将潜热效应转化为在相变温度区间内一个很大的“表观”比热容。其优势在于易于在现有CFD软件中实现，计算相对简便，但界面捕捉精度依赖于温度区间的设置。
论文指出，这两种模型在各自适用的工业应用中都是高度使用的技术。焓-多孔介质模型更擅长处理清晰的相变界面问题，而表观比热法则在追求计算效率的工程应用中更受欢迎。这部分内容为从事数值模拟的研究者提供了模型选择的重要指导。
观点五：识别当前研究空白并为未来研究方向提出建议 在全面回顾的基础上，论文总结了该领域的重要主题和研究缺口，并提出了未来研究的建议，例如： * 材料开发：需要研发更高热导率、更高循环稳定性、更低成本以及更环境友好的核心与壳层材料。 * 制备工艺优化：探索可规模化、更环保、能精确控制胶囊尺寸和壳层厚度的新型封装技术，特别是针对纳米胶囊的稳定制备。 * 浆料性能提升：深入研究PCMS的长期稳定性（防止沉降、团聚）、流变特性以及与系统部件（如泵、换热器）的相容性。 * 数值模型改进：发展更精确、高效的多相流与相变耦合数值模型，以更好地预测复杂工况下PCMS的流动与传热性能。 * 应用拓展：将先进的EPCM和PCMS技术更广泛地应用于太阳能系统、建筑节能、电子冷却、冷链运输及工业余热回收等具体场景。
论文的意义与价值 本文的价值在于其前所未有的全面性和系统性。它成功地将PCM基础理论、封装技术、浆料科学、制备工艺和数值模拟等多个维度整合在一篇综述中，为领域内新进入者和资深研究者均提供了一份宝贵的“路线图”。文中大量的对比表格和首次汇总的图表（如不同SL-PCM的熔点与熔焓关系图）极大地增强了信息的清晰度和实用性。通过明确指出不同材料与方法的优缺点、适用场景以及当前的研究挑战，本文不仅梳理了现有知识，更有效地指引了未来的创新路径，对推动相变储热技术向着更高效率、更低成本和更广泛应用发展具有重要的学术参考价值和工程指导意义。