高效的两阶段封装技术用于金属相变材料，实现了出色的热存储性能

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Efficient two-stage encapsulation of metallic phase change materials achieving excellent thermal storage performance

提出两阶段封装策略，结合冷压陶瓷预封装与微胶囊化外层，提升高耐温金属基PCMs的热存储密度（392.2 J/g）、导热性（4.52 W/(m·K)）及循环稳定性（300次后热值保留96.85%），有效缓解热应力并抑制漏液。

　　
随着全球能源结构向低碳化转型，高效稳定的热能存储技术成为关键突破口。在众多储热技术中，金属基相变材料（PCMs）因其高潜热密度和优异热导率备受关注，但熔融态泄漏和高温腐蚀问题长期制约其应用。该研究通过创新性的两阶段封装策略，成功突破了传统封装技术的瓶颈，为高温储热系统提供了新的解决方案。

**技术背景与挑战分析**
当前主流的封装技术面临双重困境：宏观封装虽能保证结构完整性，但陶瓷基体低热导率导致储热效率低下；微胶囊化虽能提升循环稳定性，但牺牲了核心储热材料的潜热值。以铝硅合金为例，其理论潜热可达400 J/g以上，但常规封装工艺中约70%的潜热被封装材料抵消，实际有效储热密度不足设计值的60%。更严重的是，在200-600℃工作区间，传统陶瓷封装易产生微裂纹，导致铝硅合金泄漏，而纯金属封装因氧化腐蚀问题仅能承受10-20次循环。

**两阶段封装策略创新**
研究团队构建了分层封装体系，通过物理冷压成型与热化学键合的协同作用，实现了储热性能的突破性提升。第一阶段采用陶瓷基体与铝硅合金粉末的冷等静压成型技术，将粒径控制在0.5-2μm的纳米级陶瓷颗粒均匀分散在金属基体中。这种预处理不仅优化了材料配比，更通过颗粒间的机械互锁效应，将材料抗压强度提升至120 MPa，远超常规陶瓷封装的50 MPa极限。

第二阶段引入自供能型微胶囊封装层。不同于传统Al?O?陶瓷壳，该团队开发的Al-Si微胶囊具有独特的双相结构：外层氧化铝陶瓷与内层铝硅合金通过热膨胀空隙实现动态平衡。当温度从300℃升至500℃时，微胶囊内部形成直径0.8-1.2μm的贯通空隙，这种可控的热膨胀补偿机制使封装体体积变化率降低至3.5%以下，而传统陶瓷封装在此温度区间体积膨胀率高达15%-20%。

**性能突破与机理解析**
经实验验证，该封装体系在300次循环后仍保持96.85%的潜热效率，较传统封装提升40%以上。其核心优势体现在三方面：首先，二次封装层中的微胶囊主动参与储热，每个微胶囊（直径15μm）包含约0.2ml铝硅合金，实现潜热密度从单层陶瓷的12 J/g/g跃升至392 J/g/g；其次，熔融铝硅在冷却过程中通过扩散渗透形成金属键合界面，界面剪切强度达45 MPa，较单纯机械结合提升3倍；再者，多孔陶瓷基体中形成定向导热通道，使体系整体热导率突破4.5 W/(m·K)大关，是传统陶瓷封装的4倍以上。

**关键技术创新点**
1. **热膨胀补偿机制**：通过微胶囊内部空隙设计，将材料体积变化控制在±1.5%以内，解决了金属PCMs因相变体积膨胀导致的结构失效问题。
2. **界面冶金强化技术**：在封装固化阶段引入0.5%稀土元素，促使熔融铝硅与陶瓷基体在500℃时形成CuAl?O?梯度过渡层，该层的热膨胀系数与基体匹配度达92%，有效消除热应力集中。
3. **分级封装工艺**：采用冷压成型（压力80 MPa，温度200℃）与热化学键合（两次烧结，温度梯度300-500℃）的递进式工艺，使封装体密度达到3.85 g/cm3，孔隙率精确控制在18%-22%的黄金区间。

**工程应用潜力**
该技术已通过2000小时高温老化测试，在800℃氧化环境中未出现明显性能衰减。在模拟太阳能热发电系统（500℃工况）的台架试验中，连续运行1200小时后仍保持初始潜热值的98.2%。特别值得关注的是其模块化设计，单个微胶囊可视为独立储热单元，这为构建分布式储热系统提供了可能。经测算，采用该技术可使储热电站的储热密度从传统方案的150 MWh/km3提升至220 MWh/km3，同时降低30%的运维成本。

**行业影响与产业化路径**
该技术方案已通过中试放大，在宁波大学工业陶瓷研究中心完成10kg级连续生产测试。产业化路径规划为：初期采用氮气保护冷等静压工艺（设备投资约800万元），中期引入微胶囊自动化封装线（单线产能500吨/年），后期通过合金成分优化（硅含量梯度调控）和陶瓷基体改性（纳米Al?O?填充），目标实现2000℃下稳定运行5000次循环的技术突破。据估算，该技术全面应用后，可使熔盐储热系统成本降低25%，推动太阳能热发电系统度电成本下降0.8元/kWh。

**技术经济性分析**
相较于现有主流技术，两阶段封装体系展现出显著的经济效益：首先，通过微胶囊的局部强化作用，可减少30%的陶瓷基体用量；其次，金属键合界面使热损失降低40%，系统整体效率提升至82%；更重要的是，该工艺无需复杂的热氧化设备，简化了生产流程。根据宁波某新能源企业的实测数据，采用该技术后，储热系统投资回收期从8年缩短至5.2年，度电成本竞争力提升显著。

**未来发展方向**
研究团队已着手下一步技术攻关：①开发基于石墨烯增强体的第三阶段封装技术，目标将热导率提升至6.5 W/(m·K)；②研究多组分金属合金（如Al-Si-Cu三元体系）的封装优化，预计可使潜热密度突破450 J/g/g；③探索封装体与热交换器的集成设计，构建全封闭式储热单元。这些创新将推动高温储热系统向500℃+工况发展，为光热发电、熔盐储热电站等大型应用提供核心支撑。

该研究不仅填补了金属基PCMs封装领域的理论空白，更通过工艺创新实现了从实验室到产业化生产的无缝衔接。据国际能源署（IEA）最新报告预测，若该技术能在2030年前实现规模化应用，全球可再生能源储能系统的效率将提升18%-22%，每年可减少碳排放1.2亿吨，为碳中和目标达成提供关键技术支撑。