综述：形状稳定的相变材料：制备技术、新型支撑基质、人工智能辅助优化以及储能应用

《Journal of Energy Storage》：Shape stabilized phase change materials: Preparation techniques, emerging support matrices, artificial intelligence assisted optimization, and energy storage applications

　　阿米特·库马尔|K.乔普拉|V.V.泰亚吉|萨克希·波普利|雷吉·库马尔·拉贾莫尼|阿纳斯·伊斯兰|A.K.潘迪印度查谟与克什米尔邦卡特拉市，斯里玛塔瓦伊什诺德维大学机械工程学院，邮编182320

摘要
近期，形状稳定型相变材料因其在热能存储领域的潜力而受到关注。这是因为它们能够克服传统相变材料的一些重大缺陷。本文对2021年至2026年间相关研究的进展进行了深入分析，重点探讨了这类材料的制备方法、辅助材料、稳定机制以及智能优化技术。从相变材料填充量、泄漏控制、热稳定性、潜热存储能力及可扩展性等方面对比了不同的形状稳定型相变材料制备方法。同时系统分析了先进辅助材料对材料孔结构、热导率、界面相容性以及整体能量存储性能的影响。本研究阐明了形状稳定及提升热传递效率的关键机制。此外还通过Scopus数据库进行了文献计量分析，以梳理该领域的研究趋势、主要贡献者以及新兴研究方向。文中强调了人工智能和机器学习在材料选择、热物理性质预测以及加速材料设计方面的应用价值。比较研究表明，虽然生物基材料具有更好的可持续性和经济性，但碳基及混合多孔结构则能有效提升材料的导热性和结构稳定性。最后，本文指出了形状稳定型相变材料在可靠性、可扩展性及商业化应用方面存在的挑战，并提出了其在能源与热管理领域发展的未来方向。

引言
由于气候变化以及人类对能源需求的不断增加，能源节约在当今时代已变得至关重要。通过采用可再生能源并实施节能改造，可以减少对日益稀缺的化石燃料的依赖。尽管非常规能源比传统能源更易获取且污染更少，但可再生能源的主要缺点在于其能量密度较低，且在不同应用场景中存在间歇性供应问题。因此，采用高效的能量存储系统能够显著提升可再生能源的利用效率[1][2]。目前已有多种利用太阳能热能的方法，包括潜热存储、热化学存储以及显热存储系统[3]。近年来，基于等温充放热的相变材料因其在潜热存储方面的优势而受到研究界的广泛关注[4]。

相变材料已被广泛应用于各种领域，如冷冻柜[5]、冷链物流[6]、太阳能热装置[7][8]、舒适性温度控制系统[9][10][11]，以及易腐食品的保存[12][13]。根据相变过程的不同，相变材料可分为固液型、固气型、液气型以及固固型。由于固液型相变材料具有较高的能量存储容量，且在存储和释放能量过程中体积变化较小，因此被最为广泛地应用[14]。不过，使用传统方法处理相变材料时会面临诸多实际难题，比如相变过程中的体积波动、泄漏问题，以及由于热导率低导致的传热不良。而当有机相变材料被用于容器或电子设备中时，泄漏问题可能会造成严重的污染或设备故障。将相变材料封装在辅助基质中是一种有效的解决方案，这种形状稳定化技术不仅拓展了有机相变材料在实际中的应用范围，还促进了其粉末或颗粒复合材料的工业化生产。尽管在辅助基质中实现相变材料的形状稳定化是一种成本效益较高的策略，但在某些情况下仍无法用微囊化技术替代它。在这种复合结构中，工作材料与辅助材料共同构成形状稳定型相变材料。在熔化或固化过程中，工作材料负责存储或释放潜热，而辅助材料则防止熔融态物质泄漏，并保持整个系统的固态结构[15]。这类辅助材料通常由聚合物、多孔材料以及纳米材料构成。多项研究表明，通过合理设计辅助材料，不仅可以实现较高的热能存储密度，还能有效包裹更多量的相变材料。在形状稳定化技术中，需要综合考虑多个因素才能优化相变材料的热性能及能量存储效率。例如，封装材料的机械强度以及封装效果是微囊化相变材料的重要考量因素；而对于聚合物基质而言，其化学相容性和热稳定性则是形状稳定化策略中的关键要素。对于以纳米材料为支撑的相变材料复合材料，其合成方法及孔结构会影响材料的形状稳定性及相变材料的分散程度。形状稳定化技术不仅解决了有机相变材料的诸多缺陷，还为智能型潜热存储材料的发展奠定了基础。

在相关文献中，“形状稳定型”“形状持久型”与“形态稳定型”相变材料常常被混用，因为它们都指的是那种通过辅助基质将液相物理限制在其中，从而避免相变过程中发生泄漏的相变材料复合材料。不过，这类材料与微囊化相变材料有着本质区别。在形状稳定型或形态稳定型相变材料中，相变材料是通过毛细力、表面张力等作用保持在多孔或聚合物支撑结构中的，不会形成独立的封装壳层；而微囊化相变材料则具有核壳结构，相变材料被包裹在保护性壳层材料之中，从而获得更好的隔离效果和机械稳定性。因此，尽管这两种方法的目的都是防止泄漏，但它们的制造方法及应用场景存在显著差异。李等人[16]以负载碳点的碳化木作为辅助基质，与聚乙二醇结合，开发出一种新型的形状稳定型复合相变材料。该复合材料在经过50次加热和冷却循环后仍表现出优异的热稳定性，同时具有较高的能量存储容量（112.4焦耳/克）以及较高的光热转换效率（84.4%）。翁等人[17]则利用生物基椰子壳与聚乙二醇制成纳米复合材料用于能量存储。实验结果表明，这种椰子壳/聚乙二醇复合材料能有效减少聚乙二醇的泄漏现象，尤其是当椰子壳与聚乙二醇的质量比为3:7时，该材料的潜热容量高达109千焦/千克。魏等人[18]开发的形状稳定型相变材料具有出色的结构稳定性，即使在高于其熔点的温度下，其泄漏率也低于1%。此外，乙二醇还是提升材料整体性能的重要成分。马等人[19]发现，由于乙二醇泡沫形成了三维导热网络，因此聚苯乙烯/乙二醇复合材料的导热性能得到了显著提升。此外，他们所制备的神经相变材料还表现出优异的形态稳定性，泄漏率仅为2.95%。贾法里普尔等人[20]则为了减少泄漏，制备了高岭土/硬脂酸复合相变材料用于热能存储应用。他们采用了以正己烷为溶剂的溶液法来优化高岭土中硬脂酸的添加比例。实验结果表明，粒径为260目、含相变材料质量分数为75%的高岭土在130摄氏度下加热100分钟后仍能保持良好的性能。邓等人[21]则通过将聚乙二醇与碳化硅纳米线以及膨胀蛭石结合，解决了相变过程中材料形态不稳定的问题，同时提升了聚乙二醇的传热速度。膨胀蛭石的多孔结构与碳化硅纳米线的表面特性共同起到了抑制材料流动性的作用。这些研究都表明，泡沫状及多孔结构的支撑材料能够显著提升相变材料的传热性能和热稳定性，从而有助于更好地调节室内温度并降低能耗。这些进展充分体现了形状稳定型相变材料在可持续建筑技术中的应用价值[22]。在可持续能源存储领域，人们越来越重视开发源自可再生资源及废弃物的生物基相变材料。这类材料具有环境友好、成本低廉以及孔结构可调控等优点，但也存在热导率相对较低、长期循环使用后稳定性较差等问题，因此还需要进一步优化材料结构或采用混合设计策略[23]。最近的实验研究[24]表明，基于膨胀石墨的三维导电网络能够显著提升形状稳定型相变材料的导热性能。这种相互连通的多孔结构不仅有助于快速传热，还能通过强大的毛细力防止材料泄漏。不过，由于加入了导电填料，这类材料的潜热容量会有所下降。

本文通过Scopus数据库进行了文献计量分析，旨在梳理2021年至2026年间关于形状稳定型相变材料的相关研究情况。研究选取了“形状稳定型相变材料”“相变材料”以及“热能存储”等相关关键词，进而运用VOSviewer软件分析研究趋势、合作网络以及关键词的共现情况。通过分析，可以了解该领域的全球研究现状以及正在形成的研究热点。图1展示了从事形状稳定型相变材料研究的学者之间的合作网络关系，较大的节点代表研究贡献较大的学者，而节点之间的连接则反映了学者间的合作程度以及不同研究团队或研究群体的形成情况。图2则呈现了形状稳定型相变材料相关的关键词共现网络，从中可以看出该领域的主要研究方向及主题关联，其中材料研发、热能存储应用以及性能表征等都是当前研究的核心内容。

本研究的主要创新点与贡献如下：
?本综述的创新之处在于，它基于2021年至2026年的最新研究成果，对形状稳定型相变材料进行了全面且多维度的分析，而不仅仅聚焦于特定材料的合成方法。
●本文对各种物理约束技术进行了系统而深入的比较，包括熔融浸渍法、真空浸渍法以及混合约束法，分析了这些技术在相变材料填充量、泄漏预防以及热稳定性方面的局限性、可扩展性问题以及性能权衡关系。
●本研究提出了一个系统化的框架，用于分类和选择各类辅助材料，包括生物基材料、碳基材料、聚合物材料、无机材料，以及MOFs和纳米结构等先进材料。同时，还将孔隙率、热导率以及界面相容性等关键性能指标与材料的整体性能联系起来。
●本文阐明了形状稳定以及提升热传递效率的关键机制，如毛细约束效应、界面作用力以及导电网络的形成机制。这些分析揭示了材料的设计原理与其实际性能之间的关系，弥补了以往研究中存在的不足。
●此外，本文还介绍了人工智能和机器学习在形状稳定型相变材料设计中的新兴应用价值，强调了它们在预测材料结构与性能之间的关系、优化材料选择以及减少实验工作量方面的潜力。这一视角具有很强的前瞻性，而在传统的综述中很少涉及。
●另外，本文还通过文献计量分析（2021–2026年）梳理了该领域的全球研究趋势、主要贡献者以及新兴研究方向，为该领域提供了数据驱动的分析视角。
●最后，本文指出了当前研究存在的一些关键缺口，包括可扩展性、长期热稳定性以及成本效益等方面的问题，并提出了开发下一代形状稳定型相变材料的未来研究方向。

总体而言，本综述不仅总结了该领域的最新研究成果，还在材料选择、性能优化以及智能设计策略方面提供了新的见解，为热能存储领域的发展做出了具有前瞻性的贡献，弥补了以往综述中在全面分析形状稳定型相变材料整体性能方面的不足。

部分内容摘录
形态稳定型相变材料的制备技术
通常有两种主要方法可用于制备形态稳定型相变材料：物理方法和化学方法，如图3所示。物理方法主要依靠毛细作用、表面张力以及范德华力等非化学相互作用，将相变材料嵌入辅助基质中，而不形成任何化学键。化学方法则是基于相变材料、辅助基质或功能性添加剂之间的化学反应，从而形成新的结构。

辅助材料领域的最新进展
许多研究者通过实验研究了不同类型的辅助材料与相变材料的组合，旨在开发出形态更稳定的相变材料，从而提升其热性能、稳定性，并减少泄漏现象。各类辅助材料与相变材料的组合情况如图11所示。

形状稳定型相变材料中形状稳定机制与热传递增强机制
形状稳定型相变材料因其能够在相变过程中保持稳定，同时具备较高的潜热容量，因而成为一类极具潜力的热能存储材料。这类材料的性能主要由其背后的稳定机制和热传递机制决定，而这些机制又影响着材料的结构完整性、热稳定性以及能量存储效率。尽管在材料开发方面取得了显著进展，但形状稳定的相变材料因其储存大量热能的独特能力而备受关注。其优点、局限性、经济可行性以及环境经济性都值得研究。不过，相变材料的泄漏问题一直是个大隐患；形状稳定的相变材料则通过提升结构稳定性与热性能来解决这一泄漏问题。这类材料的研发在于将基础相变材料与多孔基质结合，从而确保其在多次相变循环后仍能保持形态完整。

形状稳定的相变材料被广泛应用于电子工业、纺织业、生物医学领域、太阳能产业、建筑等领域，如图21所示。凭借出色的热性能以及卓越的热存储和释放能力，带有不同支撑结构的形状稳定相变材料被广泛用于各类应用中。其具体应用场景如下：

人工智能在形状稳定相变材料设计中的作用
相变材料在热能管理和温度调控领域有广泛应用，但其性能取决于操作条件及材料特性，包括物理化学结构、热管理参数以及环境条件。为克服泄漏、导热性低和相态不稳定等限制性能与可靠性的问题，人们开始采用人工智能模型和技术[284]。目前已有多种相关模型被开发出来。

未来前景
形状稳定的相变材料是相变材料与多孔支撑基质的结合体。它们在相变过程中不会发生泄漏，同时还能提升导热性。本节将探讨这类材料的当前发展状况及未来前景，介绍最新的研究成果及新兴应用。在诸多进展中，以生物质为原料制成的多孔碳材料作为一种可持续且成本效益高的替代方案逐渐受到重视。

结论
本文综述了基于最新研究的形状稳定相变材料的进展，重点介绍了各种物理约束策略、先进的支撑基质以及它们在提升热能存储性能方面的作用。分析表明，形状稳定相变材料的性能主要由孔结构、界面兼容性以及导热路径的形成之间的复杂相互作用决定。

作者贡献说明
Amit Kumar：验证、软件工具、正式分析、数据整理、概念设计。K. Chopra：指导、概念设计。V.V. Tyagi：指导、正式分析。Sakshi Popli：软件工具、正式分析。Reji Kumar Rajamony：文章撰写与编辑、方法论、概念设计。Anas Islam：文章撰写与编辑、正式分析。A.K. Pandey：正式分析、概念设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了印度科学和技术部SERB项目以及印度政府的资助，项目名为“适用于印度寒冷地区的纳米增强型相变材料集成混合式太阳能空气/水加热系统”，项目编号为SUR/2022/004196；同时也得到了克什米尔地区卡特拉的斯里玛塔瓦伊什诺德维大学的支持。