[发明专利]用作相变材料的基于金属硝酸盐的组合物

说明书

本文中公开了作为相变材料(PCM)的金属硝酸盐水合物。更具体地，本文中公开了包含第II族金属硝酸盐作为成核剂的金属硝酸盐水合物PCM。本文中的另一个公开内容是在PCM制剂中的多种化学物质的组合，所述多种化学物质共同起作用以引发金属硝酸盐PCM的成核。此外，公开了使基于金属硝酸盐水合物的PCM的成核和结晶速率提高的物理机制。

技术领域

本发明涉及作为相变材料(phase-change material，PCM)的金属硝酸盐水合物。更具体地，本发明涉及金属硝酸盐水合物作为具有用以克服过冷(sub-cooling)的添加剂的PCM。

背景技术

潜热储存利用一阶相变(固体到固体、固体到液体、液体到气体)来储存热能。在首次加热时，材料将表现出显热储存：由于热被吸收，温度会根据材料的比热容而上升。然后，当由于发生相转变而吸收热能时，温度在某个点保持恒定。一旦相变已经发生，温度将再次上升，因为在新相中发生显热储存。相对于显热储存的优点是可以在小得多的温度范围并以较小的体积储存相似量或更大量的热。

具有高转变热的任何材料均可以用于潜热储存，但是由于工程和实用性，某些体系的操作比其他体系更可行。固体到固体相转变相对罕见，液体到气体相变具有相关联的大体积变化并因此呈现相当大的工程挑战。为热储存而开发的大多数PCM表现出固体到液体转变。在固体熔化时，其储存热-熔化潜热(ΔH_f)-当液体凝固时，其释放所储存的热。

在本领域中，金属硝酸盐水合物是可以利用的一类PCM。它们通常是低成本的，在很多情况下是无毒的，并且通常表现出大的熔化潜热。然而，对于其应用而言存在必须克服的问题。如通常对于盐的水合物，金属硝酸盐水合物表现出过冷，该现象使材料可能在低于其熔点下保持液态而不自发结晶。溶液在动力学上保持陷于亚稳态中；然而，可以通过引入成核中心来实现结晶。

成核是由于分子、原子或离子将其自身排列成连续的超结构而引起固相形成的初始过程。初始成核中心提供了固/液界面处的溶解或熔融材料可以排列在其上的位点，并因此晶体生长。成核过程可以发生在本体液体中或者在特定的表面上。

可以有意地引入成核中心。添加类似的微晶(也被称为加晶种)提供了成核位点，并且在一些情况下可以影响所形成的晶体的晶体习性。成核中心也可以由物理过程例如声处理来形成。除了所讨论的材料之外，具有特定的表面化学或形态的特定试剂也可以引发成核，其通常被称为成核剂。

然而，对于许多金属硝酸盐水合物，已知没有可以解决过冷问题的成核剂。此外，这样的材料的结晶可能进行得缓慢，限制了热功率输出(来自结晶过程的热释放的速率)。

成核剂对该成核剂向其提供过冷抑制的材料具有显著特异性，并且在一些情况下，可以在具有相似的化学、晶格结构和更高熔点的另外的结晶材料中发现成核剂。

另一个问题是由金属硝酸盐水合物表现出的不同的熔融温度和结晶温度的范围，该范围是广泛的并且可能处于对于某些应用不合适的点。

本发明的至少一个方面的一个目的是消除或减轻至少一个或更多个前述问题。

本发明的另一个目的是提供表现出最小过冷或没有过冷的改善的PCM。

本发明的另一个目的是提供可以在固体形式与液体形式之间重复可靠地热循环的PCM。

本发明的另一个目的是提供可以在固体形式与液体形式之间重复可靠地热循环的PCM，其中结晶速率通过物理手段例如但不限于搅拌或应用超声而提高。

本发明的另一个目的是提供这样的PCM：其中通过将多于一种的金属硝酸盐和/或金属硝酸盐水合物组分共混、或者添加具有熔点降低作用的另外的化合物，熔融温度和结晶转变温度被降低或被调节或者是可选择的。

发明内容