【摘 要】 綜述了儲熱材料在應用過程中關鍵性能測試技術的發展和應用現狀。根據儲熱換熱能力、材料強度、使用壽命等方面的實際應用需求，梳理出了儲熱材料需重點關注的關鍵性能，并對各項性能的相關測試技術進行了梳理總結，分析了適用于高溫儲熱材料的具體測試方法。提出了選擇合理測試技術并統一規范測試標準并對儲熱材料發展的必要性，并對未來儲熱材料相關測試技術及評價方法進行了展望。 

【 關 鍵 詞 】儲熱材料；性能；測試技術

0 引言 

儲熱技術可用于解決熱能供給和需求的矛盾，是提高能源利用效率和保護環境的重要技術，在太陽能利用、電力的“ 移 峰 填 谷 ”、 廢熱和余熱的回收利用以及工業、民用建筑采暖與空調的節能等領域具有廣泛的應用前景 。 

儲熱技術的關鍵是儲熱材料，儲熱材料根據應用溫度劃分為低溫儲熱材料（ ＜ 120 ℃ ），中溫儲熱材料（ 120 ℃ ~ 400 ℃ ）和高溫儲熱材料（ 400 ℃ ~ 1000 ℃ ），目前研究的重點和難點主要集中在高溫儲熱材料。儲熱材料的關鍵性能將直接影響儲熱系統的儲熱能力、熱能轉換與利用效率、使用壽命等，具體包括材料的熱學性能、力學性能和化學性能 。 

目前，在儲熱領域，特別是國內儲熱領域，對儲熱材料性能的測試技術參差不齊，測試方法大多在借鑒耐火、陶瓷等行業，缺乏明確且規范的測試評價標準可供參考。本文對當前高溫儲熱材料關注的主要性能及其測試方法現狀進行了梳理總結，分析了在儲熱材料領域相關測試技術存在的問題，展望了未來發展提高的方向 。

1 熱學性能

材料的熱學性能主要包括比熱容、導熱系數、相變焓等，是儲熱材料的核心性能 ，反映了材料的儲熱能力和熱能轉換效率 。

1.1 比熱容

比熱容直觀體現為材料在溫度變化時吸收或放出熱量的能力，是衡量顯熱儲熱材料儲熱能力的最基本指標 。 

目前國外發達國家對比熱容的測試技術比較完善，美國國家標準技術研究院 NIST 、日本國家計量院 NMIJ 已經建立了各種宏觀尺寸固液體比熱容的標準配 置。在國內，中國科學院金屬研究所對金屬材料的熱物性做過系統研究工作，其采用激光閃光法、下落法對材料比熱容的測量研究取得了一定進展。目前，已知比較成熟的的比熱容測定方法主要有差示掃描量熱法、微量熱法、絕熱量熱法和下落法等 。

1.1.1 差示掃描量熱法 

差示掃描量熱法的原理是利用測定試樣與參比樣之間熱功率差與時間溫度關系來分析計算物質熱物性能。該法具有使用溫度范圍寬、分辨率高、試樣用量少的特點，是目前應用最廣的比熱容測量方法 。 

1.1.2 微量量熱法 

微量量熱法較為簡便，在測定物質熱變化時可進行量化，在生物與化學領域應用較多。但是該法精確度仍有待提高，且測量溫度范圍較小，目前很少應用于高溫材料的比熱測試。 

1.1.3 絕熱量熱法 

絕熱量熱法的測試原理是通過測量樣品的加熱量，并測量其溫升，然后計算得到比熱容的值。絕熱量熱法的發展較早，是測量材料比熱容方法中較成熟與精確的一種，要求實驗裝置要有非常好的絕熱性能，因此對其測控系統的精度要求也相應較高，該法適用于室溫到500 ℃左右的中低溫比熱容測試，在高于500℃以后測試精度會下降。

1.2 導熱系數 

導熱系數是儲熱材料熱量傳導與轉換能力的體現，直接影響儲熱技術中熱能的轉換和利用效率。

導熱系數測試方法分為穩態法和瞬態法兩大類；其中穩態法包括平板法、護板法、熱流計法、熱箱法等；瞬態法包括熱線法、探針法、熱盤法、熱帶法、激光法等。目前，平板法、激光瞬態法和熱線法為三種常見的導熱測量方法，其中平板法最常見，其原理簡單，設備簡易，可自行搭建實驗平臺測量，但不適合導熱系數較高的材料。激光法和熱線法的原理和計算相對較復雜，但反應速度快，測量準確性高，且適合測量的導熱系數較廣。

2 力學性能 

材料的力學性能是指材料在不同環境下，承受各種外加載荷時所表現出的力學特征。具體到儲熱材料，其力學性能主要考察材料在工作環境下表現出粘度、熱膨脹系數、荷重軟化溫度等。

2.1 粘度

粘度一般用來表示液態物質的流動特征，液態儲熱材料在系統中不僅起到儲存熱量的作用，還進行著熱量的運輸與轉換。粘度的測量方式較多，傳統方法主要包括毛細管法、旋轉法和振動法三種，近年來又開發出了一些新的測試方法。 

2.1.1 毛細管法

是一種通過測量液體流速和液體流經毛細血管產生的壓力差測試粘度的方法，該法成本較低，溫度易于控制，操作方便，但對樣品純度要求較高且不適合高溫下使用。

2.1.2 旋轉法

通過測量流體作用于物體的黏性力矩或物體的轉速來確定流體的粘度，優點是測試方便數據易得，但其精確度較低。

2.1.3 振動法 

通過外界補充振動物體由于黏性所損耗的能量，從而使振動物體維持恒定振動頻率和振幅，再由所補充的能量和液體粘度之間的關系計算得到粘度值。振動法測量方式較多，常用的為扭轉振動式測量，包括衰減振動式和強振動式。

2.1.4 新型粘度測試方法 

近年來，有根據原子應力顯微鏡懸臂共振頻率隨其浸入不同黏性介質發生變化的原理進行測量的方法，也有利用超聲波技術測量密封液體粘度值的方法出現。為防止高溫下被測樣品與容器接觸面間發生化學或物理反應，2009 年彭強等對三元硝酸熔鹽的高溫黏度的測試進行了研究，通過擬合三種純物質的黏度，再利用 Arrhenius 混合規則對其高溫粘度進行了計算。這些新型方法精確度高，對測量樣品的用量要求也較少，發展前景較好。

2.2 熱膨脹系數

熱膨脹系數是體現材料在應用過程中本身隨著溫度升高發生的體積變化的指標。 

熱膨脹系數的測量原理基本相同，目前主要在金屬材料、建筑材料和耐火材料等領域應用，標準GB / T 7320 - 2008 《 耐火材料熱膨脹試驗方法 》中采用了頂桿法和示差法兩種測試熱膨脹系數的方法。國內耐火材料行業大多采用頂桿法測試，原理是以規定的升溫速率將試樣加熱到指定的試驗溫度，測定隨溫度升高試樣長度的變化值，計算出試樣隨溫度升高的線膨脹率和指定溫度范圍的平均線膨脹系數。在國外，NETZSCH、LINSEIS 等公司已經開發出了技術成熟的熱膨脹儀，該類膨脹儀具有操作簡單、精確度高的優點。

2.3 荷重軟化溫度 

用來表征材料在恒定荷重下，對高溫和荷重同時起作用時的抵抗能力，是材料在工程應用中一項重要的高溫機械性能指標。

目前我國主要有兩種測試耐火材料荷重軟化溫度的方法：直接升溫法和示差—升溫法（簡稱示差法）。近年來，國際上耐火產品標準越來越多地采用示差法，因為同一制品在相同的荷重和變形量下，示差法測定結果比直接升溫法測定結果低。 

在中國耐火材料荷重軟化溫度相關標準中，有兩種測試方法YB370 — 1995《 荷重軟化溫度檢驗方法 》和GB 5989 — 2008《致密定形耐火制品荷重軟化溫度試驗方法（示差-升溫法）》，可作為高溫儲熱材料荷重軟化溫度測試的參考。

3 化學性能

材料的化學性能可在一定程度上反映其穩定性與安全性，在宏觀上體現為與周圍環境的相互適應與兼容能力，對儲熱材料化學性能的評價主要集中在熱穩定性、耐候性等指標上。

3.1 熱穩定性

泛指材料的耐熱性能，體現為材料在溫度較高的應用場景中抵抗溫度波動和自身發生化學反應難易程度的能力。 

目前，一般通過多次冷熱循環試驗來考察循環前后儲熱材料性能的變化，包括相變溫度，相變潛熱，過冷度等。也可通過穩定性分析法對比試樣在經過特定的高溫熱循環前后熱物性、外觀形態、質量損失、組成等變化來評價其熱穩定性能。

從高溫儲熱材料實際應用的角度出發，熱穩定性分析主要可采用以下幾種方式進行評價： 

（ 1 ）微量相變儲熱材料的 DSC 分析； 

（ 2 ）質量損失率曲線分析； 

（ 3 ）熱循環儲放熱分析； 

（ 4 ）持續高溫和熱循環前后的組成變化。

3.2 耐候性 

耐候性是指材料應用于室外環境時，抵抗外界環境條件并保持材料原有性能的能力，潮濕、風化和光暴露是引起材料老化的主要原因。

目前，在儲熱材料的耐候性評價方面并無相關具體測試標準，主要集中于外墻涂料、輪胎、紡織品等領域。

關于紡織品耐老化性或者稱為耐氣候性的測試方法，國內外已經制訂了一些標準，如 ISO1419—1995，AATCC186—2009，FZ ／ T01008 -2008 等。總體可歸結為兩類： 

（1）自然環境下直接進行老化試驗 ；

（2）采用加熱、加濕、光照等方式進行人工加速老化，目前主要以后者為主。

在涂料領域，主要采用加速風化測試和氙弧測試進行耐候測試，加速風化測試主要包括日光模擬、輻射照度控制、濕度模擬等內容。

高溫儲熱材料的功能和實際應用不同于紡織品和涂料等材料，在評價其耐候性能時，首先應從材料自身的特點和應用環境考慮，但測試方法基本與紡織品、涂料等相同。 

4 結語 

高溫儲熱材料是當今儲熱材料研究的熱點，應用溫度高且運行時間長，其儲熱能力、高溫穩定性、使用壽命等性能十分重要。隨著儲熱材料應用溫度的不斷升高，測試和評價儲熱材料性能的經典方法面臨著挑戰，需要對高溫狀態下材料各種性能的測試方法和測試流程進行系統梳理和研究細化。目前，對儲熱材料諸多性能的相關測試標準還未完善，這也制約了儲熱材料的發展。所以，在儲熱材料的熱物性能、儲熱能力、循環使用壽命等關鍵性能的測試方面，還需不斷地摸索、實驗，盡早建立起屬于相變儲熱材料自己的標準體系。

通過對材料性能的評價技術的規范，不但能夠完善儲熱材料的測試體系，而且有利于儲熱材料的長遠發展，對儲熱技術的發展意義重大。

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