探讨液态金属相变材料的特性和应用

金属相变材料包括纯金属和合金，其熔点覆盖范围较广，从室温附近到成百上千度高温都有。金属类相变材料最大的特点在于其热导率高，相比有机和无机相变材料高出两个数量级。高的热导率意味着良好的传热性能和高储热效率，正因如此，金属相变材料近年来备受关注［2，11］。在高温应用领域，高熔点金属相变材料具有较高的相变潜热（300～500 KJ／kg）和良好的循环热稳定性，有望取代传统无机相变材料应用于太阳能储热领域。在室温附近的金属也称为低熔点金属或液态金属，其相变潜热一般在100 KJ／kg以内，以镓、镓基合金以及铋基合金为主。低熔点金属相变材料因其优异的传热储热能力而成为取代传统有机相变材料用于相变温控的不错选择。

金属类相变材料一般密度较大，这既是一个优势又是一个不足。密度大意味着单位体积的相变潜热大，也就是储能密度大，结构紧凑。但同时，密度大意味着单位体积的重量大，这在一些飞行设备的应用中是不利的。此外，金属相变材料一般价格较高，这在一定程度上限制了其普及应用，特别是在用量较大的场合更是如此。至于在用量较小的芯片温控领域或其他特殊场合，则不必过多考虑这一问题。需要注意的是，作为一类常用的低熔点金属，镓及其合金对常用的结构材料铝具有很强的腐蚀性［12］，因此在实际使用中应尽量避免两者直接接触。作为应对，对铝结构材料表面进行镀层（如镀镍）或着色氧化处理，可以起到较好的腐蚀防护作用［12］。

镓及其合金的熔点在30℃以下，铋基合金的熔点一般在60℃以上，熔点在30～60℃的金属相变材料一般含铅、镉等重金属元素。表6-2给出了熔点在58℃附近的几种代表性铋基合金及其熔点、熔化焓参数。30～60℃无毒低熔点金属相变材料目前研究较少，而这一温区又是电子设备热管理常用温区，因此寻找这一温区的金属材料是当前非常值得深入探索的研究方向［2］。更多的低熔点金属相变材料，可以参见美国INDIUM公司产品［13］以及文献［2，14］。表6-3列出了部分金属相变材料及其热物性。

表6-2　熔点在58℃附近的铋基合金及其热物性(www.xing528.com)

表6-3　部分金属相变材料及其热物性［11］

s：solid固相；l：liquid液相。