相變材料
關注創建者：opt-simul 創建時間：2022-04-13
相變材料的視頻教程
414-基于相變材料回填并考慮地下水滲流影響的U形地埋管換熱器仿真
備注：模型參數同404案例。 模型圖 仿真工況 入口條件：流體速度0.6m/s，velocity inlet，水溫36℃，直徑26mm。 土壤原始溫度：16℃。 計算域外圍和底部設為初溫16℃，計算域頂部設為絕熱邊界。 網格圖 說明：實際應用時需要進行網格無關性驗證，以便選取合適的網格數量（兼顧計算速度和計算質量）。 因此處字數限制，未展示全部更為詳細的結果及工況介紹等內容
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一種材料（或多種材料）多種屬性隨坐標（可延伸至隨時間）函數變化
通過學習，可以掌握場變量子程序的運用，實現梯度變化材料模型建立及分析，并通過變換可以實現材料屬性隨時間的變化，從而模擬材料相變等。
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相變材料的實例教程
【相變材料的綜述】
相變材料（phase change material，簡稱PCM），是指在物質發生相變時，可吸收或釋放大量能量（即相變焓）的一類材料。由于相變材料是利用潛熱儲能，儲熱密度大，蓄熱裝置結構緊湊，并且在相變過程中本身溫度基本不變，易于管理，隨著全球節能意識的提高，相變材料的這一特性引起了研究人員的重視，相變儲熱技術在儲能領域越來越大放異彩。
一、相變材料的篩選原則
相變材料種類很多，依照不同分類方法可以被分為很多種。例如，按照相變方式不同分類，可以分為固—固相變材料、固—液相變材料和固—氣相變材料；按照材料種類分，可分為無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料[1]。生活中最常見的相變材料是水，早在數千年前，古人就懂得利用水的相變過程來進行實物保鮮或制冷。
雖然相變材料有很多種，但并不是所有相變材料都可被利用。目前公認的相變材料篩選原則如下[2]：
（1）相變溫度在實際應用操作范圍內。
（2）潛熱儲存能力高。
（3）導熱率高。
（4）穩定的化學和熱性能。
（5）無毒，無腐蝕性，對環境無害。
（6）成本低，易于獲得。
（7）相變過程中體積變化小。
（8）不發生過冷現象或過冷度很小。目前大多用的是固—液相變材料，由于相的改變，通常要對相變材料進行封裝以防泄露。
二、相變材料在太陽能領域的應用
目前，太陽能系統基本步入家家戶戶，但是也存在一些缺點，如：太陽能利用是間歇性的，夜晚不可用。將相變材料應用到太陽能系統，可以保證在沒有太陽輻射的情況下也可以應用太陽能。相變材料可以應用在太陽能熱電廠、太陽能空氣加熱器、太陽能熱水器、太陽能海水淡化器、太陽能炊具等等領域。[3]以下圖為例，該裝置主要包括三部分：a）太陽能系統單元，b）雙重管道熱能存儲器（TES），以及c）儲水箱。
展開 相變材料 (PCM) 是 TES 的重要候選材料，因為它在相變過程中具有高潛熱和窄的溫度波動。然而，導熱系數低和形狀穩定性差嚴重阻礙了相變材料的大規模應用。將多孔碳質材料和相變材料集成形成形狀穩定的復合相變材料（ss-CPCM），為這一挑戰提供了一種適用、簡便且簡單的解決方案，這歸因于碳的優異性能，包括高導熱性，比表面積大，與各種相變材料具有良好的化學相容性。因此，CPCM 在 TES 以及熱管理方面顯示出巨大的潛力，例如電子設備和電化學儲能系統。對于電化學儲能的熱管理系統，研究人員進行了大量的探索，并通過實驗和模擬提出了各種解決方案。
碳納米管（CNT）作為碳的重要同素異形體，具有長圓柱形結構，直徑為一至數十納米，長度為幾微米至幾厘米。在過去的幾十年里，碳納米管在相變材料領域展現出了巨大的潛力，為相變材料所面臨的各種挑戰提供了有效的解決方案，例如導熱系數低、形狀穩定性差、光穩定性差等。為了進一步提高CPCM的性能，人們提出并不斷探索改性碳納米管。
02
成果掠影
近期，西安交通大學王秋旺教授團隊基于金屬有機框架（MOF）制備了高度取向的含氮碳納米管（N-CNT）。然后以所合成的N-CNT為支撐材料、二十二烷為功能材料制備了N-CNT/二十二烷復合PCM（CPCM）。結果表明，通過與 N-CNT 結合，二十二烷的形狀穩定性顯著增強。CPCM 擁有導熱系數達到0.5286 W·m
-1·k
-1。此外，CPCM在20次熔化-冷凍循環后表現出優異的循環性能，具有超高的潛熱保留率（熔化過程為99.95％，冷凍過程為99.94％）。在充放電循環性能測試中，采用CPCM薄膜后，鋰離子電池的最高溫度降低了約2℃。
展開 近日，中科院大連化物所熱化學研究組（DNL1903）史全研究員團隊在柔性相變材料研究方面取得新進展，通過簡單易行的策略合成了石墨烯基的復合相變材料膜，并將其應用于可穿戴的光-熱管理器件。該復合相變材料膜具有優異的柔韌性、儲熱能力、光熱轉化能力，為智能可穿戴光-熱管理器件的研究提供了新思路。
相變儲能材料能夠在相對恒定的溫度下吸收和釋放大量相變潛熱，目前廣泛應用于熱能儲存和溫度控制的熱管理領域。然而，傳統相變材料本身固有的液態泄漏、弱吸光能力以及固態剛性使其在可穿戴的智能光-熱轉化器件研究中極具挑戰性。
針對該問題，史全研究員團隊以聚合物和石墨烯為原料合成了具有優異柔韌性的復合石墨烯膜，并將相變材料復合其中得到柔性的復合相變材料膜。該復合相變材料膜具有優秀的形狀穩定性，即使在高于相變溫度時仍然保持固態而不發生泄漏；同時，該復合相變材料膜具有高相變材料負載量，表現出優異的儲熱能力，即使經過500個熱循環和彎曲循環仍然保持穩定；此外，該復合相變材料膜具有出色的光-熱轉化能力，可迅速將太陽能轉化為熱能儲存，轉化效率最高可達96%。研究人員進一步將該復合相變材料膜貼到人體模型表面，結果表明在彎曲狀態其仍然表現出穩定的光-熱轉化性能。該復合相變材料膜表現出可應用于人體可穿戴光-熱管理領域的潛力，為可穿戴智能織物的開發提供了新的方向。
展開 來源 | Small
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背景介紹
相變材料具有儲存和釋放潛熱的功能，在熱管理領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的相變材料只能一次性釋放完畢所有存儲的能量，而不能像電化學電池一樣能夠按需啟動和停止能量釋放能量，從而造成了極大的不方便和能源浪費。在這種情況下，迫切需要能夠按需啟動和停止能量釋放的間歇性放熱相變材料，以滿足不同應用的不同需求。
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成果掠影
針對以上問題，東北林業大學材料學院王成毓教授和楊海月教授團隊提出了一種間歇性放熱的水合鹽相變材料：將熔融的三水合乙酸鈉與丙烯酸(AA)/丙烯酰胺(AM)聚合物前體整合，然后熱引發聚合形成鹽凝膠。由于高能量勢壘，過飽和鹽溶液難以成核;因此，它可以長時間保持過冷態并儲存能量。與種子或其他異物接觸會破壞過飽和鹽溶液的亞穩態，促進形成晶核和結晶。用沾水的剪刀可以中止結晶放熱。此外， Fe3+通過金屬配位鍵誘導強動態可逆非共價交聯從而賦予鹽凝膠良好的自愈合性能使其可回收并延長使用壽命。該研究以“Intermittent Exothermic and Self-Healing Hydrated Salt Gels for Advanced Thermal Management of Underfloor Radiant Heating System”為題發表于《Small》。
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圖文解讀
圖1說明在過冷態和結晶態之間存在一個高的成核能壘，兩種狀態都處于能量最小值。這種能量勢壘可以通過誘導二次成核(例如，通過觸摸晶種或異物)來克服。
展開 因為電子產品主要由堅硬的材料制成，由于堅硬和粗糙的界面之間的點接觸，不能與散熱器產生完美的接觸。因此，需要低壓應力、耐久性好、高垂直導熱系數的熱界面材料（TIM）來填充粗糙表面之間的空隙。
石墨烯、碳納米管和碳纖維等微米級或納米級碳材料的引入是提高 TIM 導熱系數的最常用方法之一，因為它們具有超高的固有熱導率。熱導率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態，包括尺寸、厚度、縱橫比和排列方向。通常，具有高縱橫比、納米級厚度和超過滲透閾值的填充物會促進熱導率的增強。
然而，隨機分散的填料會導致有限的熱導率，由于不連續的導熱通路導致強烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導排列等構建有序的導熱網絡。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。
相變材料（PCM）多年來一直用于許多領域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基質和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態轉變為液態，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發出具有優異的熱導率以及柔性的導熱復合相變材料對于電子器件的進一步發展有著重要作用。
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成果掠影
近期北京大學白樹林教授團隊在設計制備導熱相變復合材料方面取得新進展。在本文中提出了一種通過結合有序排列的碳纖維CF和丙烯基彈性體(POE)包裹石蠟(PA)來制備具有高潛熱和低壓縮應力的相變復合材料的策略。實驗結果表明通過高導熱碳纖維束 (CF) 和聚合物相變材料的組合制備了具有超高熱導率（高達168.4 W/(mK)）和優異柔性的熱界面材料（PCMs）。
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33%）
參展企業：?約400家?，覆蓋20多個國家和地區
觀眾預期：超2萬人次
?核心聚焦領域?：
AI智算中心、智能汽車、半導體等高熱流密度場景下的熱管理技術
液冷散熱規模化應用
展品范圍（六大板塊）
?導熱散熱石墨?：石墨烯、導熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜等
?導熱散熱材料?：導熱粉體（氧化鋁、球鋁等）、石墨烯薄膜、液態金屬導熱片、相變材料
</li><li class="ql-align-justify"><strong>新材料研發</strong>：助力評測防火材料、相變材料、超材料等的熱輻射特性，加速新材料的創新與應用。
焊接仿真：從復雜到精準的轉變
焊接過程涉及復雜的熱-力學行為，包括高溫下的相變、材料軟化以及快速冷卻過程中的應力累積。傳統的實驗方法雖然可以直接測量殘余應力和微觀結構，但存在成本高、效率低、難以全面覆蓋焊接接頭等問題。數值模擬技術通過建立數學模型和計算方法，能夠在計算機上模擬焊接過程，預測殘余應力和微觀結構分布，為焊接工藝的優化提供理論支持。
)、氧化鈹 (BeO)；碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等
熱沉材料：金屬/合金(半固態壓鑄件)；金剛石/銅、金剛石/鋁等復合材料，石墨/銅、石墨/鋁等復合材料，金屬基復合材料
導熱高分子：導熱塑料（PPS、PA6/PA66、PC、PP、PPA、LDPE、PEEK）、導熱絕緣塑料，導熱橡膠等
碳材料：石墨膜（PI膜）、碳納米管、碳纖維短纖、石墨烯導熱膜、金剛石材料等
相變材料
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管路與連接件: 膠管、金屬管、波紋管、保溫管、水管/接 頭、冷卻管路及連接各部件等輔助散熱設備: 散熱風扇、散熱材料、增強散熱器、環境空氣交換設備;液冷核心技術與設備:包括冷板式液冷(含全液冷冷板服務器)浸沒式液冷(單相/兩相)、噴淋式液冷;冷模塊解耦設計智能溫控系統、流體分配技術;關鍵零部件如冷卻液(氟化液、礦 物油等)、冷板、泵、閥門、快接頭、換熱器;漏液檢測設備、智能傳感器、相變材料
導熱散熱石墨：石墨烯、導熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜、導熱石墨、石墨散熱片、石墨膜、石墨絕緣膜、石墨膜卷材及相關設備等;
2、導熱散熱材料：離型膜、氧化鋁、球形氧化鋁、氫氧化鋁、球鋁、角鋁、氫鋁、微硅粉、氧化鋯、導熱粉體、石墨烯粉體、導熱膜、石墨烯薄膜、納米材料、納米碳材料、液態金屬導熱片、硅膠片、塑料、絕緣材料、界面材料、雙面膠、基板、導熱矽膠布、膠帶、碳納米管、金剛石、涂料、導熱硅脂、相變材料
- 強非線性與強耦合: 流動、傳熱、結構變形、材料相變等多個物理場相互影響，求解過程非常復雜。
- 內存和時間需求巨大: 為了精確模擬，需要精細的網格和極小的時間步長，導致計算時間長，內存占用高。
計算平臺:
- CPU多核計算 (傳統基石): 傳統上，這類耦合仿真嚴重依賴強大的多核CPU和大容量內存。
一期一會 | 什么是顯式動力學？6個月前
另一種材料非線性形式涉及材料屬性（尤其是剛度）的突變，這通常是由相變或材料失效引起的。
非線性幾何結構
非線性幾何結構行為最常見的形式是大變形。在這種情況下，線性靜態分析中使用的小應變率公式不再有效。另一種形式是剛體運動，在這種情況下，幾何體的質心隨著時間而移動，或者物體圍繞一個點旋轉。
非線性邊界條件和載荷
在隱式分析中，當載荷相對于時間步快速變化時，很難實現收斂。
3）熱管理與系統集成
油冷、雙面水冷、相變材料多路線并進；800V高壓平臺推動SiC+高速電 機成為旗艦車型標配。
2、材料博弈
? 稀土供給集中在中國，價格波動導致 2021-2022 年磁材成本飆升。
? IDTechEx預測：單臺電機稀土用量將由 2023 年的約 200g降至 2030 年 100g以下；無磁方案占比由<5%提升至約 25%。
理解和應用此代碼需要對彈塑性力學理論、ABAQUS UMAT 接口和特定材料的相變機制有深入的了解。
4、 代碼解釋以及案例文件（inp，umat子程序)
