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引言
滴水成冰，描述了一種物質形態的轉化，物理學稱之為相變。通過控制溫度和壓強，可以改變物質的相，這里的相變通常指一級相變，在一級相變的過程中往往伴隨著熱量和體積的變化，與相變有關的材料也應運而生。
相變儲能材料(PCM - Phase Change Material)是儲能領域重要的研究方向，隨著新能源科學的快速發展，能量的高效儲存及運輸成為關鍵性問題，相變儲能材料有望為其提供突破性進展。
2 理論基礎與材料介紹
2.1熱力學與能量轉化
熱力學第一定律告訴我們，能量不能被憑空創造，也不能憑空消失，在總值不變的情況下可以轉化為不同的形式。因此，相變儲能材料在不同相態之間轉變時就會固定或釋放一定的能量，第一定律是儲能系統運作的理論依據。熱力學第二定律則闡明了在自然狀態下，能量總是有向熱量形式轉化的趨勢、熱量從高溫物體到低溫物體的過程不可逆轉。這便對相變儲能材料的相變機制提出了更高的要求，即如何在一定條件下實現熱量的最優轉化。
2.2儲能原理
由于相變儲能材料建立在相變的基礎之上，相變又依附于熱效應，故相變儲能以熱量為基本儲能形式。相變儲熱又稱潛熱儲熱，潛熱是指物質在相變過程中吸收或釋放的熱量，這些熱量不以溫度的形式表征，因此稱為潛熱，材料中的潛熱可以通過不同手段轉化為其他形式的能量。
圖 1潛熱：吸收-儲存-釋放（圖源：http://www.dongchao168.com/news_content-991481.html）
2.3材料特點及相關參數
材料的特性及相關參數在研究和應用中起決定性作用，相變儲能材料具有高效儲能的特性。在儲熱方面，相比于顯熱儲熱，相變儲熱的儲熱密度高出5倍以上，并且具有更長的儲熱周期。得益于潛熱儲熱的方式，其儲熱過程近似恒溫，有優異的平衡性與穩定性；材料的儲熱過程可逆且壽命長、易于維護，單位能量儲存成本介于顯熱儲熱和化學儲熱之間。其次，相變是物理變化，這就意味著材料在使用過程中不易產生其他有害物質，安全性高，相較于成本高、依賴化學反應的化學儲熱也有一定優勢，環保層面上更加貼合新能源發展與“雙碳”目標的背景。
從材料的參數上看，相變儲能材料的相點決定材料的狀態和載體；相變潛熱、液相率等決定材料的儲熱量；導熱率決定材料的儲熱效果，這些相關參數將直接影響材料的實際應用。
2.4材料分類
相變儲能材料可以按相變溫度、相變狀態或相變物質進行分類：相變溫度分為低溫、中溫和高溫；相變狀態分為固-固、固-液等；相變物質則有無機材料、有機材料和復合材料等，如圖1所示，通過這些理化性質的劃分可以更方便地研究材料并明確材料的使用環境。
圖 2相變儲能材料分類（圖源：作者）
3 應用
3.1太陽能與風能
地球生命高度依賴太陽能，目前工業上對于太陽能的利用主要有太陽能集熱與光伏發電。相變儲能材料可以直接進行潛熱集熱，還可以將光伏板上多余的熱量吸收轉化為相變潛熱，作為備用能源成為光熱利用的一環，提高利用率。相變儲能材料在風能利用中也發揮著重要作用，風力發電通常不穩定，有時產生多余的能量，有時需要能量補償，利用相變儲能等技術可以根據需要實現能量的儲存與釋放，保障風電系統穩定運行。
圖 3基于功能型相變儲熱復合材料的太陽能光/電-熱轉換與儲存（圖源：能源學人）
3.2燃料電池
燃料電池是新能源汽車的重要組成部分，電池工作時會持續發熱，影響電池壽命還可能造成安全隱患。相變材料可以優化電池熱管理，將其集成到電池組中，輔以智能化調控系統，提高電池的壽命和性能，為相關產業賦能。
3.3建筑工程與冷鏈運輸
建筑熱環境的改善對于建筑節能意義重大，相變儲能材料在建筑工程中的應用可以有效改善建筑熱環境。目前，相變儲能材料已經被應用于屋頂隔熱、墻體保溫和玻璃暖房等建筑領域，以提升其調溫性能。
隨著我國物流運輸業的發展，相變儲能材料在冷鏈運輸中有較大的發展空間。在食品冷鏈方面，劉方方等研制了應用于果蔬類的相變儲能材料，主要成分是苯甲酸鈉，相變溫度為-6~-4℃，可用于0~4℃下果蔬的冷鏈運輸。白冬研制的高分子吸水樹脂相變材料加入泡沫箱后的低溫維持效果比冰塊更佳，可以滿足南美白對蝦的冷鏈運輸需求。在醫用冷鏈運輸中，王艷等分析了十四烷作為相變材料的新型恒溫運血箱，發現其在無電力供應、無冰的條件時，在低溫和高溫下均對紅細胞具有良好的保存效果，適宜醫用血液運輸。
3.4電力系統
當今世界能源的重心正在向清潔型能源傾斜，電力系統也朝著新能源方向探索和發展，但在實際運行時易受可再生能源的不穩定性和間歇性影響，造成可靠性與成本問題，因此，研發面向電力系統的儲能技術十分必要。相變儲能材料可應用于調峰填谷技術，在強電負荷需求較高時，材料以低峰谷電價時段吸收電網過剩的電能，將其轉化為潛熱儲存起來。當電力需求增加時，可以釋放潛熱儲存的能量供應給電網，平衡電力供需差異。
3.5個體防護服
盡管目前全球變暖趨緩，但顯著增溫可能在不久的將來得到恢復，人類在高溫環境下作業的風險持續增加。降溫服在高溫礦井等熱環境中能夠有效保障人體安全，利用相變材料制作的降溫服具有制冷效果好、穿戴便利、成本較低等優點，且可選擇的相變材料種類豐富，相較于其他種類的降溫服具有獨特優勢。梁國治等研發出一款礦用高分子蓄冷材料降溫服，具備放冷時間長、穿戴方便舒適等特點，相變潛熱高于240J/g，能在很大程度上降低礦井高溫對人體的傷害。
4 材料種類
在相變材料的分類中有一部分材料為科研者所深入研究，它們在實際應用中有出色、獨特的性質，這里介紹幾種應用面廣、儲能特性佳的相變材料。
4.1膨脹石墨基與生物質碳基材料
膨脹石墨是一種具有高膨脹性和多孔結構的材料，遇高溫體積可膨脹數百倍，將其作為相變儲能材料可以充分發揮性能優勢，形成具有高導熱率、多孔結構和較大表面積的膨脹石墨基相變儲能材料，這些特性有助于提高儲熱和放熱的效率。
圖 4多孔碳的SEM圖（圖源：參考文獻13）
生物質材料碳化后呈蜂窩狀多孔結構，如圖4所示。多孔碳微觀表面粗糙，多孔結構中存在很多褶皺，這些褶皺增大了多孔材料的表面積，有利于強化傳熱。這種三維生物質碳基的導熱孔道網絡完整，保證了有機相變材料的高穩定負載量，有利于提高復合材料的潛熱值，并能有效防止相變材料的泄露。
4.2熔融鹽材料
熔融鹽是重要的無機材料，有使用溫度范圍廣、較高的熱容量和穩定性等特點。其中HITEC熔鹽組成（質量%）為KNO∶NaNO∶NaNO=53∶40∶7，熔點為140.8℃，相變潛熱為72.5 J/g，目前主要應用于太陽能熱發電。
圖 5定形相變儲熱復合材料的制備方法、導熱強化、能量儲存及熱管理應用（圖源：能源學人）
4.3金屬基陶瓷復合材料
金屬相變材料具有儲能密度高、熱穩定性好等優點，在潛熱儲能系統中具有很大的發展優勢，陶瓷材料具有良好的熱性能，可作為金屬相變材料的有效封裝載體。最新的冷凍鑄造法可以通過調節制備參數來獲得不同結構的、多尺度、多孔的陶瓷坯體，并能用于不同金屬相變材料的封裝，制備出的復合材料具有良好的熱物理性能及各向異性。
5 結語
相變儲能材料以地球上每時每刻都在發生的相變為理論依托，在儲能技術與材料科學的架構下不斷開拓潛熱的邊界，在順應時代發展、對接全球能源結構的轉向升級中起著重要的作用。目前，相變儲能還存在導熱性能低、成本較高和材料封裝等問題，許多研究以計算材料學等交叉學科實現仿真模擬，在商業化與集成化方向對材料進行開發和優化。近年來，國內外應用于相變的相關研究有納米材料、有機-無機混合材料和低共熔物等，研究人員對不同材料的相互融合與改性進行了積極的嘗試。優越的儲熱性能使相變材料受到越來越多的關注，其在各類儲熱項目中都存在很大的發展潛力，有望成為未來最具應用前景的儲能材料。
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來源：洞察化學
編輯：藍多多
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
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映維網Nweon 2022年08月31日）盡管現在人人都說元宇宙，但各家公司的“元宇宙”實際上相當孤立，無法與其他平臺的虛擬空間、人或對象相連接。對于這一點，英偉達認為最初由皮克斯發明的通用場景描述（Universal Scene Description/USD）符合真正元宇宙的需要，可以作為元宇宙互操作內容和體驗的基礎。
在早前發布的一篇博文中，這家公司進行了解釋說明：
在過去數十年中，互聯網從根本上改變了世界，并啟動了我們消費和共享信息方式的巨大變革。這一轉變是如此徹底，以至于高質量的網絡存在對今天幾乎所有的企業都至關重要，同時與網絡互動成為了現代世界有效運作的核心。
Web已經從靜態文檔演變為涉及豐富交互媒體的動態應用。然而，盡管我們生活在一個3D世界中，網絡依然只是二維。
現在，Web即將迎來下一個重大進步： 3D互聯網/元宇宙。元宇宙不是將2D頁面連接在一起，而是將虛擬世界連接在一起。網站將成為相互連接的3D空間，類似于我們每天生活和體驗的世界。
一些虛擬世界將是物理現實的數字孿生，反映著真實世界，并且實時地鏈接和同步。其他虛擬世界則設計用于娛樂、社交、游戲、學習、協作或商業。
無論一個網站的目的是什么，使得2D Web如此成功的因素同樣會為整個元宇宙帶來成功 ：基于開放標準和協議的通用互操作性。
創建元宇宙所需的最基本標準是虛擬世界的描述。英偉達相信所述標準的第一個版本已經存在：最初由皮克斯動畫工作室開發得通用場景描述（ USD ）。這是一個開放的、可擴展的生態，可用于描述、合成、模擬3D世界并與之協作。
于2015年開源的USD現在廣泛應用于各種行業，包括媒體和娛樂，以及建筑、工程、設計、制造、零售、科學計算和機器人等領域。
1. USD不僅僅只是一種文件格式
USD是一種場景描述，是用于創建、表示和修改虛擬世界的一組數據結構和API 。它不僅支持幾何、camera、照明和材質等虛擬世界的基礎知識，并且支持它們之間的各種關系，包括屬性繼承和實例化等等。
它包括擴展到大型數據集所需的功能，如延遲加載和有效檢索時間采樣數據。它具有極大的可擴展性，允許用戶自定義數據模式、輸入和輸出格式以及查找asset的方法。簡而言之， USD 涵蓋了皮克斯制作故事片所需的非常廣泛的要求。
圖 1：USD如何為行業特定用例啟用分層工作流*
Layers層可能是USD最具創新性的功能。從概念上講，它們與Adobe Photoshop中的層有相似之處：最終的合成是按順序組合所有層的效果的結果。但是，USD的層不是修改圖像的像素，而是修改合成場景的屬性。最重要的是，它們提供了強大的協作機制。
不同的用戶可以在不同的層上修改合成的場景，他們的編輯屬于非破壞性。較強的層將在合成中獲勝，但較弱層的數據依然可以訪問。除了直接協作之外，層提供的非破壞性修改正是傳統Web如此成功的原因之一。
圖 2：用USD創建的褐石房間內部的層，你可以自由替代家具布局和顏色
英偉達認為USD應作為元宇宙的HTML，亦即網站內容的聲明性規范。但正如HTML從HTML1的有限靜態文檔發展到HTML5的動態應用一樣，USD需要繼續優化發展以滿足元宇宙的需求。為了加速這一發展， 英偉達已經在USD生態中添加了眾多新功能：
值得一提的是，英偉達已經為推動USD成為元宇宙基礎制定了短期和長遠的計劃。
2. 短期計劃
在短期內，英偉達正在開發：
3. 長遠計劃
從長遠來看， 英偉達正與合作伙伴合作開發：
英偉達指出，包括愛立信、Kroger和沃爾沃等工業領域的公司正在采用USD來實現3D虛擬世界和asset項目。
當然，英偉達并不是唯一相信USD將在未來元宇宙中扮演重要角色的公司。這一構思在新成立的元宇宙標準論壇中已經獲得了一定程度的支持（英偉達是成員之一）。例如，元宇宙標準論壇曾表示USD是互操作虛擬空間和體驗的一個富有前景的基礎。
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