Materiały zmian faz (PCM) to klasa materiałów, które mogą wchłaniać lub uwalniać duże ilości energii (tj. Entalpia zmiany fazowej) podczas zmiany fazy. Ponieważ PCM wykorzystują utajone ciepło do przechowywania energii, oferują one wysoką gęstość magazynowania ciepła, kompaktowe urządzenia do magazynowania termicznego i utrzymują zasadniczo stałą temperaturę podczas procesu zmiany fazy, co czyni je łatwymi w zarządzaniu. Wraz z rosnącą globalną świadomością oszczędzania energii, ta cecha PCM przyciągnęła uwagę naukowców, a technologia magazynowania termicznego PCM coraz częściej zyskuje przyczepność w polu magazynowania energii.
I. Wprowadzenie do charakterystyki technologii materialnej
Ogólnie rzecz biorąc, technologie magazynowania termicznego obejmują magazynowanie ciepła i chłodne, w tym rozsądne magazynowanie ciepła i przechowywanie zmian faz. Rozsądne magazyn ciepła wykorzystuje nieodłączną pojemność cieplną materiału do przechowywania i uwalniania energii cieplnej, a magazynowanie zmian fazowych wykorzystuje wchłanianie i uwalnianie energii cieplnej podczas zmiany fazy PCM (materiały do zmiany fazy). PCM, z wysoką gęstością przechowywania ciepła i minimalnymi wahaniami temperatury podczas ładunku i rozładowania, przyciągnęły powszechną uwagę uczonych zarówno w kraju, jak i za granicą. Obecnie materiały do magazynowania ciepła zmiany fazy obejmują głównie organiczną, stopioną sól, stop i kompozytowe materiały. Istnieją cztery główne formy zmiany faz: stałe, stałe, ciecz, gaz stały i gaz ciekły.
Idealny materiał zmiany fazy stałej cieczy powinien mieć następujące właściwości:
(1) wysokie utajone ciepło fuzji, aby mógł przechowywać energię lub uwalniać więcej ciepła podczas zmiany fazy;
(2) odpowiednia temperatura zmiany fazy, aby zaspokoić potrzeby;
(3) Dobra odwracalność zmiany fazy stałej ciecz, która może uniknąć przegranych lub przegrzania jak najwięcej;
(4) duża przewodność cieplna fazy stałej cieczowej;
(5) niewielka ekspansja i skurcz podczas zmiany fazy stałej ciecz;
(6) wysoka gęstość i pojemność cieplna materiałów zmian fazowych;
(7) nietoksyczne i niekorozyjne;
(8) Tanie koszty i łatwe do produkcji.
W porównaniu z materiałami zmiany fazy stałej ciecz, materiały do zmiany fazy stałej mają wiele zalet. Materiały zmiany fazy stałej solidowej można bezpośrednio przetwarzać i formować bez potrzeby pojemników. Mają niski współczynnik ekspansji i minimalnej zmiany objętości podczas zmiany fazy. Nie doświadczają superkołania lub separacji faz, eliminując potrzebę środków przeciwbólowych lub przeciwdziałania fazowym. Są również bardzo niskie w toksyczności i żrące, bezkłasne i przyjazne dla środowiska. Mają stabilną kompozycję, dobrą odwracalność zmiany fazy i długą żywotność. Są proste w instalacji i łatwe w użyciu. Głównymi wadami materiałów zmiany fazy stałych są ich niskie utajone ciepło zmiany faz i wysoka cena. Zmiana faz ciekłokątowych i gatunków stałych obejmuje duże ilości gazu podczas procesu zmiany fazy, co powoduje znaczne zmiany objętości. Dlatego pomimo ich znaczącej zmiany fazy, rzadko są one stosowane w praktycznych zastosowaniach.
Ii. Zastosowania materiałów zmiany fazowej
Opracowanie materiałów magazynowych zmian fazowych stopniowo wkraczał na etap praktyczny, przede wszystkim do kontrolowania temperatur reakcji, z wykorzystaniem energii słonecznej i przechowywania ciepła odpadowego z reakcji przemysłowych. Magazynowanie energii o niskiej temperaturze jest wykorzystywane przede wszystkim do odzyskiwania ciepła odpadów, magazynowania energii słonecznej oraz systemów ogrzewania i klimatyzacji. Magazynowanie energii o wysokiej temperaturze jest stosowane w silnikach cieplnych, elektrownia słoneczna, wytwarzanie energii magnetohydrodynamicznej i satelitach. Wtryskiwanie tych materiałów do tekstyliów może tworzyć lekkie ubrania o doskonałych właściwościach izolacji termicznej. Można je również używać do tworzenia kubków termos, które zatrzymują ciepło dłużej niż zwykłe kubki ceramiczne. Aspiry asfaltowe lub cementowe nasycone tym materiałem zmiany fazy mogą zapobiegać oblodzeniu na drogach i mostach. Dlatego ma szerokie perspektywy zastosowań w zakresie materiałów izolacyjnych inżynierii, produktów opieki zdrowotnej, sprzętu lotniczego, rozpoznania wojskowego i codziennych potrzeb.
(1) Zastosowania materiałów zmiany fazowej w branży medycznej
Wiele medycznych elektronicznych urządzeń terapeutycznych wymaga stałej operacji temperatury, co wymaga zastosowania materiałów do przechowywania ciepła kontrolowanych przez temperaturę w celu utrzymania temperatur roboczych w dopuszczalnych granicach. Japoński patent informuje o zastosowaniu mieszanki Naso₄10h₂o i Mgso₄7h₂o jako materiału zmiany fazowej do kontroli temperatury pokojowej, utrzymując temperaturę pokojową około 25 stopni. Instrumenty specjalne mogą być również osadzone w pakietach cieplnych wykonanych z materiałów zmiany faz, aby utrzymać temperaturę roboczą. W ostatnich latach rodzaj pakietu cieplnego stał się popularny na rynku krajowym. Jego materiał zmieniający fazę jest uwodnioną solą o temperaturze zmiany fazy około 55 stopni. Arkusz metalowy służy jako materiał nasion zarodkowania. Gdy arkusz metalowy jest ściśnięty ręcznie, jego powierzchnia staje się środkiem wzrostu kryształów, co powoduje uwalnianie ciepła podczas krystalizacji. W połączeniu z torbą zawierającą niektóre tradycyjne chińskie leki, o których wiadomo, że stymulują krążenie krwi, powoduje to efekt terapeutyczny, z pewną skutecznością w leczeniu chorób, takich jak reumatoidalne zapalenie stawów.
(2) Zastosowania materiałów zmiany faz w przechowywaniu danych
PCM jest wysokowydajną, nieulotną pamięcią opartą na szklance chalkogenidów. Związki te mają kluczową właściwość: zmieniają swoją oporność, przechodząc z jednej fazy na drugą. Krystaliczna faza materiału jest niską opornością, podczas gdy faza amorficzna jest wysoka. Przejścia fazowe są osiągane poprzez zastosowanie lub usuwanie prądu. W przeciwieństwie do tradycyjnej pamięci nielotnej opartej na NAND, urządzenia PCM mogą obsługiwać praktycznie nieograniczoną liczbę zapisów. Urządzenia PCM oferują również zalety, takie jak szybki czas reakcji dostępu, zdolność do przyjęcia bajtów i losowy odczyt/zapis. Jest to jedna z wielu technologii przechowywania reklamowanych jako „zmiana przyszłości”. W 2017 r. Zespół badawczy prowadzony przez Song Zhitang, dyrektor Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, osiągnął poważny przełom w nowatorskich materiałach pamięci zmiany faz. Innowacyjnie zaproponowali strategię projektowania materiałów zmiany fazowej, minimalizując losowość zarodkowania w cienkich warstwach zmieniających fazę, aby osiągnąć szybką krystalizację. Urządzenie pamięci fazowej oparte na SC-SB-TE, wytworzone przy użyciu procesu COMS o 0,13 µm, osiągnęło szybki cykl eerazy zapisu 700 pikosekund i żywotność cyklu wynoszącą ponad 107 cykli. W porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami GE-SB-TE, jego zużycie energii operacyjnej zostało zmniejszone o 90%, przy jednoczesnym zachowaniu porównywalnej retencji danych przez dziesięć lat. W 2018 r. Producent układów pamięci SK Hynix rozpoczął produkcję pamięci 3D opartej na PCM. SK wyjaśnił, że komórki pamięci Crossspoint 3D stosowane w SCM są wykonane z materiałów fazowych na bazie siarczku. Ostatnio IBM Research wykazały, że możliwości uczenia maszynowego można przyspieszyć tysiąc razy przy użyciu układów analogowych na podstawie pamięci zmiany faz. Blog IBM ujawnił, że IBM ustanawia centrum badawcze w celu opracowania sprzętu AI nowej generacji i zbadania potencjału pamięci PCM w aplikacjach AI.
