Матеріали зміни фаз (PCM) - це клас матеріалів, який може поглинати або вивільняти велику кількість енергії (тобто ентальпійна зміна фази) під час зміни фаз. Оскільки PCM використовують приховане тепло для зберігання енергії, вони пропонують високу щільність зберігання тепла, компактні теплові пристрої для зберігання та підтримують по суті постійну температуру під час процесу зміни фаз, що робить їх легкими в управлінні. Зі зростаючою глобальною обізнаністю щодо енергозбереження, ця характеристика PCM привернула увагу дослідників, а технологія термічного зберігання PCM все більше набирає тягу в галузі зберігання енергії.
I. Вступ до характеристик матеріальних технологій
Загалом, технології теплового зберігання включають зберігання тепла та зберігання холодного, включаючи чутливе зберігання тепла та зберігання фаз. Чутне зберігання тепла використовує притаманну специфічну теплоємність матеріалу для зберігання та вивільнення теплової енергії, тоді як зберігання фаз використовує поглинання та вивільнення теплової енергії під час зміни фази PCM (фазові матеріали зміни). PCM, з високою щільністю зберігання тепла та мінімальними коливаннями температури під час заряду та розряду, привернули широку увагу вчених як на внутрішньому, так і на міжнародному рівні. В даний час матеріали для зберігання тепла фази в основному включають органічну, розплавлену сіль, сплав та композитні матеріали. Існує чотири основні форми зміни фази: тверда тверда, тверда рідина, твердий газ та рідкий газ.
Ідеальний матеріал зміни фази твердої рідини повинен мати такі властивості:
(1) висока латентна теплота синтезу, щоб він міг зберігати енергію або вивільняти більше тепла під час зміни фази;
(2) відповідна температура зміни фаз для задоволення потреб;
(3) хороша оборотність зміни фази твердої рідини, яка може максимально уникнути переохолодження або перегріву;
(4) велика теплопровідність твердої рідкої фази;
(5) невелике розширення та скорочення під час зміни фази твердої рідини;
(6) висока щільність та питома теплоємність матеріалів зміни фаз;
(7) нетоксичний та некорозійний;
(8) Низька вартість і проста у виробництві.
Порівняно з матеріалами зміни фази твердої рідини, матеріали змін у твердій стійкій фазі мають багато переваг. Матеріали змінної фази твердих твердих фаз можуть бути безпосередньо оброблені та утворені без необхідності контейнерів. Вони мають низький коефіцієнт розширення та мінімальну зміну обсягу під час зміни фази. Вони не відчувають переохолодження або поділу фаз, усуваючи потребу в анти-супершільних або антифазних агентах поділу. Вони також мають дуже низьку токсичність та корозійну, без протікання та екологічно чисті. Вони мають стабільну композицію, хорошу зміну фази та тривалий термін служби. Вони прості у встановленні та прості у використанні. Основними недоліками матеріалів із зміною твердих твердих фаз є їх низька прихована теплота змін фази та висока ціна. Зміна рідкої газу та твердої газової фази передбачає велику кількість газу під час процесу зміни фаз, що призводить до значних змін обсягу. Тому, незважаючи на їх значну фазову теплоту, вони рідко використовуються в практичних застосуванні.
Ii. Застосування матеріалів зміни фаз
Розробка матеріалів для зберігання енергії фази поступово вступила на практичну стадію, в першу чергу для контролю температури реакції, використання сонячної енергії та зберігання відпрацьованих тепла від промислових реакцій. Низькотемпературне зберігання енергії в основному використовується для відновлення тепла, зберігання сонячної енергії та систем опалення та кондиціонування. Високотемпературне зберігання енергії використовується в теплових двигунах, сонячних електростанціях, магнітогідродинамічному виробництві електроенергії та супутниках. Введення цих матеріалів у текстиль може створити легкий одяг з відмінними властивостями теплоізоляції. Вони також можуть бути використані для створення чашок термос, які зберігають тепло довше, ніж звичайні керамічні чашки. Асфальт або цементні тротуари, наповнені цим матеріалом зміни фази, можуть запобігти обмерзанню на дорогах та мостах. Тому він має широкі перспективи застосування в інженерних ізоляційних матеріалах, медичних продуктах, аерокосмічному обладнанні, військовій розвідці та щоденних потреб.
(1) Застосування матеріалів зміни фаз у медичній галузі
Багато медичних електронних терапевтичних пристроїв потребують постійної роботи температури, що вимагає використання матеріалів, що контролюються температурою, для підтримки робочих температур у прийнятних межах. Японський патент повідомляє про використання суміші NASO₄10H₂O та MGSO₄7H₂O як матеріал зміни фази для контролю кімнатної температури приладу, підтримуючи кімнатну температуру близько 25 градусів. Спеціальні інструменти також можуть бути вбудовані в теплові пакети, виготовлені з фазових матеріалів для підтримки робочих температур. Останніми роками тип теплового пакету став популярним на внутрішньому ринку. Його фазовий матеріал-це гідратована сіль з температурою зміни фаз приблизно 55 градусів. Металевий лист служить як насіннєвий матеріал зародження. Коли металевий лист стискається вручну, його поверхня стає центром росту кристалів, що призводить до вивільнення тепла під час кристалізації. У поєднанні з мішком, що містить певні традиційні китайські лікарські засоби, які, як відомо, стимулюють кровообіг, це створює терапевтичний ефект, з певною ефективністю у лікуванні захворювань, таких як ревматоїдний артрит.
(2) Застосування фазових матеріалів у зберіганні даних
PCM-це високоефективна, негативна пам'ять на основі халькогенідного скла. Ці сполуки мають вирішальну властивість: вони змінюють свій опір, переходячи з однієї фази в іншу. Кристалічна фаза матеріалу має низьку стійкість, тоді як аморфна фаза-висока стійкість. Фазові переходи досягаються шляхом застосування або видалення струму. На відміну від традиційної неповнолітньої пам'яті на основі NAND, пристрої PCM можуть підтримувати практично необмежену кількість записів. Пристрої PCM також пропонують такі переваги, як швидкий час відповіді, байт-адресабельність та випадкове читання/запис. Це одна з багатьох технологій зберігання, яку рекламують як "зміна майбутнього". У 2017 році дослідницька група під керівництвом Сонг Читанг, директора Шанхайського інституту мікросистемних та інформаційних технологій Шанхай, досягла великого прориву в новому фазовому змінному матеріалах пам'яті. Вони інноваційно запропонували стратегію проектування для високошвидкісних фазових матеріалів, мінімізуючи випадковість зародження в рамках аморфних тонких плівок зміни фази для досягнення швидкої кристалізації. Пристрій пам'яті фазової зміни SC-SB-TE, виготовлений за допомогою 0,13 мкм COMS-процесу, досягнув високошвидкісного оборотного циклу запису-ериази 700 пікосекунд та тривалості циклу понад 107 циклів. Порівняно зі звичайними пристроями GE-SB-TE, його експлуатаційне споживання електроенергії було зменшено на 90%, зберігаючи порівнянне зберігання даних протягом десяти років. У 2018 році виробник чіпів Memory SK Hynix розпочав виробництво 3D-точкової пам'яті на базі PCM. SK пояснив, що 3D-клітини пам'яті, що використовуються в СКМ, виготовлені з фазових матеріалів на основі сульфіду. Нещодавно IBM Research продемонструвало, що можливості машинного навчання можна прискорити тисячу за допомогою аналогових мікросхем на основі пам'яті зміни фази. Блог IBM показав, що IBM створює дослідницький центр для розробки апаратного забезпечення AI наступного покоління та вивчення потенціалу пам'яті PCM в програмах AI.
