Materiály s fázovou změnou (PCM) jsou třídou materiálů, které mohou absorbovat nebo uvolňovat velké množství energie (tj. entalpii změny fáze) během změny fáze. Protože PCM využívají latentní teplo pro akumulaci energie, mají vysokou hustotu akumulace tepla, kompaktní zařízení pro akumulaci tepla a jejich teplota zůstává v podstatě konstantní během procesu změny fáze, což usnadňuje jejich správu. S rostoucím globálním povědomím o úsporách energie tato charakteristika PCM přitáhla pozornost výzkumníků a technologie skladování tepelné energie s fázovou změnou stále více září v oblasti skladování energie.
I. Úvod do materiálových technologických charakteristik
Obecně řečeno, technologie akumulace tepelné energie zahrnuje jak technologie skladování tepelné energie, tak technologie skladování energie za studena. Technologie skladování tepelné energie zahrnuje rozumné skladování tepelné energie a skladování tepelné energie s fázovou změnou. Senzitivní skladování tepelné energie využívá specifickou tepelnou kapacitu samotného materiálu k ukládání/uvolňování tepelné energie, zatímco skladování tepelné energie s fázovou změnou využívá proces přeměny absorpce/uvolňování energie během fázové změny materiálů s fázovou změnou (PCM) k ukládání/uvolňování tepelné energie. Materiály pro akumulaci tepelné energie s fázovou změnou mají výhody, jako je vysoká hustota akumulace tepla a malé změny teploty během nabíjení a uvolňování tepla, což přitahuje širokou pozornost učenců doma i v zahraničí. V současné době materiály pro ukládání energie s fázovou změnou zahrnují hlavně organické, roztavené soli, slitiny a kompozitní typy. Jejich formy s fázovou změnou jsou převážně čtyři typy: pevné-tuhé, pevné-kapalné, pevné-plyn a kapalný-plyn.
Ideální pevný-materiál s kapalnou fází by měl mít následující vlastnosti:
(1) Vysoké latentní teplo tání, které umožňuje akumulovat nebo uvolňovat značné množství tepla během změny fáze;
(2) Vhodná teplota změny fáze, aby byly splněny požadavky;
(3) Dobrá reverzibilita změny fáze pevné-kapaliny, minimalizující přechlazení nebo přehřátí;
(4) Vysoká tepelná vodivost mezi pevnou a kapalnou fází;
(5) Minimální expanze a smrštění během procesu změny pevné-kapalné fáze;
(6) Vysoká hustota a měrná tepelná kapacita;
(7) Ne-toxické a-korozivní;
(8) Nízká cena a snadná výroba.
Ve srovnání s pevnými-materiály s kapalnou fází mají pevné-materiály s pevnou fází mnoho výhod. Pevné-materiály s pevnou fází (SCT) lze přímo zpracovávat a tvarovat bez potřeby nádob; mají malý koeficient tepelné roztažnosti, což má za následek minimální změnu objemu během fázového přechodu; nevykazují podchlazení ani separaci fází, což eliminuje potřebu anti-podchlazení a anti-činidel proti separaci fází; mají velmi nízkou toxicitu a minimální žíravost; netěsní-a neznečišťují životní prostředí; mají stabilní složení, dobrou reverzibilitu fázových změn a dlouhou životnost; a jejich zařízení jsou jednoduchá a snadno se používají. Hlavní nevýhodou SCT je jejich nízké latentní teplo fázové změny a vysoká cena. Kapalné-plynné a pevné-plynové materiály se změnou fáze v důsledku přítomnosti velkého množství plynu během fázového přechodu vedou k významným objemovým změnám, a proto jsou navzdory velkému skupenskému teplu v praktických aplikacích voleny jen zřídka.
II. Oblasti použití materiálů s fázovou změnou
Vývoj materiálů pro ukládání energie s fázovou změnou postupně vstoupil do fáze praktické aplikace, které se používají především pro řízení reakčních teplot, využití sluneční energie a ukládání odpadního tepla z průmyslových reakcí. Nízkoteplotní úložiště energie se používá hlavně pro rekuperaci odpadního tepla, skladování solární energie a systémy vytápění a klimatizace. Vysokoteplotní úložiště energie se používá v tepelných motorech, solárních elektrárnách, magnetohydrodynamické výrobě energie a umělých satelitech. Vstřikováním těchto materiálů do textilií lze vytvořit lehké oblečení s vynikající tepelnou izolací. Dají se z nich vyrobit i izolované šálky, které udrží teplo déle než běžné keramické šálky. Asfaltové nebo cementové vozovky obsahující tento materiál s fázovou změnou mohou zabránit námraze na silnicích a mostech. Proto má široké uplatnění v technických izolačních materiálech, lékařských a zdravotnických produktech, leteckém vybavení, vojenském průzkumu a každodenních potřebách.
(I) Použití materiálů s fázovou změnou ve farmaceutickém průmyslu Mnoho lékařských elektronických terapeutických zařízení vyžaduje provoz s konstantní teplotou, což vyžaduje použití tepelně -regulovaných tepelně akumulačních materiálů k regulaci teploty a zajištění provozu nástrojů v rámci povolených limitů. Japonský patent uvádí použití směsi NaSO4.10H2O a MgS04.7H2O jako materiálu s fázovou změnou pro řízení teploty v přístrojových místnostech při udržování pokojové teploty přibližně 25 stupňů. Speciální přístroje mohou být také zapouzdřeny v tepelných blocích vyrobených z materiálů s fázovou změnou, aby se udržela jejich provozní teplota. V posledních letech se na tuzemském trhu objevil typ heat packu. Jeho materiálem pro změnu fáze je hydratovaná sůl s teplotou změny fáze kolem 55 stupňů. Jako nukleační zárodečný materiál se používá kovový plech; když je plech zmáčknut, jeho povrch se stane centrem růstu krystalů, což vede k exotermické krystalizaci. V kombinaci s některými sáčky tradiční čínské medicíny, které podporují krevní oběh, dosahuje terapeutického účinku a vykazuje určitou účinnost při léčbě onemocnění, jako je revmatoidní artritida.
(II) Aplikace materiálů s fázovou změnou při ukládání dat
PCM je vysoce-výkonná, energeticky nezávislá{1}}paměť založená na chalkogenidovém skle. Tato sloučenina má zásadní vlastnost: její odpor se mění, když se pohybuje z jedné fáze do druhé. Krystalická fáze materiálu je fáze s nízkým -odporem, zatímco amorfní fáze je fáze s vysokým -odporem. Fázových přechodů je dosaženo aplikací nebo odstraněním proudu. Na rozdíl od tradičních NAND-nezávislých-pamětí mohou zařízení PCM dosahovat prakticky neomezeného počtu zápisů. Zařízení PCM navíc nabízejí výhody, jako je krátká doba odezvy přístupu, adresovatelnost bajtů a možnosti náhodného čtení/zápisu, díky čemuž se jedná o jednu z mnoha technologií úložiště propagovaných jako technologie „budoucí{11}}měnící se“.
V roce 2017 dosáhl výzkumný tým vedený Song Zhitangem, ředitelem Šanghajského institutu mikrosystémů a informačních technologií, zásadního průlomu v nových materiálech s fází{1}}change memory (PCM). Inovativně navrhli designový koncept pro vysoko-rychlostní PCM materiály, konkrétně dosažení vysokorychlostní-krystalizace PCM materiálů snížením náhodnosti nukleace v amorfních PCM filmech. Pomocí 0,13µm-procesu CMOS dosáhla zařízení PCM na bázi Sc-Sb-Te-vysokorychlostního-reverzibilního zápisu-vymazání 700 pikosekund s životností cyklu delší než 10⁷ cyklů. Ve srovnání s tradičními zařízeními Ge-Sb{17}}Te se jejich spotřeba energie snížila o 90 % při zachování srovnatelného uchování dat po dobu deseti let. V roce 2018 začal výrobce paměťových čipů SK Hynix vyrábět 3D křížové paměti založené na PCM-. SK vysvětlil, že tato 3D křížová paměťová buňka používaná v SCM je vyrobena z materiálů PCM na bázi sulfidů-. Nedávno výzkum IBM ukázal, že schopnosti strojového učení lze tisíckrát zrychlit použitím analogových čipů založených na PCM. Blog IBM odhalil, že IBM zakládá výzkumné centrum pro vývoj-hardwaru umělé inteligence a zkoumání aplikačního potenciálu paměti PCM v oblasti umělé inteligence.
