Materiály fázové změny (PCMS) jsou třídou materiálů, které mohou během změny fáze absorbovat nebo uvolnit velké množství energie (tj. Entalpie fáze). Protože PCM využívají latentní teplo k ukládání energie, nabízejí vysokou hustotu skladování tepla, kompaktní tepelné skladovací zařízení a během procesu změny fázové změny udržují v podstatě konstantní teplotu, což je usnadňuje správu. S rostoucím globálním povědomí o úsporách energie, tato charakteristika PCMS přitahovala pozornost vědců a technologie tepelného skladování PCM stále více získává trakci v oblasti skladování energie.
I. Úvod do charakteristik materiálové technologie
Obecně řečeno, technologie tepelného skladování zahrnují skladování tepla a skladování chladu, včetně rozumného skladování tepla a skladování fází. Srozumitelné skladování tepla využívá inherentní specifickou tepelnou kapacitu materiálu k ukládání a uvolňování tepelné energie, zatímco ukládání změn fázové změny využívá absorpci a uvolňování tepelné energie během fázové změny PCM (materiály změny fázové). PCMS, s vysokou hustotou skladování tepla a minimálních kolísání teploty během náboje a vypouštění, přitahovaly rozsáhlou pozornost vědců na domácí i mezinárodní úrovni. V současné době zahrnují materiály pro skladování tepla fáze hlavně organické, roztavené soli, slitiny a kompozitní materiály. Existují čtyři formy pro změnu hlavní fáze: pevná látka, pevná kapalina, pevná plyn a kapalina.
Ideální materiál změny fáze pevné kapaliny by měl mít následující vlastnosti:
(1) vysoké latentní teplo fúze, aby během změny fáze mohla ukládat energii nebo uvolnit více tepla;
(2) vhodná teplota změny fázové změny, aby vyhovovala potřebám;
(3) dobrá reverzibilita změny fáze pevné kapaliny, která se může zabránit nadměrnému chlazení nebo přehřátí co nejvíce;
(4) velká tepelná vodivost fáze pevné kapaliny;
(5) malá expanze a kontrakce během změny fáze pevné kapaliny;
(6) vysoká hustota a specifická tepelná kapacita materiálů změny fázové změny;
(7) netoxický a nekorozivní;
(8) nízké náklady a snadno vyrobitelné.
Ve srovnání s materiály pro změnu fáze pevné kapaliny mají materiály pro změnu fáze pevné pevné látky mnoho výhod. Materiály pro změnu fáze pevné pevné látky mohou být přímo zpracovány a vytvořeny bez potřeby kontejnerů. Během změny fáze mají nízký koeficient expanze a minimální změnu objemu. Nezažívají superoolaci nebo separaci fáze, což eliminuje potřebu anti-supercoolingu nebo separačních látek anti-fází. Mají také velmi nízkou toxicitu a korozivní, bez úniku a šetrné k životnímu prostředí. Mají stabilní složení, dobrou změnu fáze a dlouhou životnost. Je jednoduché instalace a snadno se používají. Hlavními nevýhodami materiálů pro změnu fáze pevné látky jsou jejich nízké latentní teplo fázové změny a vysoká cena. Změna fáze kapalinového plynu a pevného plynu zahrnují velké množství plynu během procesu změny fáze, což má za následek významné změny objemu. Proto se navzdory své významné teplotě změny fáze proto používají zřídka v praktických aplikacích.
Ii. Aplikace materiálů pro změnu fázové
Vývoj materiálů pro skladování energie fází postupně vstoupil do praktické fáze, především pro kontrolu reakčních teplot, využití sluneční energie a skladování odpadního tepla z průmyslových reakcí. Skladování energie s nízkou teplotou se používá primárně pro zotavení tepla odpadního tepla, skladování sluneční energie a systémy vytápění a klimatizace. Skladování energie s vysokou teplotou se používá v tepelných motorech, solárních elektrárnách, magnetohydrodynamické výrobě energie a satelitech. Vstřikování těchto materiálů do textilu může vytvářet lehké oblečení s vynikajícími tepelnými izolačními vlastnostmi. Mohou být také použity k vytváření termoskových šálků, které udržují teplo déle než běžné keramické poháry. Asfaltové nebo cementové vozovky naplněné tímto materiálem pro změnu fázové změny mohou zabránit námrazy na silnicích a mostech. Proto má široké vyhlídky na aplikaci v inženýrských izolačních materiálech, zdravotnických výrobcích, leteckém vybavení, vojenském průzkumu a denních potřebách.
(1) Aplikace materiálů změny fázové změny ve zdravotnickém průmyslu
Mnoho lékařských elektronických terapeutických zařízení vyžaduje provoz konstantní teploty, což vyžaduje použití teplotních materiálů pro skladování tepla k udržení provozních teplot v přijatelných limitch. Japonský patent hlásí použití směsi NASO₄10H₂O a MGSO₄7H₂O jako materiálu fázové změny pro kontrolu teploty přístrojové místnosti a udržovat teplotu místnosti kolem 25 stupňů. Speciální nástroje mohou být také zabudovány do tepelných balíčků vyrobených z materiálů pro změnu fázové změny pro udržení provozních teplot. V posledních letech se na domácím trhu stal typ tepelného balení. Její materiál změny fázové změny je hydratovaná sůl s teplotou změny fáze přibližně 55 stupňů. Kovový list slouží jako nukleační semen. Když je kovová list manuálně stisknut, jeho povrch se stává středem růstu krystalů, což vede k uvolňování tepla během krystalizace. V kombinaci s vakem obsahujícím určité tradiční čínské léky, o nichž je známo, že stimuluje krevní oběh, to vytváří terapeutický účinek s určitou účinností při léčbě onemocnění, jako je revmatoidní artritida.
(2) Aplikace materiálů pro změnu fázové změny ve skladování dat
PCM je vysoce výkonná, neaunátilní paměť založená na sklenici chalkogenidu. Tyto sloučeniny mají klíčovou vlastnost: mění svůj odpor, když přecházejí z jedné fáze na druhou. Krystalická fáze materiálu je nízká odolnost, zatímco amorfní fáze je vysoká odolnost. Fázové přechody jsou dosaženy aplikací nebo odstraněním proudu. Na rozdíl od tradiční netěsnické paměti založené na NAND mohou zařízení PCM podporovat prakticky neomezený počet zápisů. Zařízení PCM také nabízejí výhody, jako je doba odezvy rychlého přístupu, byte-addresbilita a náhodné čtení/zápis. Je to jedna z mnoha technologií skladování nabízená jako „změna budoucnosti“. V roce 2017 dosáhl výzkumný tým vedený Song Zhitang, ředitelem Šanghajského institutu mikrosystému a informačních technologií, hlavní průlom v nových paměťových materiálech s fázovou změnou. Inovativně navrhli konstrukční strategii pro vysokorychlostní materiály změny fáze, čímž minimalizovali náhodnost nukleace v amorfních tenkých tenkých filmech, aby se dosáhlo rychlé krystalizace. Paměťové zařízení na základě fázové změny založené na SC-SB-TE, vyrobené pomocí procesu CoMS 0,13 µm, dosáhlo vysokorychlostního reverzibilního cyklu zápisu 700 pikosekund a životnost cyklu více než 107 cyklů. Ve srovnání s konvenčními zařízeními GE-SB-TE byla jeho provozní spotřeba energie snížena o 90%, přičemž si zachovala srovnatelnou retenci dat po dobu deseti let. V roce 2018 zahájil výrobce paměťových čipů SK Hynix výrobu 3D CrossPoint Memory na bázi PCM. SK vysvětlil, že 3D paměťové buňky CrossPoint použité v SCM jsou vyrobeny z materiálů na bázi fáze na bázi sulfidu. Nedávno výzkum IBM prokázal, že schopnosti strojového učení lze urychlit tisíckrát pomocí analogových čipů založených na paměti změny fázové změny. Blog IBM odhalil, že IBM zakládá výzkumné středisko pro vývoj hardwaru AI nové generace a prozkoumám potenciál PCM paměti v aplikacích AI.
