Материалите с фазова промяна (PCM) са клас материали, които могат да абсорбират или отделят голямо количество енергия (т.е. енталпия на фазова промяна) по време на фазова промяна. Тъй като PCM използват латентна топлина за съхранение на енергия, те имат висока плътност на съхранение на топлина, компактни устройства за съхранение на топлина и тяхната температура остава по същество постоянна по време на процеса на промяна на фазата, което ги прави лесни за управление. С нарастващата глобална осведоменост за пестенето на енергия, тази характеристика на PCM привлече вниманието на изследователите и технологията за съхранение на топлинна енергия с промяна на фазата все повече блести в областта на съхранението на енергия.
I. Въведение в характеристиките на технологията на материалите
Най-общо казано, технологията за съхранение на топлинна енергия включва както технологии за съхранение на топлинна енергия, така и технологии за съхранение на студена енергия. Технологията за съхранение на топлинна енергия включва разумно съхранение на топлинна енергия и съхранение на топлинна енергия с промяна на фазата. Разумното съхранение на топлинна енергия използва специфичния топлинен капацитет на самия материал за съхраняване/освобождаване на топлинна енергия, докато съхранението на топлинна енергия с промяна на фазата използва процеса на преобразуване на енергията на абсорбция/освобождаване на топлина по време на промяната на фазата на материалите с промяна на фазата (PCM) за съхраняване/освобождаване на топлинна енергия. Материалите за съхранение на топлинна енергия с фазова промяна имат предимства като висока плътност на съхранение на топлина и малки температурни промени по време на зареждане и освобождаване на топлина, привличайки широко внимание от страна на учени както в страната, така и в чужбина. Понастоящем материалите за съхранение на енергия с промяна на фазата включват главно органични, разтопени соли, сплави и композитни видове. Техните форми на фазова промяна са основно четири типа: твърдо-твърдо, твърдо-течно, твърдо-газ и течно-газ.
Идеалният твърд-течен материал с промяна на фазата трябва да притежава следните свойства:
(1) Висока латентна топлина на топене, която му позволява да съхранява или освобождава значително количество топлина по време на фазовата промяна;
(2) Подходяща температура на промяна на фазата, за да отговаря на изискванията;
(3) Добра обратимост на смяната на фазата на твърдо-течно състояние, минимизиране на преохлаждането или прегряването;
(4) Висока топлопроводимост между твърдата и течната фази;
(5) Минимално разширение и свиване по време на процеса на промяна на фазата на твърдо-течно състояние;
(6) Висока плътност и специфичен топлинен капацитет;
(7) Не-токсични и не-корозивни;
(8) Ниска цена и лесен за производство.
В сравнение с твърди-течни материали с промяна на фазата, твърдите-материали с промяна на твърдата фаза имат много предимства. Твърди-твърди фазово променящи се материали (SCTs) могат да бъдат директно обработвани и формовани без необходимост от контейнери; те имат малък коефициент на топлинно разширение, което води до минимална промяна на обема по време на фазов преход; те не проявяват преохлаждане или разделяне на фазите, елиминирайки необходимостта от агенти против-преохлаждане и агенти против-разделяне на фазите; имат много ниска токсичност и минимална корозивност; не пропускат-течове и не замърсяват околната среда; те имат стабилен състав, добра обратимост на фазовите промени и дълъг експлоатационен живот; и техните устройства са прости и лесни за използване. Основните недостатъци на SCT са тяхната ниска латентна топлина на фазова промяна и висока цена. Течните-газови и твърдите-газови материали с фазова промяна, поради наличието на голямо количество газ по време на фазовия преход, водят до значителни промени в обема и следователно, въпреки голямата им топлина на фазова промяна, те рядко се избират в практически приложения.
II. Области на приложение на материалите за промяна на фазата
Разработването на материали за съхранение на енергия с промяна на фазата постепенно навлезе в етапа на практическо приложение, използвани главно за контролиране на реакционните температури, използване на слънчева енергия и съхраняване на отпадна топлина от промишлени реакции. Ниско{1}}температурното съхранение на енергия се използва главно за оползотворяване на отпадна топлина, съхранение на слънчева енергия и системи за отопление и климатизация. Високо{3}}съхранение на енергия при висока температура се използва в топлинни двигатели, слънчеви електроцентрали, магнитохидродинамично производство на енергия и изкуствени спътници. Инжектирането на тези материали в текстила може да създаде леко облекло с отлична топлоизолация. Те могат да се използват и за направата на изолирани чаши, които задържат топлината по-дълго от обикновените керамични чаши. Асфалтовите или циментови настилки, съдържащи този материал за промяна на фазата, могат да предотвратят пътищата и мостовете от заледяване. Поради това има широки перспективи за приложение в инженерни изолационни материали, медицински и здравни продукти, космическо оборудване, военно разузнаване и ежедневни нужди.
(I) Приложение на материали с фазова промяна във фармацевтичната промишленост Много медицински електронни терапевтични устройства изискват работа при постоянна температура, което налага използването на температурно-контролирани материали за съхранение на топлина, за да се регулира температурата и да се гарантира, че инструментите работят в допустимите граници. Японски патент съобщава за използването на смес от NaSO4·10H2O и MgSO4·7H2O като материал за промяна на фазата за контрол на температурата в инструменталните помещения, поддържайки стайна температура от приблизително 25 градуса. Специални инструменти могат също да бъдат затворени в топлинни пакети, направени от материали с фазова промяна, за да поддържат работната си температура. През последните години на вътрешния пазар се появи вид топлинен пакет. Неговият материал за промяна на фазата е хидратирана сол с температура на промяна на фазата от около 55 градуса. Метален лист се използва като зародишен материал за нуклеация; когато металният лист се притисне, неговата повърхност се превръща в център за растеж на кристали, което води до екзотермична кристализация. В комбинация с някои торбички от традиционна китайска медицина, които насърчават кръвообращението, той постига терапевтичен ефект, показвайки известна ефикасност при лечение на заболявания като ревматоиден артрит.
(II) Приложение на материали за промяна на фазата при съхранение на данни
PCM е високо{0}}производителна,-независима памет, базирана на халкогенидно стъкло. Това съединение има решаваща характеристика: устойчивостта му се променя, когато преминава от една фаза в друга. Кристалната фаза на материала е фаза с ниско-съпротивление, докато аморфната фаза е фаза с високо-съпротивление. Фазовите преходи се постигат чрез прилагане или премахване на ток. За разлика от традиционната NAND-базирана енергонезависима-памет, PCM устройствата могат да постигнат практически неограничени записи. Освен това PCM устройствата предлагат предимства като кратко време за реакция при достъп, байтова адресируемост и възможности за произволно четене/запис, което ги прави една от многото технологии за съхранение, рекламирани като „променяща се-на бъдещето“ технология.
През 2017 г. изследователски екип, ръководен от Song Zhitang, директор на Шанхайския институт за микросистемни и информационни технологии, постигна голям пробив в новите материали за фазова-промяна на паметта (PCM). Те новаторски предложиха дизайнерска концепция за високо-скоростни PCM материали, а именно постигане на високо-скоростна кристализация на PCM материали чрез намаляване на произволното образуване на ядра в рамките на аморфни PCM филми. С помощта на 0,13µm-CMOS процес, Sc-Sb-Te-PCM устройства постигнаха високо{11}}скоростни обратими операции по запис-изтриване от 700 пикосекунди с продължителност на цикъла над 10⁷ цикъла. В сравнение с традиционните Ge-Sb-Te устройства, тяхната консумация на енергия е намалена с 90%, като същевременно се поддържа сравнимо запазване на данни за десет години. През 2018 г. производителят на чипове с памет SK Hynix започна да произвежда PCM-базирана 3D crosspoint памет. SK обясни, че тази 3D кръстосана клетка с памет, използвана в SCM, е направена от сулфидни -PCM материали. Наскоро проучване на IBM показа, че възможностите за машинно обучение могат да бъдат ускорени хилядократно чрез използване на аналогови чипове, базирани на PCM. Блог на IBM разкри, че IBM създава изследователски център за разработване на хардуер за изкуствен интелект от следващо-поколение и за изследване на потенциала за приложение на PCM паметта в областта на изкуствения интелект.
