Материалите за промяна на фазата (PCM) са клас материали, които могат да абсорбират или освободят големи количества енергия (т.е. енталпия на фазовата промяна) по време на промяна на фазата. Тъй като PCMS използват латентна топлина за съхранение на енергия, те предлагат висока плътност на топлината, компактни термични устройства за съхранение и поддържат по същество постоянна температура по време на процеса на смяна на фазата, което ги прави лесни за управление. С нарастващата глобална осведоменост за енергийното опазване, тази характеристика на PCMS привлече вниманието на изследователите, а PCM технологията за термично съхранение все повече придобива сцепление в полето за съхранение на енергия.
I. Въведение в характеристиките на материалните технологии
Най -общо казано, термичните технологии за съхранение включват склад за топлина и студено съхранение, включително разумно съхранение на топлина и съхранение на фазово смяна. Разумното съхранение на топлина използва присъщия специфичен топлинен капацитет на материала за съхранение и освобождаване на топлинната енергия, докато съхранението на Phase Change използва абсорбцията и освобождаването на топлинната енергия по време на фазовата промяна на PCM (материали за промяна на фазата). PCMS, с високата си плътност на съхранение на топлина и колебанията на минималната температура по време на заряд и изпускане, привлече широко внимание от страна на учени както в страната, така и в международен план. Понастоящем фазовите материали за смяна на топлинното съхранение включват главно органични, разтопени сол, сплав и композитни материали. Има четири форми за промяна на основната фаза: твърдо твърди, твърдо течност, твърд газ и течен газ.
Идеалният материал за промяна на фазата на твърда течност трябва да има следните свойства:
(1) висока латентна топлина на сливане, така че да може да съхранява енергия или да освободи повече топлина по време на промяна на фазата;
(2) подходяща температура на промяна на фазата, за да отговори на нуждите;
(3) добра обратимост на промяна на фазата на твърда течност, която може да избегне преохлаждането или прегряването колкото е възможно повече;
(4) голяма топлопроводимост на фаза от твърда течност;
(5) малко разширяване и свиване по време на промяна на фазата на твърда течност;
(6) висока плътност и специфичен топлинен капацитет на материалите за промяна на фазата;
(7) нетоксични и некорозивни;
(8) Ниска цена и лесна за производство.
В сравнение с материалите за промяна на фазата на твърда течност, материалите за промяна на фазата на твърда фаза имат много предимства. Материалите за промяна на фазата на твърда фаза могат да бъдат директно обработени и образувани без нужда от контейнери. Те имат нисък коефициент на разширяване и минимална промяна на обема по време на фазовата промяна. Те не изпитват свръх охлаждане или фазово разделяне, като елиминират необходимостта от анти-супер охлаждане или антифазни разделителни средства. Те също са с много ниска токсичност и корозивни, без теч и екологични. Те имат стабилен състав, добра обратимост на промените в фазата и дълъг експлоатационен живот. Те са лесни за инсталиране и лесни за използване. Основните недостатъци на материалите за промяна на фазата на твърда фаза са тяхната ниска латентна топлина на промяна на фазата и висока цена. Промяната на течните газове и фазата на твърдия газ включват големи количества газ по време на процеса на промяна на фазата, което води до значителни промени в обема. Следователно, въпреки значителната си топлина за промяна на фазата, те рядко се използват в практически приложения.
II. Приложения на материалите за промяна на фазата
Развитието на материалите за съхранение на енергия за промяна на фазата постепенно навлиза в практическия етап, предимно за контролиране на реакционните температури, използвайки слънчева енергия и съхраняване на отпадъчната топлина от индустриалните реакции. Нискотемпературното съхранение на енергия се използва предимно за възстановяване на отпадъчна топлина, съхранение на слънчева енергия и системи за отопление и климатизация. Високотемпературното съхранение на енергия се използва в топлинни двигатели, слънчеви електроцентрали, магнитохидродинамично производство на енергия и спътници. Инжектирането на тези материали в текстил може да създаде леко облекло с отлични свойства на термична изолация. Те могат да се използват и за създаване на Thermos чаши, които запазват топлина по -дълго от обикновените керамични чаши. Асфалтовите или циментовите настилки, инфузирани с този материал за промяна на фазата, могат да предотвратят черешката по пътища и мостове. Следователно, той има широки перспективи за приложение в инженерни изолационни материали, здравни продукти, аерокосмическо оборудване, военна разузнавателна дейност и ежедневни нужди.
(1) Приложения на материалите за промяна на фазата в медицинската индустрия
Много медицински електронни терапевтични устройства изискват постоянна работа на температурата, което налага използването на контролирани от температурата материали за съхранение на топлинното съхранение, за да поддържат работни температури в рамките на приемливи граници. Японски патент съобщава за използването на смес от Naso₄10H₂O и MGSO₄7H₂O като материал за промяна на фазата за контрол на стайна температура на инструмента, поддържайки стайна температура около 25 градуса. Специалните инструменти могат да бъдат вградени и в топлинни опаковки, направени от материали за промяна на фазата, за да се поддържат оперативни температури. През последните години вид топлинен пакет стана популярен на вътрешния пазар. Материалът му за промяна на фазата е хидратирана сол с температура на промяна на фазата приблизително 55 градуса. Метален лист служи като материал за семена от нуклеиране. Когато металния лист се изстиска ръчно, повърхността му се превръща в центъра на растежа на кристалите, което води до отделяне на топлина по време на кристализация. В комбинация с торбичка, съдържаща определени традиционни китайски лекарства, за които се знае, че стимулират кръвообращението, това създава терапевтичен ефект, с известна ефикасност при лечение на заболявания като ревматоиден артрит.
(2) Приложения на материали за промяна на фазата при съхранение на данни
PCM е високоефективна, не-променлива памет, базирана на чалкогенидно стъкло. Тези съединения имат решаващо свойство: те променят своята съпротива, когато преминават от една фаза в друга. Кристалната фаза на материала е с ниско съпротивление, докато аморфната фаза е висока устойчивост. Фазовите преходи се постигат чрез прилагане или премахване на ток. За разлика от традиционната базирана на NAND нелетлива памет, PCM устройствата могат да поддържат практически неограничен брой записи. PCM устройствата също предлагат предимства като време за реагиране на бърз достъп, байтово-адресируемост и случайно четене/запис. Това е една от многото технологии за съхранение, рекламирани като „промяна на бъдещето“. През 2017 г. изследователски екип, ръководен от Song Zhitang, директор на Института за микросистеми и информационни технологии в Шанхай, постигна основен пробив в новите материали за промяна на фазата на промяна. Те иновативно предложиха дизайнерска стратегия за високоскоростни материали за промяна на фазата, като свежда до минимум случайността на нуклеацията в рамките на аморфни тънки филми за промяна на фазата, за да се постигне бърза кристализация. SC-SB-TE базираното устройство за фазово промяна на паметта, изработено с помощта на 0,13 µm COMS процес, постигна високоскоростен обратим цикъл на отписване-ераза от 700 пикосекунди и цикъл живот над 107 цикъла. В сравнение с конвенционалните GE-SB-TE устройства, консумацията на оперативна енергия е намалена с 90%, като същевременно поддържа сравнимо задържане на данни в продължение на десет години. През 2018 г. производителят на чипове за памет SK Hynix започна производство на 3D Crosspoint Memory, базирана на PCM. SK обясни, че 3D клетките на паметта на кръстосаната точка, използвани в SCM, са изработени от материали за промяна на фазово-промени на базата на сулфид. Наскоро изследванията на IBM показаха, че възможностите за машинно обучение могат да бъдат ускорени хиляди пъти, като се използват аналогови чипове въз основа на паметта с промяна на фазата. Блог на IBM разкри, че IBM създава изследователски център за разработване на AI хардуер от следващо поколение и изследване на потенциала на PCM паметта в AI приложения.
