Materiály s fázovou zmenou (PCM) sú triedou materiálov, ktoré môžu absorbovať alebo uvoľniť veľké množstvo energie (tj entalpiu fázovej zmeny) počas zmeny fázy. Pretože PCM využívajú latentné teplo na ukladanie energie, majú vysokú hustotu akumulácie tepla, kompaktné zariadenia na akumuláciu tepla a ich teplota zostáva v podstate konštantná počas procesu zmeny fázy, čo uľahčuje ich riadenie. S rastúcim globálnym povedomím o úspore energie táto charakteristika PCM pritiahla pozornosť výskumníkov a technológia skladovania tepelnej energie s fázovou zmenou čoraz viac svieti v oblasti skladovania energie.
I. Úvod do materiálových technologických charakteristík
Všeobecne povedané, technológia skladovania tepelnej energie zahŕňa technológie skladovania tepelnej energie aj technológie skladovania studenej energie. Technológia skladovania tepelnej energie zahŕňa rozumné skladovanie tepelnej energie a skladovanie tepelnej energie s fázovou zmenou. Senzorické skladovanie tepelnej energie využíva špecifickú tepelnú kapacitu samotného materiálu na ukladanie/uvoľňovanie tepelnej energie, zatiaľ čo skladovanie tepelnej energie s fázovou zmenou využíva proces premeny tepelnej absorpcie/uvoľňovania energie počas fázovej zmeny materiálov s fázovou zmenou (PCM) na ukladanie/uvoľňovanie tepelnej energie. Materiály na uchovávanie tepelnej energie s fázovou zmenou majú výhody, ako je vysoká hustota akumulácie tepla a malé zmeny teploty počas nabíjania a uvoľňovania tepla, čo priťahuje širokú pozornosť vedcov na domácej aj medzinárodnej úrovni. V súčasnosti materiály na uchovávanie energie s fázovou zmenou zahŕňajú najmä organické, roztavené soli, zliatiny a kompozitné typy. Ich formy s fázovou premenou sú hlavne štyri typy: pevné -tuhé, tuhé-kvapalné, tuhé-plynné a kvapalné-plyny.
Ideálny pevný-materiál s kvapalnou fázou by mal mať nasledujúce vlastnosti:
(1) Vysoké latentné teplo topenia, ktoré umožňuje uchovávať alebo uvoľňovať značné množstvo tepla počas zmeny fázy;
(2) Primeraná teplota zmeny fázy na splnenie požiadaviek;
(3) Dobrá reverzibilita zmeny fázy tuhej-kvapaliny, čím sa minimalizuje prechladnutie alebo prehriatie;
(4) Vysoká tepelná vodivosť medzi tuhou a kvapalnou fázou;
(5) Minimálna expanzia a kontrakcia počas procesu zmeny tuhej-kvapalnej fázy;
(6) Vysoká hustota a merná tepelná kapacita;
(7) Ne-toxické a-korozívne;
(8) Nízke náklady a jednoduchá výroba.
V porovnaní s pevnými-materiálmi s kvapalnou fázou majú pevné-tuhé materiály s fázovou zmenou mnoho výhod. Pevné-materiály s pevnou fázou (SCT) možno priamo spracovávať a formovať bez potreby nádob; majú malý koeficient tepelnej rozťažnosti, čo má za následok minimálnu objemovú zmenu počas fázového prechodu; nevykazujú podchladenie ani fázovú separáciu, čím sa eliminuje potreba anti-podchladzovacích činidiel a anti{5}}fázových separačných činidiel; majú veľmi nízku toxicitu a minimálnu žieravosť; netesnia-a neznečisťujú životné prostredie; majú stabilné zloženie, dobrú reverzibilitu fázovej zmeny a dlhú životnosť; a ich zariadenia sú jednoduché a ľahko sa používajú. Hlavnými nevýhodami SCT sú ich nízke latentné teplo fázovej zmeny a vysoká cena. Kvapalný-plyn a pevný{10}}plynné materiály meniace fázu v dôsledku prítomnosti veľkého množstva plynu počas fázového prechodu vedú k významným objemovým zmenám, a preto sa napriek veľkému teplu fázovej zmeny zriedkavo vyberajú v praktických aplikáciách.
II. Oblasti použitia materiálov s fázovou zmenou
Vývoj materiálov na uchovávanie energie s fázovou zmenou postupne vstúpil do štádia praktickej aplikácie, ktoré sa používajú najmä na riadenie reakčných teplôt, využívanie slnečnej energie a skladovanie odpadového tepla z priemyselných reakcií. Nízkoteplotné skladovanie energie sa používa najmä na rekuperáciu odpadového tepla, skladovanie solárnej energie a vykurovacie a klimatizačné systémy. Vysokoteplotné skladovanie energie sa používa v tepelných motoroch, solárnych elektrárňach, magnetohydrodynamickej výrobe energie a umelých satelitoch. Vstrekovaním týchto materiálov do textílií možno vytvoriť ľahké oblečenie s vynikajúcou tepelnou izoláciou. Dajú sa z nich vyrobiť aj izolované poháre, ktoré udržia teplo dlhšie ako bežné keramické poháre. Asfaltové alebo cementové vozovky obsahujúce tento materiál s fázovou zmenou môžu zabrániť námraze na cestách a mostoch. Preto má široké uplatnenie v technických izolačných materiáloch, medicínskych a zdravotníckych výrobkoch, leteckých zariadeniach, vojenskom prieskume a každodenných potrebách.
(I) Aplikácia materiálov s fázovou zmenou vo farmaceutickom priemysle Mnoho lekárskych elektronických terapeutických zariadení vyžaduje prevádzku s konštantnou teplotou, čo si vyžaduje použitie tepelne -regulovaných tepelne akumulačných materiálov na reguláciu teploty a zabezpečenie prevádzky nástrojov v rámci povolených limitov. Japonský patent uvádza použitie zmesi NaS04.10H2O a MgS04.7H2O ako materiálu s fázovou zmenou na reguláciu teploty v miestnostiach s prístrojmi, pri udržiavaní izbovej teploty približne 25 stupňov. Špeciálne nástroje môžu byť tiež zapuzdrené v tepelných obaloch vyrobených z materiálov s fázovou zmenou, aby sa udržala ich prevádzková teplota. V posledných rokoch sa na domácom trhu objavil typ tepelného obalu. Jeho materiálom fázovej zmeny je hydratovaná soľ s teplotou fázovej zmeny okolo 55 stupňov. Ako nukleačný zárodočný materiál sa používa kovový plech; keď sa kovový plech stlačí, jeho povrch sa stane centrom rastu kryštálov, čo vedie k exotermickej kryštalizácii. V kombinácii s niektorými vreckami tradičnej čínskej medicíny, ktoré podporujú krvný obeh, dosahuje terapeutický účinok a vykazuje určitú účinnosť pri liečbe chorôb, ako je reumatoidná artritída.
(II) Aplikácia materiálov s fázovou zmenou pri ukladaní údajov
PCM je vysoko{0}}výkonná, energeticky nezávislá{1} pamäť založená na chalkogenidovom skle. Táto zlúčenina má zásadnú vlastnosť: jej odpor sa mení, keď prechádza z jednej fázy do druhej. Kryštalická fáza materiálu je fázou s nízkym -odporom, zatiaľ čo amorfná fáza je fázou s vysokým -odporom. Fázové prechody sa dosahujú aplikáciou alebo odstránením prúdu. Na rozdiel od tradičnej -nezávislej pamäte založenej na NAND- môžu zariadenia PCM dosahovať prakticky neobmedzený počet zápisov. Zariadenia PCM navyše ponúkajú výhody, ako je krátky čas odozvy prístupu, adresovateľnosť bajtov a možnosti náhodného čítania/zápisu, čo z nich robí jednu z mnohých technológií ukladania, ktoré sa propagujú ako technológia „budúcej{11}}meny.
V roku 2017 dosiahol výskumný tím vedený Songom Zhitangom, riaditeľom Šanghajského inštitútu mikrosystémov a informačných technológií, zásadný prelom v nových materiáloch s pamäťou na zmeny vo fáze{1}} (PCM). Inovatívne navrhli koncepciu dizajnu pre vysoko-rýchlostné PCM materiály, konkrétne dosiahnutie vysokorýchlostnej-kryštalizácie PCM materiálov znížením náhodnosti nukleácie v amorfných PCM filmoch. Použitím 0,13µm-procesu CMOS dosiahli zariadenia PCM na báze Sc-Sb{9}}Te{10}}vysoko{11}}rýchlosť reverzibilného zápisu-vymazávania 700 pikosekúnd so životnosťou cyklu väčšou ako 10⁷ cyklov. V porovnaní s tradičnými zariadeniami Ge-Sb{17}}Te sa ich spotreba energie znížila o 90 % pri zachovaní porovnateľného uchovávania údajov počas desiatich rokov. V roku 2018 začal výrobca pamäťových čipov SK Hynix vyrábať 3D krížové pamäte založené na PCM-. SK vysvetlil, že táto 3D krížová pamäťová bunka používaná v SCM je vyrobená z materiálov PCM na báze sulfidov-. Nedávno výskum IBM ukázal, že schopnosti strojového učenia možno tisícnásobne zrýchliť použitím analógových čipov založených na PCM. Blog IBM odhalil, že IBM zakladá výskumné centrum na vývoj-hardvéru AI novej generácie a skúmanie aplikačného potenciálu PCM pamäte v oblasti AI.
