Materiály na zmenu fázy (PCMS) sú triedou materiálov, ktoré môžu počas fázovej zmeny absorbovať alebo uvoľňovať veľké množstvo energie (tj entalpia fázovej zmeny). Pretože PCM využívajú na ukladanie energie latentné teplo, ponúkajú vysokú hustotu skladovania tepla, kompaktné zariadenia na tepelné skladovanie a udržiavajú v podstate konštantnú teplotu počas procesu zmeny fázy, čo ich uľahčuje spravovanie. S rastúcou globálnou informovanosťou o ochrane energie táto charakteristika PCM pritiahla pozornosť výskumných pracovníkov a technológia tepelného skladovania PCM čoraz viac získava trakciu v oblasti ukladania energie.
I. Úvod do charakteristík materiálovej technológie
Všeobecne povedané, technológie tepelného skladovania zahŕňajú skladovanie tepla a skladovanie za studena vrátane rozumného skladovania tepla a ukladania fázových zmien. Riadne skladovanie tepla využíva vlastnú špecifickú tepelnú kapacitu materiálu na ukladanie a uvoľňovanie tepelnej energie, zatiaľ čo skladovanie fázovej zmeny využíva absorpciu a uvoľňovanie tepelnej energie počas fázovej zmeny PCM (materiály na zmenu fázy). PCMS s vysokou hustotou tepla a minimálnymi kolísaniami teploty počas náboja a výtoku pritiahla rozsiahlu pozornosť od vedcov na domácom aj medzinárodnej úrovni. V súčasnosti patrí hlavne materiály na ukladanie tepla fázy, ktoré zahŕňajú hlavne organickú, roztavenú soľ, zliatinu a kompozitné materiály. Existujú štyri hlavné formy zmeny fázy: tuhá látka, tuhá látka, pevné plyny a plynulý plyn.
Ideálny materiál na zmenu fázy s pevnou látkou kvapaliny by mal mať nasledujúce vlastnosti:
(1) vysoké latentné teplo fúzie, aby mohlo uchovávať energiu alebo uvoľňovať viac tepla počas fázovej zmeny;
(2) vhodná teplota fázovej zmeny, ktorá vyhovuje potrebám;
(3) dobrá reverzibilita zmeny fázovej fázy tuhej látky, ktorá sa môže čo najviac vyhnúť nadchnutiu alebo prehriatiu;
(4) veľká tepelná vodivosť fázy tuhej kvapaliny;
(5) malá expanzia a kontrakcia počas zmeny fázy tuhej kvapaliny;
(6) vysoká hustota a špecifická tepelná kapacita materiálov na zmenu fázy;
(7) netoxické a nekorozívne;
(8) Nízke náklady a ľahko sa vyrábajú.
V porovnaní s materiálmi na zmenu fázy s telesnou kvapalinou majú materiály na zmenu pevnej fázy veľa výhod. Materiály s pevnou fázou môžu byť priamo spracované a tvorené bez potreby kontajnerov. Majú nízky koeficient expanzie a minimálnu zmenu objemu počas zmeny fázy. Nepočívajú v podchladení ani separácii fázy, čím sa eliminujú potreba anti superko-odborových alebo protifázových separačných činidiel. Majú tiež veľmi nízku toxicitu a korozívne, bez úniku a šetrné k životnému prostrediu. Majú stabilné zloženie, dobrú reverzibilitu fázových zmien a dlhú životnosť. Sú jednoduché na inštaláciu a ľahko použiteľné. Hlavnými nevýhodami materiálov s pevnou fázou sú ich nízke latentné teplo zmeny fázy a vysoká cena. Zmena fázy kvapalného plynu a fázy s pevným plynom zahŕňa veľké množstvo plynu počas procesu zmeny fázy, čo vedie k významným zmenám objemu. Preto sa napriek svojmu významnému tepla na zmenu fázy používajú zriedka v praktických aplikáciách.
II. Aplikácie materiálov na zmenu fázy
Vývoj materiálov na skladovanie energie fázovej zmeny postupne vstúpil do praktického štádia, predovšetkým na reguláciu reakčných teplôt, využívajúcich slnečnú energiu a ukladanie odpadového tepla z priemyselných reakcií. Skladovanie energie s nízkou teplotou sa používa primárne na regeneráciu odpadového tepla, skladovanie solárnej energie a vykurovacie a klimatizačné systémy. Vysokoteplotné skladovanie energie sa používa v tepelných motoroch, solárnych elektrárňach, generovaní magnetohydrodynamickej energie a satelitov. Injekt týchto materiálov do textilu môže vytvoriť ľahké oblečenie s vynikajúcimi vlastnosťami tepelnej izolácie. Môžu sa tiež použiť na vytváranie pohárov termos, ktoré si zachovávajú teplo dlhšie ako bežné keramické šálky. Asfaltové alebo cementové chodníky naplnené týmto materiálom na zmenu fázy môžu zabrániť námrazeniu na cestách a mostoch. Preto má rozsiahle vyhliadky na aplikáciu v inžinierskych izolačných materiáloch, zdravotníckych výrobkoch, leteckom vybavení, vojenskom prieskume a každodenných potrebách.
(1) Aplikácie materiálov na zmenu fázy v lekárskom priemysle
Mnoho lekárskych elektronických terapeutických zariadení vyžaduje prevádzku konštantnej teploty, čo si vyžaduje použitie teplotných materiálov s tepelným skladom s teplotou na udržanie prevádzkových teplôt v rámci prijateľných limitov. Japonský patent uvádza použitie zmesi Naso₄10H₂o a MgSO₄7H₂o ako materiálu na zmenu fázy pre reguláciu teploty miestnosti prístroja, udržiavanie teploty miestnosti okolo 25 stupňov. Špeciálne prístroje môžu byť tiež zabudované do tepelných balíčkov vyrobených z materiálov na zmenu fázy, aby sa udržali prevádzkové teploty. V posledných rokoch sa na domácom trhu stal typ tepelného balíka. Jeho materiálom na zmenu fázy je hydratovaná soľ s teplotou fázovej zmeny približne 55 stupňov. Kovový list slúži ako materiál na semená nukleacie. Keď je kovový list stlačený manuálne, jej povrch sa stáva stredom rastu kryštálov, čo vedie k uvoľňovaniu tepla počas kryštalizácie. V kombinácii s taškou obsahujúcim určité tradičné čínske lieky, o ktorých je známe, že stimulujú krvný obeh, to vytvára terapeutický účinok s určitou účinnosťou pri liečbe chorôb, ako je reumatoidná artritída.
(2) Aplikácie materiálov na zmenu fázy pri ukladaní údajov
PCM je vysoko výkonná, nezávislá pamäť založená na chalkogenidovom skle. Tieto zlúčeniny majú rozhodujúcu vlastnosť: menia svoj odpor, keď prechádzajú z jednej fázy do druhej. Kryštalická fáza materiálu je nízka odolnosť, zatiaľ čo amorfná fáza je vysoká rezistencia. Fázové prechody sa dosahujú použitím alebo odstránením prúdu. Na rozdiel od tradičnej nezávislej pamäte založenej na NAND, zariadenia PCM môžu podporovať prakticky neobmedzený počet zápisov. Zariadenia PCM tiež ponúkajú výhody, ako je čas odozvy s rýchlym prístupom, bajtovo-addresiteľnosť a náhodné čítanie/zápis. Je to jedna z mnohých skladovacích technológií ponúkaných ako „zmena budúcnosti“. V roku 2017 výskumný tím vedený Songom Zhitangom, riaditeľom Šanghajského inštitútu mikrosystémov a informačných technológií, dosiahol významný prielom v nových pamäťových materiáloch fázovej zmeny. Inovatívne navrhli konštrukčnú stratégiu pre vysokorýchlostné materiály na zmenu fázy, čím sa minimalizuje náhodnosť nukleácie v amorfných tenkých filmoch amorfnej fázy, aby sa dosiahla rýchla kryštalizácia. Pamäťové zariadenie s fázovou zmenou fázovej zmeny SC-SB-TE, vyrobené pomocou procesu COM 0,13 um, dosiahlo vysokorýchlostný reverzibilný cyklus zápisu 700 pikosekundov a životnosť cyklu viac ako 107 cyklov. V porovnaní s konvenčnými zariadeniami GE-SB-TE sa jeho spotreba prevádzkovej energie znížila o 90%, pričom sa udržala porovnateľná uchovávanie údajov na desať rokov. V roku 2018 začal výrobca pamäťových čipov SK Hynix vyrábať 3D Crosspoint Memory na báze PCM. SK vysvetlil, že bunky 3D Crosspoint Memory používané v SCM sú vyrobené z materiálov fázovej zmeny sulfidom. Spoločnosť IBM Research nedávno preukázala, že schopnosti strojového učenia sa dajú tisíckrát urýchliť pomocou analógových čipov založených na pamäti fázovej zmeny. Blog IBM odhalil, že IBM zakladá výskumné centrum na vývoj hardvéru AI novej generácie a preskúmanie potenciálu pamäte PCM v aplikáciách AI.
