A fázisváltoztatási anyagok (PCM) olyan anyagok osztálya, amelyek nagy mennyiségű energiát (azaz fázisváltozás entalpiát) képesek felszívni vagy felszabadítani egy fázisváltozás során. Mivel a PCM -ek használják a látens hőt az energia tárolására, nagy hőkezelő sűrűségű, kompakt hőtároló eszközöket kínálnak, és alapvetően állandó hőmérsékletet tartanak fenn a fázisváltási folyamat során, így könnyen kezelhetők. Az energiatakarékosság egyre növekvő globális tudatosságával a PCM -ek jellemzője felhívta a kutatók figyelmét, és a PCM hőtárolási technológiája egyre inkább vonzza az energiatárolót.
I. Bevezetés az anyagtechnikai jellemzőkbe
Általánosságban elmondható, hogy a hőtárolási technológiák magukban foglalják a hőkezelőt és a hidegtárolást, beleértve az ésszerű hőkezelőt és a fáziscsere -tárolást. Az ésszerű hőtárolás az anyag benne rejlő specifikus hőkapacitását használja a termikus energia tárolására és felszabadítására, míg a fázisváltási tárolás a hőenergia felszívódását és felszabadulását használja a PCM -ek fázisváltozása során (fázisváltási anyagok). A PCM -ek, a magas hőkezelő sűrűséggel és a minimális hőmérsékleti ingadozással a töltés és a kisülés során, a tudósok széles körű figyelmét vonzzák mind belföldön, mind nemzetközi szinten. Jelenleg a fáziscsere hőtárolóanyagok elsősorban szerves, olvadt sót, ötvözetet és kompozit anyagokat tartalmaznak. Négy fő fázisváltási forma létezik: szilárd szilárd, szilárd-folyadék, szilárd-gáz és folyékony gáz.
Az ideális szilárd-folyadék fázisváltó anyagnak a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie:
(1) magas látens fúziós hő, hogy az energiát tárolhassa, vagy több hőt engedjen fel a fázisváltozás során;
(2) megfelelő fázisváltási hőmérséklet az igények kielégítéséhez;
(3) a szilárd-folyadék fázisváltozásának jó megfordíthatósága, amely a lehető legnagyobb mértékben elkerülheti a túlhűtést vagy a túlmelegedést;
(4) a szilárd-folyadék fázisának nagy hővezető képessége;
(5) kis tágulás és összehúzódás a szilárd-folyadék fázisváltozás során;
(6) a fázisváltó anyagok nagy sűrűségű és specifikus hőkapacitása;
(7) nem mérgező és nem korrózív;
(8) Olcsó és könnyen gyártható.
A szilárd-folyadék-fázisváltási anyagokkal összehasonlítva a szilárd szilárd fázisváltó anyagok számos előnyt jelentenek. A szilárd szilárd fázisváltási anyagok közvetlenül feldolgozhatók és képződhetnek konténerek nélkül. Alacsony tágulási és minimális térfogatváltozásuk van a fázisváltozás során. Nem tapasztalják meg a szuperhűtést vagy a fázis elválasztását, kiküszöbölve a szuperherooling vagy az anti-fázisú elválasztó szerek szükségességét. Nagyon alacsony a toxicitásuk és a korrozív, szivárgásmentes és környezetbarát. Stabil összetételük, jó fázisváltozás reverzibilitása és hosszú élettartama van. Ezek egyszerűen telepíthetők és könnyen használhatók. A szilárd szilárd fázisváltó anyagok fő hátrányai a fázisváltás és a magas ár alacsony látens hője. A folyékony gáz és a szilárd-gáz fázisváltozás nagy mennyiségű gázt jelent a fázisváltási folyamat során, ami jelentős mennyiségű változást eredményez. Ezért a jelentős fázisváltási hő ellenére ritkán használják őket a gyakorlati alkalmazásokban.
Ii. A fázisváltó anyagok alkalmazása
A fázisváltoztatás energiatároló anyagok fejlesztése fokozatosan belépett a gyakorlati szakaszba, elsősorban a reakció hőmérsékletének ellenőrzésére, a napenergia felhasználására és az ipari reakciókból származó hulladékhő tárolására. Az alacsony hőmérsékletű energiatárolást elsősorban a hulladékhő-visszanyeréshez, a napenergia-tároláshoz, valamint a fűtési és légkondicionáló rendszerekhez használják. A magas hőmérsékletű energiatárolást hőmotorokban, napenergia-erőművekben, magnetohidrodinamikai energiatermelésben és műholdakban használják. Ezeknek az anyagoknak a textilbe történő befecskendezése könnyű ruházatot hozhat létre kiváló hőszigetelő tulajdonságokkal. Használhatók olyan termosz csészék létrehozására is, amelyek hosszabb ideig tartanak hőt, mint a szokásos kerámia csészék. Az ezzel a fázisváltó anyaggal infundált aszfalt- vagy cement járdák megakadályozhatják az utak és hidak jegesedését. Ezért széles körű alkalmazási kilátásokkal rendelkezik a mérnöki szigetelő anyagok, az egészségügyi termékek, a repülőgép -felszerelések, a katonai felderítés és a napi szükségletek területén.
(1) A fázisváltási anyagok alkalmazása az orvosi iparban
Számos orvosi elektronikus terápiás eszköz állandó hőmérsékleti üzemeltetést igényel, amely szükséges, hogy a hőmérsékleten szabályozott hőtároló anyagokat használja az üzemeltetési hőmérsékletek elfogadható határokon belüli fenntartása érdekében. Egy japán szabadalom beszámol a Naso₄10H₂O és az MGSO₄7H₂O keverékének fáziscsere -anyagként történő felhasználásáról a műszerszoba -hőmérséklet -szabályozáshoz, a szobahőmérsékletet 25 fok körül tartva. A speciális eszközöket fáziscsere -anyagokból is beágyazhatják a működési hőmérséklet fenntartása érdekében. Az utóbbi években egyfajta hőcsomag népszerűvé vált a hazai piacon. A fázisváltó anyag egy hidratált só, kb. 55 fokos fázisváltási hőmérsékleten. A fémlemez nukleációs magként szolgál. Amikor a fémlemezt manuálisan megszorítják, a felülete a kristálynövekedés középpontjává válik, ami a kristályosodás során hőkibocsátást eredményez. Egy bizonyos hagyományos kínai gyógyszereket tartalmazó táskával kombinálva, amelyekről ismert, hogy stimulálják a vérkeringést, ez terápiás hatást hoz létre, bizonyos hatékonysággal a betegségek, például a reumatoid artritisz kezelésében.
(2) A fázisváltó anyagok alkalmazása az adattárolásban
A PCM egy nagyteljesítményű, nem illékony memória, amely a kalkogenid üvegen alapul. Ezeknek a vegyületeknek kritikus tulajdonságai vannak: megváltoztatják ellenállásukat, amikor az egyik fázisról a másikra váltanak. Az anyag kristályos fázisa alacsony ellenállású, míg az amorf fázis nagy ellenállású. A fázisátmeneteket az áram alkalmazásával vagy eltávolításával érik el. A hagyományos NAND-alapú nem felejtő memóriával ellentétben a PCM eszközök gyakorlatilag korlátlan számú írást támogathatnak. A PCM-eszközök olyan előnyöket is kínálnak, mint a gyors hozzáférési válaszidő, a byte-címezhetőség és a véletlenszerű olvasás/írás. Ez a sok tárolási technológia egyike, amelyet "a jövő megváltoztatásának" neveznek. 2017-ben Song Zhitang, a Shanghai Mikroszisztéma és Információs Technológiai Intézet igazgatója vezette kutatócsoport, amelyet az új fázisváltó memória anyagokban jelentős áttörés ért el. Innovatív módon javasolták a nagysebességű fázisváltó anyagok tervezési stratégiáját, minimalizálva a nukleáció véletlenszerűségét az amorf fázisváltó vékony fóliákban a gyors kristályosodás elérése érdekében. Az SC-SB-TE-alapú fázisváltó memóriakészülék, amely 0,13 um COMS eljárás alkalmazásával készült, nagysebességű, visszafordítható, 700 pikoszekundumos írási-eráz ciklust és 107 ciklusú ciklus élettartamot ért el. A hagyományos GE-SB-TE-eszközökhöz képest a működési energiafogyasztása 90%-kal csökkent, miközben tíz évig tartja fenn az összehasonlítható adatmegtartást. 2018-ban az SK Hynix memória chip gyártója megkezdte a PCM-alapú 3D Crosspoint memória előállítását. Az SK kifejtette, hogy az SCM-ben használt 3D keresztezőmemória-sejtek szulfid-alapú fázisváltó anyagokból készülnek. A közelmúltban az IBM Research kimutatta, hogy a gépi tanulási képességek ezerszer felgyorsíthatók analóg chipek segítségével, a fázisváltozás memóriája alapján. Egy IBM blog kimutatta, hogy az IBM kutatási központot hoz létre a következő generációs AI hardver kidolgozására és a PCM memória potenciáljának feltárására az AI alkalmazásokban.
