Faasimuutuse materjalid (PCM -id) on materjalide klass, mis suudab faasimuutuse ajal imenduda või vabastada suures koguses energiat (st faasimuutuse entalpia). Kuna PCM -id kasutavad energia salvestamiseks latentset soojust, pakuvad nad kõrget soojuse tihedust, kompaktseid soojusalvestusseadmeid ja säilitavad faasimuutuse protsessi ajal sisuliselt konstantse temperatuuri, muutes need hõlpsaks haldamiseks. Kuna kasvav globaalne teadlikkus energiakaitsest on PCMS -i omadus pälvinud teadlaste tähelepanu ja PCM -i soojussalvestuse tehnoloogia on energiasalvestusväljal üha enam kogunud.
I. Sissejuhatus materiaalse tehnoloogia omadustesse
Laias laastus hõlmab soojussalvestustehnoloogiaid soojusehoidlaid ja külma säilitamist, sealhulgas mõistlikku soojuse säilitamist ja faasi muutmist. Mõistlik soojusalastus kasutab termilise energia salvestamiseks ja vabastamiseks materjali loomulikku soojusmahtu, samas kui faasimuutuste ladustamine kasutab soojusenergia imendumist ja vabanemist PCMS -i faasi muutmise ajal (faasivahetusmaterjalid). PCM -id, millel on kõrge soojusala tihedus ja minimaalne temperatuuri kõikumine laadimise ja tühjenemise ajal, on pälvinud teadlaste laialdast tähelepanu nii kodumaal kui ka rahvusvaheliselt. Praegu sisaldavad faasi muutmise soojusalastusmaterjalid peamiselt orgaanilisi, sula soola, sulamit ja komposiitmaterjale. Põhifaasi muutuste vorme on neli: tahke tahke, tahke-vedelik, tahked ja vedelad-gaasid.
Ideaalsel tahke-vedeliku faasimuutuse materjal peaksid olema järgmised omadused:
(1) sulandumise kõrge varjatud kuumus, nii et see saaks faasimuutuse ajal energiat salvestada või rohkem soojust vabastada;
(2) sobiv faasivahetuse temperatuur vajaduste rahuldamiseks;
(3) tahke-vedeliku faasi muutuse hea pöörduvus, mis võib vältida võimalikult palju jahutamist või ülekuumenemist;
(4) tahke vedeliku faasi suur soojusjuhtivus;
5) väike laienemine ja kokkutõmbumine tahke-vedeliku faasi muutuse ajal;
6) faasimuutuse materjalide kõrge tihedus ja spetsiifiline soojusvõime;
(7) mittetoksiline ja mittekorsiivne;
(8) Odav ja hõlpsasti tootmine.
Võrreldes tahke-vedeliku faasimuutuse materjalidega on tahke tahke faasimuutuse materjalidel palju eeliseid. Tahke tahke faasimuutuse materjale saab otse töödelda ja moodustada ilma konteinerite vajaduseta. Neil on faasi muutuse ajal madal laienemiskoefitsient ja minimaalne mahu muutus. Neil ei teki ülilahendavat ega faasi eraldamist, välistades vajaduse ülejuuritamisvastaste või faasidevastaste ainete järele. Samuti on nende toksilisus ja söövitav, lekkevaba ja keskkonnasõbralik. Neil on stabiilne kompositsioon, hea faasi muutmise pöörduvus ja pikk kasutulu. Neid on lihtne paigaldada ja neid on lihtne kasutada. Tahke tahke faasimuutuse materjalide peamised puudused on nende madal latentne faasimuutuse kuumus ja kõrge hind. Vedelik-gaasi ja tahke gaasi faasi muutus hõlmab faasi muutmise käigus suures koguses gaasi, mille tulemuseks on märkimisväärsed mahumuutused. Seetõttu, hoolimata nende olulisest faasi muutusest kuumusest, kasutatakse neid praktilistes rakendustes harva.
Ii. Faasivahetusmaterjalide rakendused
Faasimuutuste arendamine energia ladustamismaterjalide arendamine on järk -järgult sisenenud praktilisse etappi, peamiselt reaktsiooni temperatuuride kontrollimiseks, päikeseenergia kasutamiseks ja tööstuslike reaktsioonide jäätmete soojuse ladustamiseks. Madala temperatuuriga energia salvestamist kasutatakse peamiselt soojuse taastamiseks, päikeseenergia hoidmiseks ning kütte- ja kliimaseadmete süsteemideks. Kõrge temperatuuriga energia salvestamist kasutatakse soojusmootorites, päikeseenergia taimedes, magnetohüdrodünaamiliste energiatootmise ja satelliitide korral. Nende materjalide tekstiilidesse süstimine võib luua suurepäraseid soojuisolatsiooni omadustega kergeid rõivaid. Neid saab kasutada ka termos tasside loomiseks, mis säilitavad soojust kauem kui tavalised keraamilised tassid. Selle faasiga seotud asfalt- või tsemendläded võivad muuta materjali maanteede ja sildade jäätumist. Seetõttu on sellel laialdased rakenduse väljavaated inseneri isolatsioonimaterjalides, tervishoiutoodete, lennundusseadmete, sõjalise luure ja igapäevaste vajaduste alal.
(1) Faasimuutuse materjalide rakendused meditsiinitööstuses
Paljud meditsiinilised elektroonilised terapeutilised seadmed vajavad pidevat temperatuuri toimimist, mis nõuab temperatuuriga kontrollitavate soojuse säilitamismaterjalide kasutamist, et säilitada töötemperatuur vastuvõetavates piirides. Jaapani patendiks on esitatud Naso₄10H₂o ja MGSO₄7H₂O segu kasutamine faasimuutuse materjal instrumentide toatemperatuuri juhtimiseks, säilitades toatemperatuuri umbes 25 kraadi. Spetsiaalseid instrumente saab töötemperatuuri säilitamiseks manustada ka faasivahetuse materjalidest. Viimastel aastatel on siseturul populaarseks muutunud soojuspakk. Selle faasivahetusmaterjal on hüdraatunud sool, mille faasivahetus temperatuur on umbes 55 kraadi. Metallleht toimib tuumaseemnematerjalina. Kui metallplekk pigistatakse käsitsi, muutub selle pind kristallide kasvu keskpunktiks, mille tulemuseks on kristalliseerumise ajal soojuse vabanemine. Koos kotiga, mis sisaldab teatavaid traditsioonilisi hiina ravimeid, mis teadaolevalt stimuleerivad vereringet, loob see terapeutilise toime, millel on teatud efektiivsus selliste haiguste nagu reumatoidartriidi ravis.
(2) Faasimuutuse materjalide rakendused andmete salvestamisel
PCM on suure jõudlusega, mittelenduv mälu, mis põhineb kaltogeniidiklaasil. Nendel ühenditel on ülioluline omadus: need muudavad oma vastupanu, kui nad lähevad ühest faasist teise. Materjali kristalne faas on madala vastupidavusega, samas kui amorfne faas on kõrge resistentsus. Faasisiired saavutatakse voolu rakendamisel või eemaldamisel. Erinevalt traditsioonilisest NAND-põhisest mittekäimatust mälust saavad PCM-seadmed toetada praktiliselt piiramatut arvu kirjutisi. PCM-seadmed pakuvad ka eeliseid nagu kiire juurdepääsu reageerimise aeg, bait-adresseeritavus ja juhuslik lugemine/kirjutamine. See on üks paljudest ladustamistehnoloogiatest, mida on nimetatud kui "tuleviku muutmist". 2017. aastal saavutas Shanghai mikrosüsteemi ja infotehnoloogia instituudi direktori Song Zhitangi uurimisrühm olulise läbimurde uudses faasivahetuse mälumaterjalides. Nad pakkusid uuenduslikult välja kiire faasimuutuse materjalide kavandamisstrateegia, minimeerides amorfse faasimuutuse õhukeste kilede tuuma moodustumise juhuslikkust kiire kristalliseerumise saavutamiseks. SC-SB-TE-põhise faasimuutuse mäluseade, mis on valmistatud 0,13 um COMS-protsessi abil, saavutas kiire pöörduva kirjutamissükli 700 pikosekundi ja tsükli elueaga üle 107 tsükli. Võrreldes tavaliste GE-SB-TE-seadmetega vähenes selle tööjõu tarbimine 90%, säilitades samal ajal kümme aastat võrreldava andmete säilitamise. 2018. aastal alustas mälukiibi tootja SK Hynix PCM-põhise 3D-ristpunkti mälu tootmist. SK selgitas, et SCM-is kasutatavad 3D-ristpunkti mälurakud on valmistatud sulfiidipõhistest faasivahetusmaterjalidest. Hiljuti näitas IBM Research, et masinõppe võimalusi saab kiirendada tuhat korda, kasutades faasivahetuse mälul põhinevaid analoogkiipe. IBM-i ajaveeb selgus, et IBM asutab uurimiskeskuse järgmise põlvkonna AI riistvara väljatöötamiseks ja PCM-mälu potentsiaali uurimiseks AI-rakendustes.
