Faseændringsmaterialer (PCMS) er en klasse af materialer, der kan absorbere eller frigive store mængder energi (dvs. faseændringsentalpi) under en faseændring. Fordi PCMS bruger latent varme til at opbevare energi, tilbyder de høj varmeopbevaringstæthed, kompakte termiske lagringsenheder og opretholder i det væsentlige konstant temperatur under faseændringsprocessen, hvilket gør dem lette at styre. Med den voksende globale bevidsthed om energibesparelse har dette kendetegn ved PCMS tiltrukket forskere, og PCM -termisk opbevaringsteknologi vinder i stigende grad trækkraft i energilagringsfeltet.
I. Introduktion til materialeteknologiske egenskaber
Stort set inkluderer termiske opbevaringsteknologier varmeopbevaring og koldopbevaring, herunder fornuftig opbevaring af varme og faseændring. Sensibel varmeopbevaring bruger materialets iboende specifikke varmekapacitet til at opbevare og frigive termisk energi, mens faseændringsopbevaring anvender absorptionen og frigivelsen af varmeenergi under faseændringen af PCMS (faseændringsmaterialer). PCMS, med deres høje varmeopbevaringstæthed og minimale temperatursvingninger under ladning og udladning, har tiltrukket sig udbredt opmærksomhed fra lærde både indenlandske og internationalt. På nuværende tidspunkt inkluderer faseændringsopbevaringsmaterialer hovedsageligt organisk, smeltet salt, legering og sammensatte materialer. Der er fire hovedfaseændringsformer: fast solid, fast-væske, fast-gas og væske-gas.
Et ideelt fast-væske faseændringsmateriale skal have følgende egenskaber:
(1) høj latent fusionsvarme, så den kan opbevare energi eller frigive mere varme under faseændring;
(2) passende faseændringstemperatur for at imødekomme behovene;
(3) god reversibilitet af ændring af fast væskefase, som kan undgå overkøling eller overophedning så meget som muligt;
(4) stor termisk ledningsevne af fast-væskefase;
(5) lille ekspansion og sammentrækning under ændring af fast væske fase;
(6) høj densitet og specifik varmekapacitet af faseændringsmaterialer;
(7) ikke-toksisk og ikke-korrosiv;
(8) lave omkostninger og let at fremstille.
Sammenlignet med fast-væskefaseændringsmaterialer har fase-faseændringsmaterialer mange fordele. Materialer med fast solid fase kan behandles direkte og dannes uden behov for containere. De har en lav ekspansionskoefficient og minimal volumenændring under faseændring. De oplever ikke superkøling eller faseseparation, hvilket eliminerer behovet for anti-supercooling eller anti-fase separationsmidler. De er også meget lave i toksicitet og ætsende, lækrefrit og miljøvenlig. De har en stabil sammensætning, en god faseændring reversibilitet og en lang levetid. De er enkle at installere og lette at bruge. De vigtigste ulemper ved fase af faste faste fase er deres lave latente varme af faseændring og høj pris. Flydende gas og fast-gasfaseændring involverer store mængder gas under faseændringsprocessen, hvilket resulterer i betydelige volumenændringer. På trods af deres betydelige faseændringsvarme bruges de sjældent i praktiske anvendelser.
Ii. Anvendelser af faseændringsmaterialer
Udviklingen af faseændringsenergilagringsmaterialer er gradvist gået ind i det praktiske trin, primært til kontrol af reaktionstemperaturer, anvendelse af solenergi og opbevaring af affaldsvarme fra industrielle reaktioner. Opbevaring af lavtemperatur energilagring bruges primært til opbevaring af affaldsvarme, opbevaring af solenergi og opvarmnings- og klimaanlæg. Højtemperaturenergilagring bruges i varmotorer, solenergianlæg, magnetohydrodynamisk kraftproduktion og satellitter. Injektion af disse materialer i tekstiler kan skabe lette tøj med fremragende termiske isoleringsegenskaber. De kan også bruges til at oprette Thermos -kopper, der bevarer varme længere end almindelige keramiske kopper. Asfalt- eller cementbelægninger, der er tilført dette faseændringsmateriale, kan forhindre glasur på veje og broer. Derfor har det brede applikationsudsigter inden for ingeniørisoleringsmaterialer, sundhedsprodukter, luftfartsudstyr, militær rekognosering og daglige fornødenheder.
(1) Anvendelser af faseændringsmaterialer i den medicinske industri
Mange medicinske elektroniske terapeutiske enheder kræver konstant temperaturdrift, hvilket nødvendiggør brugen af temperaturstyrede varmelagringsmaterialer for at opretholde driftstemperaturer inden for acceptable grænser. En japansk patent rapporterer brugen af en blanding af naso₄10H₂O og MGSO₄7H₂O som et faseændringsmateriale til instrumentets stuetemperaturstyring, der opretholder stuetemperatur omkring 25 grader. Specialinstrumenter kan også indlejres i varmepakker lavet af faseændringsmaterialer for at opretholde driftstemperaturer. I de senere år er en type varmepakke blevet populær på hjemmemarkedet. Dets faseændringsmateriale er et hydreret salt med en faseændringstemperatur på ca. 55 grader. Et metalplade fungerer som et nukleationsfrømateriale. Når metalpladen presses manuelt, bliver dens overflade centrum for krystalvækst, hvilket resulterer i varmefrigivelse under krystallisation. Kombineret med en taske, der indeholder visse traditionelle kinesiske lægemidler, der er kendt for at stimulere blodcirkulation, skaber dette en terapeutisk effekt med en vis effektivitet til behandling af sygdomme, såsom reumatoid arthritis.
(2) Anvendelser af faseændringsmaterialer i datalagring
PCM er en højtydende, ikke-flygtig hukommelse baseret på chalcogenidglas. Disse forbindelser har en afgørende egenskab: De ændrer deres modstand, når de overgår fra en fase til en anden. Den krystallinske fase af materialet er lav modstand, mens den amorfe fase er høj modstand. Faseovergange opnås ved at anvende eller fjerne strøm. I modsætning til traditionelle NAND-baserede ikke-flygtige hukommelse, kan PCM-enheder understøtte et næsten ubegrænset antal skrivninger. PCM-enheder tilbyder også fordele såsom hurtig adgang til responstid, byte-adressabilitet og tilfældig læsning/skrivning. Det er en af mange opbevaringsteknologier, der er udråbt som "at ændre fremtiden." I 2017 opnåede et forskerteam ledet af Song Zhitang, direktør for Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, et stort gennembrud i nye fase-ændringshukommelsesmaterialer. De foreslog innovativt en designstrategi til højhastighedsfaseændringsmaterialer, der minimerer tilfældigheden af nucleation inden for amorf faseændring tynde film for at opnå hurtig krystallisation. Den SC-SB-TE-baserede fase-ændringshukommelsesenhed, der blev fremstillet ved hjælp af en 0,13 um COMS-proces, opnåede en højhastigheds reversibel skrive-sletningscyklus på 700 picoseconds og en cyklusliv på over 107 cyklusser. Sammenlignet med konventionelle GE-SB-TE-enheder blev dens driftseffektforbrug reduceret med 90%, mens den opretholdt sammenlignelig datalagring i ti år. I 2018 begyndte hukommelseschipproducenten SK Hynix produktion af PCM-baserede 3D Crosspoint Memory. SK forklarede, at 3D-tværpunkterne hukommelsesceller, der anvendes i SCM, er lavet af sulfidbaserede faseændringsmaterialer. For nylig demonstrerede IBM-forskning, at maskinindlæringsfunktioner kan fremskyndes tusindfoldige ved hjælp af analoge chips baseret på faseændringshukommelse. En IBM-blog afslørede, at IBM opretter et forskningscenter til at udvikle næste generations AI-hardware og udforske potentialet i PCM-hukommelsen i AI-applikationer.
