Материалы изменения фазы (ПКМ) представляют собой класс материалов, которые могут поглощать или высвобождать большие количества энергии (то есть энтальпия изменения фазы) во время изменения фазы. Поскольку ПКМ используют скрытое тепло для хранения энергии, они предлагают высокую плотность хранения тепла, компактные тепловые устройства хранения и поддерживают по существу постоянную температуру во время процесса изменения фазы, что облегчает их управление. С растущей глобальной осведомленностью о энергосбережении эта характеристика PCM привлекла внимание исследователей, а технология теплового хранения PCM все больше набирает обороты в области хранения энергии.
I. Введение в характеристики материальной технологии
Вообще говоря, технологии теплового хранения включают в себя хранение тепла и хранение холода, в том числе разумное хранение тепла и хранение фазы. Ощутное хранение тепла использует особую тепловую способность материала для хранения и высвобождения тепловой энергии, в то время как хранение фазы использует поглощение и высвобождение тепловой энергии во время фазы изменения ПКМ (материалы фазы). ПКМ, с их высокой плотностью хранения тепла и минимальными колебаниями температуры во время заряда и разряда, привлекло широкое внимание ученых как внутри страны, так и на международном уровне. В настоящее время материалы для хранения тепла в основном включают в себя органическую, расплавленную соль, сплав и композитные материалы. Существует четыре основных форм изменения фазы: твердое твердое, твердое жидкое, твердое газ и жидкий газ.
Идеальный материал изменения фазы с твердое жидкостью должен иметь следующие свойства:
(1) высокая скрытая теплоте слияния, чтобы он мог хранить энергию или высвобождать больше тепла во время изменения фазы;
(2) соответствующая температура изменения фазы для удовлетворения потребностей;
(3) хорошая обратимость изменения фазы твердого жидкости, которое может избежать переохлаждения или перегрева максимально возможным;
(4) большая теплопроводность фазы твердой жидкости;
(5) небольшое расширение и сокращение при изменении фазы твердого жидкости;
(6) высокая плотность и удельная теплоемкость материалов по изменению фазы;
(7) нетоксичный и некоррозийный;
(8) Низкая стоимость и прост в производстве.
По сравнению с материалами по смене сплошной фазы материалы с твердой твердой фазой имеют много преимуществ. Материалы сменной фазовой фазы могут быть обработаны непосредственно и сформированы без необходимости в контейнерах. Они имеют низкий коэффициент расширения и минимальное изменение объема во время изменения фазы. Они не испытывают переохлаждения или разделения фазы, устраняя необходимость в антифазных или антифазных отделениях. Они также очень низкие по токсичности и коррозии, без утечки и экологически чистые. У них есть стабильная композиция, хорошее изменение фазы и длительный срок службы. Они просты в установке и просты в использовании. Основными недостатками материалов с изменением твердотельной фазы являются их низкая скрытая теплота фазового изменения и высокую цену. Изменение жидкого газа и фазы твердого газа включает в себя большое количество газа в процессе изменения фазы, что приводит к значительным изменениям объема. Поэтому, несмотря на их значительное тепло, они редко используются в практических применениях.
II Применение материалов с изменением фазы
Разработка материалов для хранения энергии на фаза постепенно вступила в практическую стадию, в первую очередь для контроля температуры реакции, использования солнечной энергии и хранения отходов от промышленных реакций. Низкотемпературное хранение энергии в основном используется для восстановления тепла, хранения солнечной энергии, а также систем отопления и кондиционирования воздуха. Высокотемпературное хранение энергии используется в тепловых двигателях, солнечных электростанциях, магнитогидродинамической электроэнергии и спутниках. Внедрение этих материалов в текстиль может создать легкую одежду с превосходными теплоизоляционными свойствами. Они также могут быть использованы для создания термосных чашек, которые сохраняют тепло дольше, чем обычные керамические чашки. Асфальтовые или цементные тротуары, наполненные этим материалом изменения фазы, могут предотвратить обледенение на дорогах и мостах. Таким образом, он имеет широкие перспективы применения в инженерных изоляционных материалах, здравоохранении, аэрокосмическом оборудовании, военной разведке и ежедневных потребностях.
(1) Применение материалов изменения фазы в медицинской промышленности
Многие медицинские электронные терапевтические устройства требуют постоянной температурной работы, что требует использования материалов для хранения тепла, контролируемых температурой для поддержания рабочих температур в приемлемых пределах. Японский патент сообщает о использовании смесью NASO₄10H₂O и MGSO₄7H₂O в качестве материала изменения фазы для контроля комнатной температуры прибора, сохраняя комнатную температуру около 25 градусов. Специальные инструменты также могут быть встроены в тепловые пакеты, изготовленные из фазовых материалов для поддержания рабочих температур. В последние годы тип теплового пакета стал популярным на внутреннем рынке. Его фазовый материал представляет собой гидратированную соль с температурой фазового изменения приблизительно 55 градусов. Металлический лист служит зарождающимся материалом семян. Когда металлический лист сжимается вручную, его поверхность становится центром роста кристаллов, что приводит к высвобождению тепла во время кристаллизации. В сочетании с сумкой, содержащей определенные традиционные китайские лекарства, которые, как известно, стимулируют кровообращение, это создает терапевтический эффект, с некоторой эффективностью при лечении заболеваний, таких как ревматоидный артрит.
(2) Применение материалов с фазовым изменением в хранении данных
PCM-это высокоэффективная, нелетучая память, основанная на халкогенидном стекле. Эти соединения имеют решающее свойство: они изменяют свое сопротивление, когда они переходят от одной фазы к другой. Кристаллической фазой материала имеет низкую резистентность, в то время как аморфной фазой является высокая устойчивость. Фазовые переходы достигаются путем применения или удаления тока. В отличие от традиционной нелетучивой памяти на основе NAND, устройства PCM могут поддерживать практически неограниченное количество записей. Устройства PCM также предлагают такие преимущества, как время реагирования на быстрый доступ, байтовая адаптация и случайная чтение/запись. Это одна из многих технологий хранения, рекламируемых как «изменение будущего». В 2017 году исследовательская команда во главе с Сонг Чжитаном, директором Шанхайского института микросистемы и информационных технологий, достигла значительного прорыва в новых материалах памяти с фазовым изменением. Они инновационно предложили дизайнерскую стратегию для высокоскоростных материалов с фазовым изменением, минимизируя случайность нуклеации в тонких пленках аморфных фазовых изменений для достижения быстрой кристаллизации. Устройство памяти на основе фазы на основе SC-SB-TE, изготовленное с использованием процесса COMS 0,13 мкм, достигли высокоскоростного обратимого цикла отписной эразы 700 пикосекунд и срок службы цикла более 107 циклов. По сравнению с обычными устройствами GE-SB-TE, его энергопотребление было снижено на 90%, сохраняя при этом сопоставимое хранение данных в течение десяти лет. В 2018 году производитель чипов памяти SK Hynix начал производство 3D-межпочечной памяти на основе PCM. SK объяснил, что 3D-клетки памяти, используемые в SCM, изготовлены из фазовых материалов на основе сульфида. Недавно IBM Research продемонстрировало, что возможности машинного обучения может быть ускорена в тысячу раз с использованием аналоговых чипов на основе памяти фазового изменения. В блоге IBM показано, что IBM создает исследовательский центр для разработки аппаратного обеспечения AI следующего поколения и изучения потенциала памяти PCM в приложениях искусственного интеллекта.
