Materiali s fazno spremembo (PCM) so razred materialov, ki lahko absorbirajo ali sprostijo veliko količino energije (tj. entalpije fazne spremembe) med fazno spremembo. Ker PCM izkoriščajo latentno toploto za shranjevanje energije, imajo visoko gostoto shranjevanja toplote, kompaktne naprave za shranjevanje toplote in njihova temperatura med postopkom spreminjanja faze ostaja v bistvu konstantna, zaradi česar jih je enostavno upravljati. Z naraščajočo globalno ozaveščenostjo o varčevanju z energijo je ta značilnost PCM-jev pritegnila pozornost raziskovalcev in tehnologija shranjevanja toplotne energije s spremembo faze vse bolj blesti na področju shranjevanja energije.
I. Uvod v značilnosti materialne tehnologije
Na splošno tehnologija shranjevanja toplotne energije vključuje tehnologije shranjevanja toplotne energije in tehnologije shranjevanja hladne energije. Tehnologija shranjevanja toplotne energije vključuje občutljivo shranjevanje toplotne energije in fazno spreminjajoče se shranjevanje toplotne energije. Občutno shranjevanje toplotne energije uporablja specifično toplotno kapaciteto samega materiala za shranjevanje/sproščanje toplotne energije, medtem ko shranjevanje toplotne energije s spremembo faze uporablja proces pretvorbe energije absorpcije/sproščanja toplote med fazno spremembo materialov s spremembo faze (PCM) za shranjevanje/sproščanje toplotne energije. Materiali za shranjevanje toplotne energije s fazno spremembo imajo prednosti, kot so visoka gostota shranjevanja toplote in majhne temperaturne spremembe med polnjenjem in sproščanjem toplote, kar pritegne široko pozornost znanstvenikov tako doma kot v tujini. Trenutno materiali za shranjevanje energije s spremembo faze vključujejo predvsem organske, staljene soli, zlitine in kompozitne vrste. Njihove fazne spremembe so v glavnem štiri vrste: trdno-trdno, trdno-tekoče, trdno-plin in tekoč-plin.
Idealen trdn-tekoči material s spremembo faze mora imeti naslednje lastnosti:
(1) Visoka latentna talilna toplota, ki omogoča shranjevanje ali sproščanje znatne količine toplote med fazno spremembo;
(2) Ustrezna temperatura spremembe faze za izpolnjevanje zahtev;
(3) dobra reverzibilnost menjave trdne-tekoče faze, kar zmanjšuje čezmerno ohlajanje ali pregrevanje;
(4) visoka toplotna prevodnost med trdno in tekočo fazo;
(5) Minimalno širjenje in krčenje med postopkom spreminjanja trdne-tekoče faze;
(6) visoka gostota in specifična toplotna kapaciteta;
(7) Ne-strupeno in ne-jedko;
(8) Nizka cena in enostavna izdelava.
V primerjavi s trdnimi-tekočimi fazno spremenljivimi materiali imajo trdni-trdni fazno spremenljivi materiali veliko prednosti. Trdne-materiale s spremembo trdne faze (SCT) je mogoče neposredno obdelati in oblikovati brez potrebe po posodah; imajo majhen koeficient toplotnega raztezanja, kar povzroči minimalno spremembo volumna med faznim prehodom; ne kažejo podhlajevanja ali ločevanja faz, kar odpravlja potrebo po sredstvih proti-prehlajevanju in sredstvih proti-ločevanju faz; imajo zelo nizko toksičnost in minimalno jedkost; ne puščajo-in ne onesnažujejo okolja; imajo stabilno sestavo, dobro reverzibilnost faznih sprememb in dolgo življenjsko dobo; njihove naprave pa so preproste in enostavne za uporabo. Glavni pomanjkljivosti SCT sta njihova nizka latentna toplota fazne spremembe in visoka cena. Tekoči-plinasti in trdni-plinasti fazno spremenljivi materiali zaradi prisotnosti velike količine plina med faznim prehodom povzročajo znatne spremembe volumna, zato so kljub veliki toploti fazne spremembe le redko izbrani za praktične aplikacije.
II. Področja uporabe materialov za spremembo faze
Razvoj materialov za shranjevanje energije s fazno spremembo je postopoma prešel v fazo praktične uporabe, ki se večinoma uporablja za nadzor reakcijskih temperatur, izkoriščanje sončne energije in shranjevanje odpadne toplote iz industrijskih reakcij. Nizko{1}}temperaturno shranjevanje energije se uporablja predvsem za rekuperacijo odpadne toplote, shranjevanje sončne energije ter ogrevalne in klimatske sisteme. Visoko{3}}temperaturno shranjevanje energije se uporablja v toplotnih motorjih, sončnih elektrarnah, magnetohidrodinamični proizvodnji energije in umetnih satelitih. Z vbrizgavanjem teh materialov v tekstil lahko ustvarite lahka oblačila z odlično toplotno izolacijo. Iz njih je mogoče izdelati tudi izolirane skodelice, ki zadržujejo toploto dlje kot navadne keramične skodelice. Asfaltni ali cementni tlaki, ki vsebujejo ta material za fazno spremembo, lahko preprečijo zaledenitev cest in mostov. Zato ima široke možnosti uporabe v inženirskih izolacijskih materialih, medicinskih in zdravstvenih izdelkih, vesoljski opremi, vojaškem izvidništvu in vsakodnevnih potrebah.
(I) Uporaba materialov s fazno spremembo v farmacevtski industriji Veliko medicinskih elektronskih terapevtskih naprav zahteva delovanje s stalno temperaturo, zaradi česar je potrebna uporaba temperaturno{0}}materialov za shranjevanje toplote za uravnavanje temperature in zagotavljanje delovanja instrumentov v dovoljenih mejah. Japonski patent poroča o uporabi mešanice NaSO4·10H2O in MgSO4·7H2O kot materiala za fazno spremembo za nadzor temperature v sobah z instrumenti, ki vzdržuje sobno temperaturo približno 25 stopinj. Posebni instrumenti so lahko obdani tudi s toplotnimi paketi iz materialov s fazno spremembo, da ohranijo svojo delovno temperaturo. V zadnjih letih se je na domačem trgu pojavila vrsta toplotnih paketov. Njegov material za fazno spremembo je hidratirana sol s temperaturo fazne spremembe okoli 55 stopinj. Kot semenski material za nukleacijo se uporablja kovinska pločevina; ko je kovinska plošča stisnjena, njena površina postane center za rast kristalov, kar ima za posledico eksotermno kristalizacijo. V kombinaciji z določenimi vrečkami tradicionalne kitajske medicine, ki spodbujajo krvni obtok, doseže terapevtski učinek, kar kaže na določeno učinkovitost pri zdravljenju bolezni, kot je revmatoidni artritis.
(II) Uporaba materialov za spremembo faze v shranjevanju podatkov
PCM je visoko{0}}zmogljiv,-obstojen pomnilnik, ki temelji na halkogenidnem steklu. Ta spojina ima ključno značilnost: njen upor se spreminja, ko prehaja iz ene faze v drugo. Kristalna faza materiala je faza nizke-odpornosti, medtem ko je amorfna faza faza visoke-odpornosti. Fazni prehodi se dosežejo z uporabo ali odstranitvijo toka. Za razliko od tradicionalnega nehlapnega pomnilnika, ki temelji-na NAND, lahko naprave PCM dosežejo tako rekoč neomejeno število zapisov. Poleg tega ponujajo naprave PCM prednosti, kot so kratek odzivni čas dostopa, naslovljivost bajtov in zmožnosti naključnega branja/pisanja, zaradi česar je ena od mnogih tehnologij za shranjevanje, ki se oglašujejo kot tehnologija, ki se-spreminja v prihodnosti.
Leta 2017 je raziskovalna skupina pod vodstvom Song Zhitanga, direktorja šanghajskega inštituta za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo, dosegla velik preboj na področju novih materialov za-fazni pomnilnik (PCM). Inovativno so predlagali koncept zasnove za visoko-hitrostne PCM materiale, in sicer doseganje visoko-hitrostne kristalizacije PCM materialov z zmanjšanjem naključnosti nukleacije v amorfnih PCM filmih. Z uporabo 0,13 µm-procesa CMOS so naprave PCM na osnovi Sc-Sb-Te- dosegle visoko{11}}hitro reverzibilno zapisovanje-brisanje 700 pikosekund z življenjsko dobo, daljšo od 10⁷ ciklov. V primerjavi s tradicionalnimi napravami Ge-Sb-Te se je njihova poraba energije zmanjšala za 90 %, hkrati pa ohranili primerljivo hrambo podatkov v desetih letih. Leta 2018 je proizvajalec pomnilniških čipov SK Hynix začel proizvajati 3D križni pomnilnik-na osnovi PCM. SK je pojasnil, da je ta 3D križna pomnilniška celica, ki se uporablja v SCM, narejena iz materialov PCM na osnovi sulfida-. Nedavno je IBM-ova raziskava pokazala, da je mogoče zmogljivosti strojnega učenja tisočkrat pospešiti z uporabo analognih čipov, ki temeljijo na PCM. IBM-ov blog je razkril, da IBM ustanavlja raziskovalno središče za razvoj strojne-generacije umetne inteligence in raziskovanje potenciala uporabe pomnilnika PCM na področju umetne inteligence.
