Fazių keitimo medžiagos (PCM) yra medžiagų klasė, kuri fazės pasikeitimo metu gali sugerti arba išleisti didelį energijos kiekį (ty fazių kaitos entalpiją). Kadangi PCM energijai kaupti naudoja latentinę šilumą, jos turi didelį šilumos kaupimo tankį, kompaktiškus šilumos kaupimo įrenginius, o jų temperatūra fazės keitimo proceso metu iš esmės išlieka pastovi, todėl juos lengva valdyti. Didėjant pasauliniam supratimui apie energijos taupymą, ši PCM savybė patraukė mokslininkų dėmesį, o fazės kaitos šiluminės energijos kaupimo technologija vis labiau ryškėja energijos kaupimo srityje.
I. Įvadas į medžiagų technologijos charakteristikas
Plačiąja prasme šiluminės energijos kaupimo technologija apima ir šiluminės energijos kaupimo, ir šalto energijos kaupimo technologijas. Šiluminės energijos kaupimo technologija apima protingą šiluminės energijos kaupimą ir fazės keitimo šiluminės energijos kaupimą. Jausmingas šiluminės energijos kaupimas naudoja specifinę pačios medžiagos šiluminę talpą šiluminei energijai kaupti / išleisti, o fazės keitimo šiluminės energijos kaupimas naudoja šilumos absorbcijos / išleidimo energijos konversijos procesą fazės keitimo medžiagų (PCM) fazės keitimo metu, kad kauptų / išleistų šiluminę energiją. Fazių kaitos šiluminės energijos kaupimo medžiagos turi tokius privalumus, kaip didelis šilumos kaupimo tankis ir nedideli temperatūros pokyčiai įkraunant ir išleidžiant šilumą, todėl sulaukia didelio mokslininkų dėmesio tiek šalies, tiek tarptautiniu mastu. Šiuo metu fazių kaitos energijos kaupimo medžiagos daugiausia apima organines, išlydytas druskas, lydinius ir kompozicines medžiagas. Jų fazių kaitos formos daugiausia yra keturių tipų: kietosios-kietosios, kietosios-skystos, kietosios-dujos ir skystosios{8}}dujos.
Ideali kieta{0}}skystos fazės keitimo medžiaga turi turėti šias savybes:
(1) Didelė latentinė sintezės šiluma, leidžianti sukaupti arba išleisti didelį šilumos kiekį keičiantis fazei;
(2) tinkama fazių kaitos temperatūra, kad atitiktų reikalavimus;
(3) Geras kietosios -skysčio fazės pasikeitimo grįžtamumas, sumažinantis peršalimą arba perkaitimą;
(4) Didelis šilumos laidumas tarp kietosios ir skystosios fazės;
(5) Minimalus išsiplėtimas ir susitraukimas kietosios{1}}skysčio fazės kaitos proceso metu;
(6) Didelis tankis ir specifinė šiluminė talpa;
(7) Netoksiškas ir ne{2}}ėsdinantis;
(8) Maža kaina ir lengva gaminti.
Palyginti su kietosiomis-skystosios fazės keitimo medžiagomis, kietosios-kietos fazės keitimo medžiagos turi daug privalumų. Kietosios -kietosios fazės keitimo medžiagos (SCT) gali būti tiesiogiai apdorojamos ir formuojamos, nereikalaujant konteinerių; jie turi nedidelį šiluminio plėtimosi koeficientą, todėl fazės perėjimo metu tūrio pokytis yra minimalus; jie neturi peršalimo ar fazių atskyrimo, todėl nereikia naudoti anti-peršaldymo ir anti-fazių atskyrimo agentų; jie turi labai mažą toksiškumą ir minimalų koroziją; jie yra nesandarūs-ir neteršia aplinkos; jie turi stabilią sudėtį, gerą fazių pasikeitimo grįžtamumą ir ilgą tarnavimo laiką; o jų įrenginiai yra paprasti ir lengvai naudojami. Pagrindiniai SCT trūkumai yra jų maža latentinė fazių kaitos šiluma ir didelė kaina. Skystųjų-dujų ir kietųjų{10}}dujų fazės keitimo medžiagos dėl didelio dujų kiekio fazinio virsmo metu sukelia didelius tūrio pokyčius, todėl, nepaisant didelės fazių kaitos šilumos, jos retai pasirenkamos praktikoje.
II. Fazių keitimo medžiagų taikymo sritys
Fazių kaitos energijos kaupimo medžiagų kūrimas pamažu įžengė į praktinio taikymo etapą, daugiausia naudojamas reakcijos temperatūroms valdyti, saulės energijai panaudoti ir pramoninių reakcijų atliekų šilumai saugoti. Žemos-temperatūros energijos kaupimas daugiausia naudojamas šilumos atgavimui, saulės energijos kaupimui ir šildymo bei oro kondicionavimo sistemoms. Aukštos-temperatūros energijos kaupimas naudojamas šilumos varikliuose, saulės elektrinėse, magnetohidrodinaminės energijos gamyboje ir dirbtiniuose palydovuose. Įpurškus šias medžiagas į tekstilę, galima sukurti lengvus drabužius su puikia šilumos izoliacija. Iš jų taip pat galima gaminti izoliuotus puodelius, kurie išlaiko šilumą ilgiau nei įprasti keraminiai puodeliai. Asfalto arba cemento dangos, kuriose yra šios fazės keitimo medžiagos, gali apsaugoti nuo kelių ir tiltų apledėjimo. Todėl jis turi plačias taikymo perspektyvas inžinerinėse izoliacinėse medžiagose, medicinos ir sveikatos priežiūros gaminiuose, aviacijos ir kosmoso įrangoje, karinėje žvalgyboje ir kasdienėse reikmėse.
(I) Fazių keitimo medžiagų taikymas farmacijos pramonėje Daugeliui medicininių elektroninių terapinių prietaisų reikalinga pastovi temperatūra, todėl norint reguliuoti temperatūrą ir užtikrinti, kad instrumentai veiktų neviršijant leistinų ribų, reikia naudoti kontroliuojamą temperatūrą -šilumą kaupiančias medžiagas. Japonijos patentas praneša apie NaSO4·10H2O ir MgSO4·7H2O mišinio naudojimą kaip fazių keitimo medžiagą, skirtą temperatūros kontrolei prietaisų patalpose, palaikant maždaug 25 laipsnių kambario temperatūrą. Specialūs instrumentai taip pat gali būti supakuoti į šilumos paketus, pagamintus iš fazių keitimo medžiagų, kad būtų palaikoma jų darbinė temperatūra. Pastaraisiais metais vidaus rinkoje atsirado šilumos paketo tipas. Jo fazių kaitos medžiaga yra hidratuota druska, kurios fazės kaitos temperatūra yra apie 55 laipsniai. Metalo lakštas naudojamas kaip branduolio sėklų medžiaga; suspaudus metalo lakštą, jo paviršius tampa kristalų augimo centru, dėl kurio vyksta egzoterminė kristalizacija. Kartu su tam tikrais tradicinės kinų medicinos maišeliais, skatinančiais kraujotaką, pasiekiamas gydomasis poveikis, parodydamas tam tikrą veiksmingumą gydant ligas, tokias kaip reumatoidinis artritas.
(II) Fazių keitimo medžiagų taikymas duomenų saugykloje
PCM yra didelio{0}}našumo, nepastovi{1}}atmintis, pagrįsta chalkogenidiniu stiklu. Šis junginys turi esminę savybę: jo atsparumas keičiasi, kai jis pereina iš vienos fazės į kitą. Medžiagos kristalinė fazė yra mažo-atsparumo, o amorfinė fazė yra didelio{5}}atsparumo. Fazių perėjimai pasiekiami įvedant arba pašalinant srovę. Skirtingai nuo tradicinės NAND-pagrįstos nepastovios atminties, PCM įrenginiai gali pasiekti beveik neribotą įrašų skaičių. Be to, PCM įrenginiai turi pranašumų, pvz., trumpą prieigos atsako laiką, baitų adresavimą ir atsitiktinio skaitymo / rašymo galimybes, todėl tai yra viena iš daugelio saugojimo technologijų, reklamuojamų kaip „ateities kintanti“ technologija.
2017 m. Šanchajaus Mikrosistemų ir informacinių technologijų instituto direktoriaus Song Zhitang vadovaujama tyrimų grupė pasiekė didelį proveržį naujos fazės -pakeisti atmintį (PCM) medžiagų srityje. Jie novatoriškai pasiūlė didelės spartos PCM medžiagų dizaino koncepciją, t. Naudojant 0,13 µm-CMOS procesą, Sc-Sb-Te-pagrįsti PCM įrenginiai pasiekė didelės-greitos grįžtamojo rašymo-700 pikosekundžių trynimo operacijas, kurių ciklas ilgesnis nei 10⁷ ciklų. Palyginti su tradiciniais „Ge{16}}Sb-Te“ įrenginiais, jų energijos suvartojimas sumažėjo 90 %, o duomenų išsaugojimas per dešimt metų buvo panašus. 2018 m. atminties lustų gamintojas „SK Hynix“ pradėjo gaminti PCM{21}}pagrįstą 3D kryžminę atmintį. SK paaiškino, kad šis 3D kryžminio taško atminties elementas, naudojamas SCM, yra pagamintas iš sulfidų -pagrįstų PCM medžiagų. Neseniai IBM tyrimai parodė, kad mašininio mokymosi galimybes galima tūkstantį kartų pagreitinti naudojant analoginius mikroschemas, pagrįstas PCM. IBM tinklaraštis atskleidė, kad IBM steigia tyrimų centrą, skirtą kurti naujos kartos AI aparatinę įrangą ir ištirti PCM atminties pritaikymo galimybes dirbtinio intelekto srityje.
