Fāzes maiņas materiāli (PCM) ir materiālu klase, kas fāzes maiņas laikā var absorbēt vai atbrīvot lielu enerģijas daudzumu (ti, fāzes maiņas entalpiju). Tā kā PCM enerģijas uzkrāšanai izmanto latento siltumu, tiem ir augsts siltuma uzkrāšanas blīvums, kompaktas siltuma uzglabāšanas ierīces, un to temperatūra fāzes maiņas procesā būtībā paliek nemainīga, padarot tos viegli pārvaldāmus. Pieaugot globālajai izpratnei par enerģijas taupīšanu, šī PCM īpašība ir piesaistījusi pētnieku uzmanību, un fāzes maiņas siltumenerģijas uzglabāšanas tehnoloģija arvien vairāk parādās enerģijas uzglabāšanas jomā.
I. Ievads materiālu tehnoloģiju raksturojumos
Vispārīgi runājot, siltumenerģijas uzglabāšanas tehnoloģija ietver gan siltumenerģijas uzglabāšanas, gan aukstās enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijas. Siltumenerģijas uzglabāšanas tehnoloģija ietver saprātīgu siltumenerģijas uzglabāšanu un fāzes maiņas siltumenerģijas uzglabāšanu. Saprātīga siltumenerģijas uzglabāšana izmanto paša materiāla īpatnējo siltumietilpību, lai uzglabātu/izdalītu siltumenerģiju, savukārt fāzes maiņas siltumenerģijas uzglabāšana izmanto siltuma absorbcijas/izdalīšanas enerģijas pārveidošanas procesu fāzes maiņas materiālu (PCM) fāzes maiņas laikā, lai uzglabātu/atbrīvotu siltumenerģiju. Fāzes maiņas siltumenerģijas uzglabāšanas materiāliem ir tādas priekšrocības kā augsts siltuma uzglabāšanas blīvums un nelielas temperatūras izmaiņas siltuma uzlādes un izdalīšanas laikā, piesaistot plašu zinātnieku uzmanību gan vietējā, gan starptautiskā mērogā. Pašlaik fāzes maiņas enerģijas uzglabāšanas materiāli galvenokārt ietver organiskos, kausētos sāļus, sakausējumus un kompozītmateriālus. To fāzu maiņas formas galvenokārt ir četras: cieta-cieta, cieta-šķidra, cieta-gāze un šķidra{8}}gāze.
Ideālam cietam{0}}šķidruma fāzes maiņas materiālam ir jābūt šādām īpašībām:
(1) augsts latentais saplūšanas siltums, kas ļauj tam saglabāt vai izdalīt ievērojamu daudzumu siltuma fāzes maiņas laikā;
(2) prasībām atbilstoša fāzes maiņas temperatūra;
(3) Laba cietās -šķidruma fāzes maiņas atgriezeniskums, līdz minimumam samazinot pārmērīgu dzesēšanu vai pārkaršanu;
(4) augsta siltumvadītspēja starp cieto un šķidro fāzi;
(5) minimāla izplešanās un saraušanās cietās -šķidruma fāzes maiņas procesā;
(6) augsts blīvums un īpatnējā siltumietilpība;
(7) nav-toksisks un nav-kodīgs;
(8) Zemas izmaksas un viegli ražot.
Salīdzinājumā ar cieto-šķidrās fāzes maiņas materiāliem, cietās fāzes maiņas materiāliem ir daudz priekšrocību. Cietās fāzes maiņas materiālus (SCT) var tieši apstrādāt un formēt, neizmantojot konteinerus; tiem ir mazs termiskās izplešanās koeficients, kā rezultātā fāzes pārejas laikā notiek minimālas tilpuma izmaiņas; tiem nav pārdzesēšanas vai fāzu atdalīšanas, tāpēc nav nepieciešami pret-pārdzesēšanas līdzekļi un pret-fāzu atdalīšanas līdzekļi; tiem ir ļoti zema toksicitāte un minimāla korozija; tiem nav noplūdes-un tie nepiesārņo vidi; tiem ir stabils sastāvs, laba fāzes maiņas atgriezeniskā spēja un ilgs kalpošanas laiks; un to ierīces ir vienkāršas un viegli lietojamas. Galvenie SCT trūkumi ir to zemais latentais fāzes maiņas siltums un augstā cena. Šķidrās-gāzes un cietās{10}}gāzes fāzes maiņas materiāli, jo fāzes pārejas laikā ir liels gāzes daudzums, rada ievērojamas tilpuma izmaiņas, un tāpēc, neskatoties uz to lielo fāzes izmaiņu karstumu, tos reti izvēlas praktiski.
II. Fāzes maiņas materiālu pielietojuma jomas
Fāzu maiņas enerģijas uzglabāšanas materiālu izstrāde pakāpeniski ir nonākusi praktiskā pielietojuma stadijā, ko galvenokārt izmanto reakcijas temperatūras kontrolei, saules enerģijas izmantošanai un rūpniecisko reakciju atkritumu siltuma uzglabāšanai. Zemas-temperatūras enerģijas uzglabāšanu galvenokārt izmanto siltuma atgūšanai, saules enerģijas uzglabāšanai, kā arī apkures un gaisa kondicionēšanas sistēmām. Augstas-temperatūras enerģijas uzglabāšana tiek izmantota siltumdzinējos, saules elektrostacijās, magnetohidrodinamiskajā enerģijas ražošanā un mākslīgajos pavadoņos. Šo materiālu ievadīšana tekstilizstrādājumos var radīt vieglu apģērbu ar lielisku siltumizolāciju. No tiem var izgatavot arī izolētas krūzes, kas saglabā siltumu ilgāk nekā parastās keramikas krūzes. Asfalta vai cementa segumi, kas satur šo fāzes maiņas materiālu, var novērst ceļu un tiltu apledojumu. Tāpēc tai ir plašas pielietošanas iespējas inženiertehniskajos izolācijas materiālos, medicīnas un veselības aprūpes produktos, kosmosa iekārtās, militārajā izlūkošanā un ikdienas vajadzībām.
(I) Fāzes maiņas materiālu izmantošana farmācijas rūpniecībā Daudzām medicīniskajām elektroniskajām terapeitiskajām ierīcēm ir nepieciešama pastāvīga temperatūras darbība, tādēļ ir jāizmanto temperatūras -kontrolētas siltuma uzglabāšanas materiāli, lai regulētu temperatūru un nodrošinātu instrumentu darbību pieļaujamajās robežās. Japānas patentā ir ziņots par NaSO4·10H2O un MgSO4·7H2O maisījuma izmantošanu kā fāzes maiņas materiālu temperatūras kontrolei instrumentu telpās, uzturot telpas temperatūru aptuveni 25 grādus. Speciālos instrumentus var arī ievietot siltuma paketēs, kas izgatavotas no fāzes maiņas materiāliem, lai uzturētu to darba temperatūru. Pēdējos gados vietējā tirgū ir parādījies siltuma iepakojuma veids. Tā fāzes maiņas materiāls ir hidratēts sāls ar fāzes maiņas temperatūru aptuveni 55 grādi. Metāla loksne tiek izmantota kā kodināšanas sēklas materiāls; kad metāla loksne tiek saspiesta, tās virsma kļūst par kristāla augšanas centru, kā rezultātā notiek eksotermiska kristalizācija. Apvienojumā ar noteiktiem tradicionālās ķīniešu medicīnas maisiņiem, kas veicina asinsriti, tas sasniedz terapeitisku efektu, parādot zināmu efektivitāti tādu slimību ārstēšanā kā reimatoīdais artrīts.
(II) Fāzes maiņas materiālu pielietošana datu glabāšanā
PCM ir augstas{0}}veiktspējas, nepastāvīga{1}}atmiņa, kuras pamatā ir halkogenīda stikls. Šim savienojumam ir būtiska īpašība: tā pretestība mainās, kad tas pāriet no vienas fāzes uz otru. Materiāla kristāliskā fāze ir zemas -pretestības fāze, savukārt amorfā fāze ir augstas-pretestības fāze. Fāžu pārejas tiek panāktas, pieliekot vai noņemot strāvu. Atšķirībā no tradicionālās NAND-pastāvīgās nepastāvīgās atmiņas, PCM ierīces var sasniegt praktiski neierobežotu ierakstu skaitu. Turklāt PCM ierīces piedāvā tādas priekšrocības kā īss piekļuves reakcijas laiks, baitu adresējamība un nejaušas lasīšanas/rakstīšanas iespējas, padarot to par vienu no daudzajām uzglabāšanas tehnoloģijām, kas tiek reklamētas kā "nākotnes mainīga" tehnoloģija.
2017. gadā pētnieku komanda, kuru vadīja Šanhajas Mikrosistēmu un informācijas tehnoloģiju institūta direktors Songs Džitans, panāca nozīmīgu izrāvienu jaunu fāzes -atmiņas maiņas (PCM) materiālos. Viņi inovatīvi ierosināja dizaina koncepciju ātrdarbīgiem -PCM materiāliem, proti, panākt PCM materiālu ātrdarbīgu- kristalizāciju, samazinot kodolu veidošanās nejaušību amorfās PCM plēvēs. Izmantojot 0,13 µm-CMOS procesu, Sc-Sb-Te-bāzētās PCM ierīces sasniedza ātrgaitas atgriezeniskās rakstīšanas-dzēšanas darbības 700 pikosekundēs ar cikla kalpošanas laiku, kas pārsniedz 10⁷ ciklus. Salīdzinot ar tradicionālajām Ge-Sb-Te ierīcēm, to enerģijas patēriņš tika samazināts par 90%, vienlaikus saglabājot salīdzināmu datu saglabāšanu desmit gadu laikā. 2018. gadā atmiņas mikroshēmu ražotājs SK Hynix sāka ražot PCM{21}}bāzētu 3D krustpunktu atmiņu. SK paskaidroja, ka šī 3D šķērspunkta atmiņas šūna, ko izmanto SCM, ir izgatavota no sulfīdu{25}}PCM materiāliem. Nesen IBM pētījumi parādīja, ka mašīnmācīšanās iespējas var tūkstoškārtīgi paātrināt, izmantojot analogās mikroshēmas, kuru pamatā ir PCM. IBM emuārā atklājās, ka IBM dibina pētniecības centru, lai izstrādātu nākamās-paaudzes AI aparatūru un izpētītu PCM atmiņas pielietojuma potenciālu AI jomā.
