Fāzes maiņas materiāli (PCM) ir materiālu klase, kas fāzes maiņas laikā var absorbēt vai atbrīvot lielu daudzumu enerģijas (ti, fāzes maiņas entalpija). Tā kā PCM enerģijas glabāšanai izmanto latento siltumu, tie piedāvā lielu siltuma uzglabāšanas blīvumu, kompaktas termiskās uzglabāšanas ierīces un fāzes maiņas procesa laikā uztur būtībā nemainīgu temperatūru, padarot tās viegli pārvaldāmus. Pieaugot globālai izpratnei par enerģijas saglabāšanu, šī PCM raksturlielums ir piesaistījis pētnieku uzmanību, un PCM termiskās uzglabāšanas tehnoloģija arvien vairāk iegūst vilci enerģijas uzkrāšanas laukā.
I. Ievads materiālu tehnoloģiju īpašībās
Plaši runājot, termiskās uzglabāšanas tehnoloģijas ietver siltuma uzglabāšanu un aukstumu, ieskaitot saprātīgu siltuma uzglabāšanu un fāžu maiņas uzglabāšanu. Saprātīgā siltuma uzglabāšanā tiek izmantota materiāla raksturīgā specifiskā siltuma jauda, lai uzglabātu un atbrīvotu siltumenerģiju, savukārt fāzes maiņas uzglabāšanai PCM fāzes maiņa izmanto siltuma enerģijas absorbciju un izdalīšanos (fāzes maiņas materiāli). PCM ar lielo siltuma uzglabāšanas blīvumu un minimālu temperatūras svārstībām lādēšanas un izlādes laikā ir piesaistījusi plašu zinātnieku uzmanību gan vietējā, gan starptautiskā mērogā. Pašlaik fāzes maiņas siltuma uzglabāšanas materiālos galvenokārt ietilpst organiskais, izkausēts sāls, sakausējums un kompozītmateriāli. Ir četras galvenās fāzes izmaiņu formas: ciets, ciets šķidrums, cietās gāzes un šķidrās gāzes.
Ideālam cietās šķidrās fāzes maiņas materiālam jābūt šādām īpašībām:
(1) augsts latentais saplūšanas karstums, lai tas varētu uzglabāt enerģiju vai atbrīvot vairāk siltuma fāzes maiņas laikā;
2) atbilstoša fāzes maiņas temperatūra, lai apmierinātu vajadzības;
(3) laba cietā šķidruma fāzes izmaiņu atgriezeniskums, kas pēc iespējas vairāk var izvairīties no pārmērīgas vai pārkaršanas;
(4) cietā šķidruma fāzes lielā siltumvadītspēja;
(5) neliela izplešanās un kontrakcija cietā šķidruma fāzes maiņas laikā;
(6) fāzes maiņas materiālu augsts blīvums un specifiskā siltuma jauda;
(7) netoksisks un nekorozīvs;
(8) Zemas izmaksas un viegli izgatavojama.
Salīdzinot ar cietās šķidruma fāzes maiņas materiāliem, cietā cietā fāzes maiņas materiāliem ir daudz priekšrocību. Cietās cietās fāzes maiņas materiālus var tieši apstrādāt un veidot, neprasot konteinerus. Viņiem ir zems izplešanās koeficients un minimāls tilpuma maiņa fāzes maiņas laikā. Viņi nepiedzīvo superapstrādi vai fāžu atdalīšanu, novēršot nepieciešamību pēc anti-supercooling vai anti-fāzes atdalīšanas līdzekļiem. Viņiem ir arī ļoti zema toksicitāte un kodīga, bez noplūde un videi draudzīga. Viņiem ir stabils sastāvs, labas fāzes maiņas atgriezeniskums un ilgs kalpošanas laiks. Tos ir vienkārši instalējami un viegli lietojami. Cietās cietās fāzes maiņas materiālu galvenie trūkumi ir to zemais fāzes izmaiņu un augstās cenas latentais karstums. Šķidrās gāzes un cietās gāzes fāzes izmaiņas ietver lielu daudzumu gāzes fāzes maiņas procesā, kā rezultātā notiek ievērojamas tilpuma izmaiņas. Tāpēc, neraugoties uz to ievērojamo fāzes izmaiņu siltumu, tos reti izmanto praktiskos pielietojumos.
II. Fāžu maiņas materiālu pielietojums
Fāzes maiņas enerģijas uzglabāšanas materiālu izstrāde ir pakāpeniski iekļuvusi praktiskajā stadijā, galvenokārt, lai kontrolētu reakcijas temperatūru, saules enerģijas izmantošanu un atkritumu siltuma glabāšanu no rūpnieciskām reakcijām. Enerģijas uzglabāšanu zemā temperatūrā galvenokārt izmanto siltuma atjaunošanai, saules enerģijas uzkrāšanai un apkures un gaisa kondicionēšanas sistēmām. Augstas temperatūras enerģijas uzkrāšana tiek izmantota siltuma motoros, saules spēkstacijās, magnetohidrodinamiskās enerģijas ražošanā un satelītos. Injicējot šos materiālus tekstilizstrādājumos, var radīt vieglu apģērbu ar izcilām siltumizolācijas īpašībām. Tos var izmantot arī, lai izveidotu termosu krūzes, kas saglabā siltumu ilgāk nekā parastās keramikas krūzes. Asfalts vai cementa ietvi, kas uzpūsti ar šo fāzes maiņas materiālu, var novērst apledojumu uz ceļiem un tiltiem. Tāpēc tai ir plašas lietošanas iespējas inženierzinātņu izolācijas materiālos, veselības aprūpes produktos, kosmiskās aviācijas aprīkojumā, militārā izlūkošanā un ikdienas vajadzībās.
(1) Fāzes maiņas materiālu pielietojums medicīnas nozarē
Daudzām medicīniskām elektroniskām terapeitiskām ierīcēm nepieciešama pastāvīga temperatūras darbība, kas prasa izmantot temperatūras kontrolētus siltuma uzglabāšanas materiālus, lai uzturētu darba temperatūru pieņemamās robežās. Japānas patents ziņo par naso₄10h₂o un mgso₄7h₂o maisījuma izmantošanu kā fāzes maiņas materiālu instrumentu istabas temperatūras kontrolei, uzturot istabas temperatūru ap 25 grādiem. Speciālos instrumentus var iestrādāt arī siltuma iepakojumos, kas izgatavoti no fāzes maiņas materiāliem, lai uzturētu darbības temperatūru. Pēdējos gados vietējā tirgū ir kļuvis populārs siltuma iepakojuma veids. Tās fāzes maiņas materiāls ir hidratēts sāls ar fāzes maiņas temperatūru aptuveni 55 grādos. Metāla loksne kalpo kā kodola sēklu materiāls. Kad metāla loksne tiek saspiesta manuāli, tā virsma kļūst par kristāla augšanas centru, kā rezultātā kristalizācijas laikā tiek izdalīta siltuma izdalīšanās. Apvienojumā ar somu, kurā ir noteiktas tradicionālās ķīniešu zāles, par kurām zināms, ka tās stimulē asinsriti, tas rada terapeitisku efektu ar zināmu efektivitāti tādu slimību ārstēšanā kā reimatoīdais artrīts.
(2) Fāzes maiņas materiālu pielietojums datu glabāšanā
PCM ir augstas veiktspējas, nepastāvīga atmiņa, kuras pamatā ir halkogenīda stikls. Šiem savienojumiem ir izšķiroša īpašība: tie maina savu pretestību, pārejot no vienas fāzes uz otru. Materiāla kristāliskā fāze ir zema pretestība, savukārt amorfā fāze ir augstas pretestība. Fāzes pārejas tiek panāktas, piemērojot vai noņemot strāvu. Atšķirībā no tradicionālās NAND bāzes nemainīgās atmiņas, PCM ierīces var atbalstīt praktiski neierobežotu skaitu rakstu. PCM ierīces piedāvā arī tādas priekšrocības kā ātras piekļuves reakcijas laiks, baitu adrese un nejauša lasīšana/rakstīšana. Tā ir viena no daudzajām glabāšanas tehnoloģijām, kas tiek uzskatītas par "nākotnes maiņu". 2017. gadā Pētniecības grupa, kuru vadīja Šanhajas mikrosistēmas un informācijas tehnoloģiju institūta direktors Dziesma Zhitang, sasniedza lielu sasniegumu jaunos fāzu maiņas atmiņas materiālos. Viņi inovatīvi ierosināja straujas fāzes maiņas materiālu projektēšanas stratēģiju, samazinot kodolizācijas nejaušību amorfā fāzes maiņas plānās plēvēs, lai panāktu ātru kristalizāciju. Uz SC-SB-TE fāzes maiņas atmiņas ierīces, kas izgatavota, izmantojot 0,13 µm COMS procesu, sasniedza ātrgaitas atgriezenisku rakstīšanas-erāzes ciklu 700 pikosekundēs un cikla kalpošanas laiku vairāk nekā 107 ciklos. Salīdzinot ar parastajām GE-SB-TE ierīcēm, tās darbības enerģijas patēriņš tika samazināts par 90%, vienlaikus saglabājot salīdzināmu datu saglabāšanu desmit gadus. 2018. gadā atmiņas mikroshēmu ražotājs SK Hynix sāka ražot PCM balstītu 3D krustojuma atmiņu. SK paskaidroja, ka SCM izmantotās 3D krustojuma atmiņas šūnas ir izgatavotas no sulfīdu bāzes fāzes maiņas materiāliem. Nesen IBM Research parādīja, ka mašīnmācīšanās iespējas var paātrināt tūkstoš reizes, izmantojot analogās mikroshēmas, kuru pamatā ir fāzes maiņas atmiņa. IBM emuārs atklāja, ka IBM izveido pētniecības centru, lai izstrādātu nākamās paaudzes AI aparatūru un izpētītu PCM atmiņas potenciālu AI lietojumprogrammās.
