Faseveranderingsmaterialen (PCM's) zijn een klasse van materialen die grote hoeveelheden energie (dwz faseverandering enthalpie) kunnen absorberen of afgeven tijdens een faseverandering. Omdat PCM's latente warmte gebruiken om energie op te slaan, bieden ze een hoge hitte opslagdichtheid, compacte thermische opslagapparaten en behouden ze in wezen constante temperatuur tijdens het faseveranderingsproces, waardoor ze gemakkelijk te beheren zijn. Met het groeiende wereldwijde bewustzijn van energiebesparing, heeft dit kenmerk van PCMS de aandacht getrokken van onderzoekers, en PCM -thermische opslagtechnologie wint steeds meer grip op het gebied van energieopslag.
I. Inleiding tot kenmerken van materiaaltechnologie
In grote lijnen zijn thermische opslagtechnologieën omvatten warmteopslag en koude opslag, inclusief verstandige warmteopslag en faseverandering. Geslachtige warmteopslag maakt gebruik van de inherente specifieke warmtecapaciteit van het materiaal om thermische energie op te slaan en af te geven, terwijl de opslag van de faseverandering de absorptie en afgifte van warmte -energie gebruikt tijdens de faseverandering van PCM's (faseveranderingsmaterialen). PCM's, met hun opslagdichtheid met hoge warmte en minimale temperatuurschommelingen tijdens lading en ontlading, hebben wijdverbreide aandacht getrokken van wetenschappers zowel in eigen land als internationaal. Momenteel omvatten faseveranderingwarmteopslagmaterialen voornamelijk organisch, gesmolten zout, legering en composietmaterialen. Er zijn vier hoofdfaseveranderingsvormen: vaste vaste, vaste vloeistof, vaste gas en vloeistofgas.
Een ideaal faseveranderingsmateriaal voor vaste vloeistof moet de volgende eigenschappen hebben:
(1) hoge latente fusiewarmte, zodat het energie kan opslaan of meer warmte kan afgeven tijdens faseverandering;
(2) geschikte faseveranderingstemperatuur om aan de behoeften te voldoen;
(3) een goede omkeerbaarheid van faseverandering van vaste vloeistof, die zoveel mogelijk overkoeling of oververhitting kan voorkomen;
(4) grote thermische geleidbaarheid van vaste-vloeistoffase;
(5) kleine expansie en samentrekking tijdens faseverandering van vaste vloeistof;
(6) hoge dichtheid en specifieke warmtecapaciteit van faseveranderingsmaterialen;
(7) niet-toxisch en niet-corrosief;
(8) Lage kosten en gemakkelijk te produceren.
In vergelijking met faseveranderingsmaterialen vaste vloeistof hebben materialen voor vaste vaste faseverandering veel voordelen. Materialen voor vaste vaste faseverandering kunnen direct worden verwerkt en gevormd zonder dat containers nodig zijn. Ze hebben een lage expansiecoëfficiënt en minimale volumeverandering tijdens faseverandering. Ze ervaren geen supercooling of fasescheiding, waardoor de noodzaak van anti-supercooling of anti-fase scheidingsmiddelen wordt geëlimineerd. Ze zijn ook zeer weinig toxiciteit en corrosief, lekvrij en milieuvriendelijk. Ze hebben een stabiele compositie, goede faseveranderingsomkeerbaarheid en een lange levensduur. Ze zijn eenvoudig te installeren en gemakkelijk te gebruiken. De belangrijkste nadelen van vaste vaste faseveranderingsmaterialen zijn hun lage latente warmte van faseverandering en hoge prijs. Vloeistofgas en faseverandering in vaste gas omvatten grote hoeveelheden gas tijdens het faseveranderingsproces, wat resulteert in significante volumeveranderingen. Daarom worden ze, ondanks hun significante faseverandering, zelden gebruikt in praktische toepassingen.
II. Toepassingen van faseveranderingsmaterialen
De ontwikkeling van faseverandering energieopslagmaterialen is geleidelijk in het praktische stadium ingegaan, voornamelijk voor het beheersen van de reactietemperaturen, het gebruik van zonne -energie en het opslaan van afvalwarmte bij industriële reacties. Energieopslag op lage temperatuur wordt voornamelijk gebruikt voor het herstel van afvalwarmte, opslag van zonne-energie en verwarmings- en airconditioningsystemen. Opslag op hoge temperatuur wordt gebruikt in warmtemotoren, zonne-energiecentrales, magnetohydrodynamische stroomopwekking en satellieten. Het injecteren van deze materialen in textiel kan lichtgewicht kleding creëren met uitstekende thermische isolatie -eigenschappen. Ze kunnen ook worden gebruikt om thermosbekers te creëren die warmte langer behouden dan gewone keramische bekers. Asfalt- of cementverhardingen doordrenkt met dit faseveranderingsmateriaal kunnen ijsvorming op wegen en bruggen voorkomen. Daarom heeft het brede toepassingsperspectieven in engineering isolatiematerialen, gezondheidszorgproducten, ruimtevaartapparatuur, militaire verkenning en dagelijkse benodigdheden.
(1) Toepassingen van faseveranderingsmaterialen in de medische industrie
Veel medische elektronische therapeutische apparaten vereisen een constante temperatuurbewerking, waardoor het gebruik van temperatuurgecontroleerde warmteopslagmaterialen nodig is om bedrijfstemperaturen binnen acceptabele limieten te handhaven. Een Japans patent meldt het gebruik van een mengsel van NASO₄10H₂O en MGSO₄7H₂O als een faseveranderingsmateriaal voor regelaars voor instrumenten, waarbij kamertemperatuur ongeveer 25 graden wordt gehandhaafd. Speciale instrumenten kunnen ook worden ingebed in warmtepakketten gemaakt van faseveranderingsmaterialen om bedrijfstemperaturen te behouden. In de afgelopen jaren is een soort warmtepakket populair geworden op de binnenlandse markt. Het faseveranderingsmateriaal is een gehydrateerd zout met een faseveranderingstemperatuur van ongeveer 55 graden. Een metalen plaat dient als een nucleatiezaadmateriaal. Wanneer de metalen plaat handmatig wordt geperst, wordt het oppervlak het midden van de kristalgroei, wat resulteert in warmteafgifte tijdens kristallisatie. Gecombineerd met een zak met bepaalde traditionele Chinese geneesmiddelen die bekend zijn om de bloedcirculatie te stimuleren, creëert dit een therapeutisch effect, met enige werkzaamheid bij de behandeling van ziekten zoals reumatoïde artritis.
(2) Toepassingen van faseveranderingsmaterialen in gegevensopslag
PCM is een krachtige, niet-vluchtig geheugen op basis van chalcogenide glas. Deze verbindingen hebben een cruciale eigenschap: ze veranderen hun weerstand als ze overgaan van de ene fase naar de andere. De kristallijne fase van het materiaal is lage weerstand, terwijl de amorfe fase hoge weerstand is. Faseovergangen worden bereikt door stroom toe te passen of te verwijderen. In tegenstelling tot het traditionele NAND-gebaseerd niet-vluchtig geheugen, kunnen PCM-apparaten een vrijwel onbeperkt aantal schrijven ondersteunen. PCM-apparaten bieden ook voordelen zoals snelle toegangsresponstijd, byte-adresseerbaarheid en willekeurig lezen/schrijven. Het is een van de vele opslagtechnologieën aangeprezen als 'de toekomst veranderen'. In 2017 behaalde een onderzoeksteam onder leiding van nummer Zhitang, directeur van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, een grote doorbraak in nieuwe fase-verandering geheugenmaterialen. Ze stelden innovatief een ontwerpstrategie voor voor high-speed fase-veranderingsmaterialen, waardoor de willekeur van nucleatie binnen dunne films van amorfe fase-verandering minimaliseerden om snelle kristallisatie te bereiken. Het op SC-SB-TE gebaseerde fase-verandering geheugenapparaat, gefabriceerd met behulp van een 0,13 µm COMS-proces, behaalde een snelle omkeerbare schrijf-erasecyclus van 700 picoseconden en een levensduur van meer dan 107 cycli. In vergelijking met conventionele GE-SB-TE-apparaten werd het operationele stroomverbruik verminderd met 90%, terwijl het vergelijkbare gegevensbehoud gedurende tien jaar werd gehandhaafd. In 2018 begon het geheugenchipfabrikant SK Hynix met de productie van PCM-gebaseerd 3D Crosspoint-geheugen. SK legde uit dat de 3D-crosspoint-geheugencellen die in SCM worden gebruikt, zijn gemaakt van sulfide-gebaseerde faseveranderingsmaterialen. Onlangs heeft IBM Research aangetoond dat machine learning-mogelijkheden duizendvoudig kunnen worden versneld met behulp van analoge chips op basis van faseveranderingsgeheugen. Een IBM-blog onthulde dat IBM een onderzoekscentrum opricht om AI-hardware van de volgende generatie te ontwikkelen en het potentieel van PCM-geheugen in AI-toepassingen te verkennen.
