Materijali za promjenu faze (PCM) su klasa materijala koji mogu apsorbirati ili osloboditi veliku količinu energije (tj. entalpije promjene faze) tokom promjene faze. Budući da PCM koriste latentnu toplotu za skladištenje energije, oni imaju visoku gustinu skladištenja toplote, kompaktne uređaje za skladištenje toplote, a njihova temperatura ostaje u suštini konstantna tokom procesa promene faze, što ih čini lakim za upravljanje. Sa sve većom globalnom svijesti o očuvanju energije, ova karakteristika PCM-a je privukla pažnju istraživača, a tehnologija skladištenja toplinske energije s faznom promjenom sve više blista u području skladištenja energije.
I. Uvod u karakteristike tehnologije materijala
Uopšteno govoreći, tehnologija skladištenja toplotne energije uključuje i tehnologije skladištenja toplotne i hladne energije. Tehnologija skladištenja toplotne energije uključuje razumno skladištenje toplotne energije i skladištenje toplotne energije sa promenom faze. Senzibilno skladištenje toplotne energije koristi specifični toplotni kapacitet samog materijala za skladištenje/oslobađanje toplotne energije, dok skladištenje toplotne energije sa faznom promenom koristi proces konverzije energije apsorpcije/otpuštanja toplote tokom fazne promene materijala za promenu faze (PCM) za skladištenje/oslobađanje toplotne energije. Materijali za skladištenje toplotne energije sa promenom faze imaju prednosti kao što su visoka gustina skladištenja toplote i male promene temperature tokom punjenja i oslobađanja toplote, privlačeći široku pažnju naučnika kako u zemlji tako i u inostranstvu. Trenutno, materijali za skladištenje energije sa promenom faze uglavnom uključuju organske, rastopljene soli, legure i kompozitne vrste. Njihovi oblici promjene faze su uglavnom četiri tipa: čvrsti-čvrsti, čvrsti-tečni, čvrsti-gasovi i tečni-gasovi.
Idealan čvrst-materijal sa promjenom tekuće faze trebao bi posjedovati sljedeća svojstva:
(1) Visoka latentna toplota fuzije, koja mu omogućava da uskladišti ili oslobodi značajnu količinu toplote tokom promene faze;
(2) Odgovarajuća temperatura promjene faze kako bi se ispunili zahtjevi;
(3) Dobra reverzibilnost promjene čvrste{1}}tečne faze, minimizirajući prehlađenje ili pregrijavanje;
(4) Visoka toplotna provodljivost između čvrste i tečne faze;
(5) Minimalna ekspanzija i kontrakcija tokom procesa promjene čvrste{1}}tečne faze;
(6) Visoka gustina i specifični toplotni kapacitet;
(7) Nije-toksičan i nije-korozivan;
(8) Niska cijena i jednostavna za proizvodnju.
U poređenju sa čvrstim-materijalima za promjenu tekuće faze, čvrsti-materijali za promjenu čvrste faze imaju mnoge prednosti. Čvrsti-čvrsti materijali za promjenu faze (SCT) mogu se direktno obraditi i oblikovati bez potrebe za kontejnerima; imaju mali koeficijent termičke ekspanzije, što rezultira minimalnom promjenom volumena tokom faznog prijelaza; ne pokazuju prehlađenje ili razdvajanje faza, eliminišući potrebu za anti-sredstvima za prehlađenje i anti-sredstvima za razdvajanje faza; imaju vrlo nisku toksičnost i minimalnu korozivnost; ne propuštaju-i ne zagađuju okolinu; imaju stabilan sastav, dobru reverzibilnost promjene faze i dug vijek trajanja; a njihovi uređaji su jednostavni i laki za upotrebu. Glavni nedostaci SCT-a su njihova niska latentna toplina promjene faze i visoka cijena. Tečni-gasovi i čvrsti{10}} materijali koji mijenjaju fazu, zbog prisustva velike količine plina tokom faznog prijelaza, rezultiraju značajnim promjenama zapremine, pa se, unatoč velikoj toplini promjene faze, rijetko biraju u praktičnim primjenama.
II. Područja primjene materijala za promjenu faze
Razvoj materijala za pohranu energije s promjenom faze postupno je ušao u fazu praktične primjene, uglavnom se koriste za kontrolu reakcijskih temperatura, korištenje sunčeve energije i skladištenje otpadne topline iz industrijskih reakcija. Nisko{1}}skladištenje energije se uglavnom koristi za povrat otpadne topline, skladištenje solarne energije i sisteme grijanja i klimatizacije. Visokotemperaturno{3}}skladištenje energije koristi se u toplinskim motorima, solarnim elektranama, magnetohidrodinamičkoj proizvodnji energije i umjetnim satelitima. Ubrizgavanjem ovih materijala u tekstil može se stvoriti lagana odjeća s odličnom toplinskom izolacijom. Mogu se koristiti i za izradu izolovanih čaša koje duže zadržavaju toplinu od običnih keramičkih čaša. Asfaltni ili cementni kolovozi koji sadrže ovaj materijal za promjenu faze mogu spriječiti zaleđivanje cesta i mostova. Stoga ima široku perspektivu primjene u inženjerskim izolacijskim materijalima, medicinskim i zdravstvenim proizvodima, zrakoplovnoj opremi, vojnom izviđanju i svakodnevnim potrepštinama.
(I) Primjena materijala s promjenom faze u farmaceutskoj industriji Mnogi medicinski elektronski terapijski uređaji zahtijevaju rad na konstantnoj temperaturi, što zahtijeva korištenje temperaturno kontroliranih materijala za skladištenje topline kako bi se regulisala temperatura i osiguralo da instrumenti rade u dozvoljenim granicama. Japanski patent izvještava o upotrebi mješavine NaSO4·10H2O i MgSO4·7H2O kao materijala za promjenu faze za kontrolu temperature u instrumentarnicama, održavajući sobnu temperaturu od približno 25 stepeni. Specijalni instrumenti takođe mogu biti upakovani u toplotne pakete napravljene od materijala za promenu faze kako bi se održala njihova radna temperatura. Posljednjih godina na domaćem tržištu se pojavila jedna vrsta toplinskog paketa. Njegov materijal za promenu faze je hidratizovana so sa temperaturom promene faze od oko 55 stepeni. Metalni lim se koristi kao materijal za nukleaciju sjemena; kada se metalni lim stisne, njegova površina postaje centar rasta kristala, što rezultira egzotermnom kristalizacijom. U kombinaciji sa određenim vrećicama tradicionalne kineske medicine koje pospješuju cirkulaciju krvi, postiže terapeutski učinak, pokazujući određenu efikasnost u liječenju bolesti kao što je reumatoidni artritis.
(II) Primena materijala za promenu faze u skladištenju podataka
PCM je trajna memorija visokih-performansi-bazirana na halkogenidnom staklu. Ovo jedinjenje ima ključnu karakteristiku: njegov otpor se mijenja kada prelazi iz jedne faze u drugu. Kristalna faza materijala je faza niske{4}}otpornosti, dok je amorfna faza-faza visokog otpora. Fazni prijelazi se postižu primjenom ili uklanjanjem struje. Za razliku od tradicionalne NAND-bazirane nepromjenjive memorije-, PCM uređaji mogu postići praktično neograničeno upisivanje. Štaviše, PCM uređaji nude prednosti kao što su kratko vrijeme odziva pristupa, adresiranje bajtova i mogućnost nasumičnih čitanja/pisanja, što ih čini jednom od mnogih tehnologija za pohranu koje se reklamiraju kao tehnologija "-koja se mijenja".
2017. godine, istraživački tim predvođen Songom Zhitangom, direktorom Šangajskog instituta za mikrosistemske i informacione tehnologije, postigao je veliki napredak u materijalima nove faze{1}}promjene memorije (PCM). Oni su inovativno predložili koncept dizajna za velike{3}}brzine PCM materijala, odnosno postizanje velike{4}}brze kristalizacije PCM materijala smanjenjem slučajnosti nukleacije unutar amorfnih PCM filmova. Koristeći 0,13µm-CMOS proces, Sc-Sb-Te-bazirani PCM uređaji postigli su velike-brzine reverzibilne operacije pisanja-brisanja od 700 pikosekundi sa životnim vijekom ciklusa dužim od 10⁷ ciklusa. U poređenju sa tradicionalnim Ge-Sb-Te uređajima, njihova potrošnja energije je smanjena za 90%, uz održavanje uporedivog zadržavanja podataka tokom deset godina. U 2018. proizvođač memorijskih čipova SK Hynix počeo je proizvoditi PCM{21}}baziranu 3D memoriju unakrsnih tačaka. SK je objasnio da je ova 3D unakrsna memorijska ćelija, koja se koristi u SCM, napravljena od PCM materijala na bazi sulfida{25}. Nedavno je IBM istraživanje pokazalo da se mogućnosti mašinskog učenja mogu hiljadu puta ubrzati korištenjem analognih čipova baziranih na PCM-u. IBM-ov blog je otkrio da IBM uspostavlja istraživački centar za razvoj sljedeće{28}}generacije AI hardvera i istraživanje potencijala primjene PCM memorije u polju umjetne inteligencije.
