مواد تغییر فاز (PCMS) یک کلاس از مواد هستند که می توانند در طی تغییر فاز مقادیر زیادی انرژی (یعنی آنتالپی تغییر فاز) را جذب یا آزاد کنند. از آنجا که PCM ها از گرمای نهان برای ذخیره انرژی استفاده می کنند ، آنها چگالی ذخیره حرارتی زیاد ، دستگاه های ذخیره سازی حرارتی جمع و جور را ارائه می دهند و دمای اساساً ثابت را در طی فرآیند تغییر فاز حفظ می کنند و باعث می شوند آنها به راحتی مدیریت کنند. با افزایش آگاهی جهانی از حفظ انرژی ، این ویژگی PCM ها توجه محققان را به خود جلب کرده است و فناوری ذخیره سازی حرارتی PCM به طور فزاینده ای در میدان ذخیره انرژی به دست می آید.
I. آشنایی با ویژگی های فناوری مواد
به طور گسترده ، فن آوری های ذخیره حرارتی شامل ذخیره حرارت و ذخیره سرد ، از جمله ذخیره حرارتی معقول و ذخیره سازی فاز. ذخیره حرارتی معقول از ظرفیت گرمای ذاتی ماده برای ذخیره و آزاد سازی انرژی حرارتی استفاده می کند ، در حالی که ذخیره سازی فاز از جذب و آزاد شدن انرژی گرما در طول تغییر فاز PCM ها استفاده می کند (مواد تغییر فاز). PCM ها با چگالی ذخیره گرمای زیاد و حداقل نوسانات دما در حین بار و تخلیه ، توجه گسترده ای را از سوی دانشمندان در داخل و بین المللی به خود جلب کرده اند. در حال حاضر ، فاز مواد ذخیره سازی گرما را به طور عمده شامل مواد آلی ، نمک مذاب ، آلیاژ و کامپوزیت است. چهار شکل اصلی تغییر فاز وجود دارد: جامد جامد ، مایع جامد ، گاز جامد و گاز مایع.
یک ماده تغییر فاز جامد ایده آل باید دارای خواص زیر باشد:
(1) گرمای نهفته همجوشی ، به طوری که می تواند انرژی را ذخیره کند یا گرمای بیشتری را در حین تغییر فاز آزاد کند.
(2) دمای تغییر فاز مناسب برای پاسخگویی به نیازها.
(3) برگشت پذیری خوب از تغییر فاز مایع جامد ، که می تواند تا حد امکان از بیش از حد یا گرمای بیش از حد جلوگیری کند.
(4) هدایت حرارتی بزرگ فاز مایع جامد.
(5) گسترش و انقباض کوچک در طول تغییر فاز مایع جامد.
(6) چگالی بالا و ظرفیت گرمای خاص مواد تغییر فاز.
(7) غیر سمی و غیر خوردگی ؛
(8) کم هزینه و تولید آسان.
در مقایسه با مواد تغییر فاز مایع جامد ، مواد تغییر فاز جامد جامد مزایای بسیاری دارند. مواد تغییر فاز جامد می توانند بدون نیاز به ظروف به طور مستقیم پردازش و تشکیل شوند. آنها ضریب گسترش و حداقل تغییر حجم در طول تغییر فاز دارند. آنها سوپر کولینگ یا جداسازی فاز را تجربه نمی کنند و نیاز به عوامل جداسازی ضد فاز یا ضد فاز را از بین نمی برند. آنها همچنین از نظر سمیت و خورنده ، بدون نشت و سازگار با محیط زیست بسیار کم هستند. آنها دارای یک ترکیب پایدار ، برگشت پذیری تغییر فاز خوب و یک عمر طولانی هستند. نصب آنها ساده و استفاده آسان است. معایب اصلی مواد تغییر فاز جامد جامد ، گرمای نهفته آنها در تغییر فاز و قیمت بالا است. تغییر فاز گاز مایع و گاز جامد شامل مقادیر زیادی گاز در طی فرآیند تغییر فاز است و در نتیجه تغییرات حجم قابل توجهی ایجاد می شود. بنابراین ، با وجود گرمای تغییر فاز قابل توجه ، آنها به ندرت در کاربردهای عملی استفاده می شوند.
ii. کاربردهای مواد تغییر فاز
توسعه مواد ذخیره انرژی تغییر فاز به تدریج وارد مرحله عملی شده است ، در درجه اول برای کنترل دمای واکنش ، استفاده از انرژی خورشیدی و ذخیره گرمای زباله از واکنشهای صنعتی. ذخیره انرژی با دمای پایین در درجه اول برای بازیابی گرمای زباله ، ذخیره انرژی خورشیدی و سیستم های گرمایشی و تهویه هوا استفاده می شود. از ذخیره انرژی درجه حرارت بالا در موتورهای گرما ، نیروگاه های خورشیدی ، تولید برق مگنتوهیدرودینامیکی و ماهواره ها استفاده می شود. تزریق این مواد به منسوجات می تواند لباس های سبک با خاصیت عایق حرارتی عالی ایجاد کند. همچنین می توان از آنها برای ایجاد فنجان های ترموس استفاده کرد که گرمای طولانی تر از فنجان های سرامیکی معمولی را حفظ می کنند. آسفالت یا آسفالت های سیمانی تزریق شده با این ماده تغییر فاز می توانند از یخ زدن در جاده ها و پل ها جلوگیری کنند. بنابراین ، چشم انداز کاربردهای گسترده ای در مواد عایق مهندسی ، محصولات بهداشتی ، تجهیزات هوافضا ، شناسایی نظامی و نیازهای روزانه دارد.
(1) کاربردهای مواد تغییر فاز در صنعت پزشکی
بسیاری از دستگاه های درمانی الکترونیکی پزشکی نیاز به عملکرد دما ثابت دارند ، که نیاز به استفاده از مواد ذخیره حرارتی کنترل شده با دما برای حفظ دمای عملیاتی در حد قابل قبول است. یک حق ثبت اختراع ژاپنی استفاده از مخلوطی از Naso₄10H₂O و MGSO₄7H₂O را به عنوان یک ماده تغییر فاز برای کنترل دمای اتاق ابزار ، حفظ دمای اتاق در حدود 25 درجه گزارش می دهد. ابزارهای تخصصی همچنین می توانند در بسته های گرما ساخته شده از مواد تغییر فاز برای حفظ دمای عملیاتی تعبیه شوند. در سالهای اخیر ، نوعی از گرما در بازار داخلی محبوب شده است. ماده تغییر فاز آن یک نمک هیدراته با دمای تغییر فاز تقریباً 55 درجه است. یک ورق فلزی به عنوان یک ماده بذر هسته ای عمل می کند. هنگامی که ورق فلزی به صورت دستی فشرده می شود ، سطح آن به مرکز رشد کریستال تبدیل می شود و در نتیجه باعث آزاد شدن گرما در هنگام تبلور می شود. همراه با یک کیسه حاوی برخی از داروهای سنتی چینی شناخته شده برای تحریک گردش خون ، این یک اثر درمانی ایجاد می کند ، با برخی از اثربخشی در درمان بیماری هایی مانند آرتریت روماتوئید.
(2) کاربردهای مواد تغییر فاز در ذخیره داده ها
PCM یک حافظه با کارایی بالا و غیر فرار بر اساس شیشه کالکوژنید است. این ترکیبات دارای خاصیت مهمی هستند: آنها هنگام انتقال از یک مرحله به مرحله دیگر ، مقاومت خود را تغییر می دهند. مرحله کریستالی مواد دارای مقاومت کم است ، در حالی که فاز آمورف با مقاومت بالایی است. انتقال فاز با استفاده یا حذف جریان حاصل می شود. بر خلاف حافظه غیر فرار مبتنی بر NAND ، دستگاه های PCM می توانند از تعداد نامحدودی از نویسندگان پشتیبانی کنند. دستگاه های PCM همچنین مزایایی مانند زمان پاسخ سریع دسترسی ، قابلیت تنظیم بایت و خواندن/نوشتن تصادفی را ارائه می دهند. این یکی از بسیاری از فن آوری های ذخیره سازی است که به عنوان "تغییر آینده" مورد استفاده قرار می گیرد. در سال 2017 ، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی Song Zhitang ، مدیر موسسه میکروسیستم و فناوری اطلاعات شانگهای ، در مواد حافظه تغییر فاز جدید به یک پیشرفت بزرگ دست یافت. آنها به طور خلاقانه یک استراتژی طراحی را برای مواد تغییر فاز با سرعت بالا پیشنهاد کردند و به حداقل رساندن تصادفی هسته در فیلم های نازک تغییر فاز آمورف برای دستیابی به تبلور سریع. دستگاه حافظه تغییر فاز مبتنی بر SC-SB-TE ، با استفاده از یک فرآیند 0.13 میکرومتر COMS ، به یک چرخه نوشتن با سرعت بالا با سرعت بالا از 700 پیکوز ثانیه و عمر چرخه بیش از 107 چرخه دست یافت. در مقایسه با دستگاه های معمولی GE-SB-TE ، مصرف انرژی عملیاتی آن 90 ٪ کاهش یافته است ، در حالی که حفظ داده های قابل مقایسه به مدت ده سال حفظ می شود. در سال 2018 ، تولید کننده تراشه حافظه SK Hynix تولید حافظه سه بعدی مبتنی بر PCM را آغاز کرد. SK توضیح داد که سلولهای حافظه متقاطع سه بعدی مورد استفاده در SCM از مواد تغییر فاز مبتنی بر سولفید ساخته شده اند. به تازگی ، تحقیقات IBM نشان داد که قابلیت یادگیری ماشین می تواند هزار برابر با استفاده از تراشه های آنالوگ بر اساس حافظه تغییر فاز تسریع شود. یک وبلاگ IBM نشان داد که IBM در حال ایجاد یک مرکز تحقیقاتی برای توسعه سخت افزار AI نسل بعدی و کشف پتانسیل حافظه PCM در برنامه های AI است.
