Faz değişim malzemeleri (PCM'ler), bir faz değişimi sırasında büyük miktarda enerjiyi (yani faz değişim entalpisini) emebilen veya serbest bırakabilen bir malzeme sınıfıdır. PCM'ler enerji depolamak için gizli ısıyı kullandıklarından, yüksek ısı depolama yoğunluğuna, kompakt ısı depolama cihazlarına sahiptirler ve faz değişim süreci sırasında sıcaklıkları esasen sabit kalır, bu da onları yönetmeyi kolaylaştırır. Enerji tasarrufu konusunda küresel farkındalığın artmasıyla birlikte PCM'lerin bu özelliği araştırmacıların dikkatini çekmiş ve faz değişimli termal enerji depolama teknolojisi enerji depolama alanında giderek daha fazla parlamaktadır.
I. Malzeme Teknolojisi Özelliklerine Giriş
Genel anlamda termal enerji depolama teknolojisi hem termal enerji depolamayı hem de soğuk enerji depolama teknolojilerini içerir. Termal enerji depolama teknolojisi, hassas termal enerji depolamayı ve faz değişimli termal enerji depolamayı içerir. Duyulur termal enerji depolama, termal enerjiyi depolamak/salıvermek için malzemenin kendisinin spesifik ısı kapasitesini kullanırken, faz değişimli termal enerji depolama, termal enerjiyi depolamak/salıvermek için faz değişim malzemelerinin (PCM'ler) faz değişimi sırasında ısı emme/serbest bırakma enerji dönüşüm sürecini kullanır. Faz değişimli termal enerji depolama malzemeleri, yüksek ısı depolama yoğunluğu ve ısının şarj edilmesi ve salınması sırasında küçük sıcaklık değişiklikleri gibi avantajlara sahip olup, hem yurt içinde hem de yurt dışında bilim adamlarının büyük ilgisini çekmektedir. Şu anda faz değişimli enerji depolama malzemeleri esas olarak organik, erimiş tuz, alaşım ve kompozit türleri içermektedir. Faz değişim formları temel olarak dört türdür: katı-katı, katı-sıvı, katı-gaz ve sıvı-gaz.
İdeal bir katı-sıvı faz değişim malzemesi aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:
(1) Faz değişimi sırasında önemli miktarda ısı depolamasına veya serbest bırakmasına olanak tanıyan yüksek gizli füzyon ısısı;
(2) Gereksinimleri karşılamak için uygun faz değişim sıcaklığı;
(3) Katı-sıvı faz değişiminin iyi bir şekilde tersine çevrilebilirliği, aşırı soğutma veya aşırı ısınmanın en aza indirilmesi;
(4) Katı ve sıvı fazlar arasında yüksek termal iletkenlik;
(5) Katı-sıvı faz değişim süreci sırasında minimum genleşme ve daralma;
(6) Yüksek yoğunluk ve özgül ısı kapasitesi;
(7)-Toksik olmayan ve-aşındırıcı olmayan;
(8) Düşük maliyetli ve üretimi kolaydır.
Katı-sıvı faz değişim malzemeleriyle karşılaştırıldığında, katı-katı faz değişim malzemelerinin birçok avantajı vardır. Katı-katı faz değişim malzemeleri (SCT'ler), kaplara gerek kalmadan doğrudan işlenebilir ve kalıplanabilir; küçük bir termal genleşme katsayısına sahiptirler, bu da faz geçişi sırasında minimum hacim değişikliğine neden olur; aşırı soğutma veya faz ayrımı göstermezler, bu da -aşırı soğutma önleyici maddelere ve -faz önleyici maddelere olan ihtiyacı ortadan kaldırır; çok düşük toksisiteye ve minimum düzeyde aşındırıcılığa sahiptirler; sızıntı yapmazlar-ve çevreyi kirletmezler; kararlı bir bileşime, iyi bir faz değişimi tersine çevrilebilirliğine ve uzun bir hizmet ömrüne sahiptirler; ve cihazları basit ve kullanımı kolaydır. SCT'lerin ana dezavantajları, düşük gizli faz değişim ısıları ve yüksek fiyatlarıdır. Sıvı-gaz ve katı{10}}gaz faz değiştiren malzemeler, faz geçişi sırasında büyük miktarda gazın varlığı nedeniyle önemli hacim değişiklikleriyle sonuçlanır ve bu nedenle, büyük faz değişim ısılarına rağmen pratik uygulamalarda nadiren seçilirler.
II. Faz Değiştiren Malzemelerin Uygulama Alanları
Faz değişimli enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi, esas olarak reaksiyon sıcaklıklarının kontrol edilmesi, güneş enerjisinden faydalanılması ve endüstriyel reaksiyonlardan kaynaklanan atık ısının depolanması için kullanılan, yavaş yavaş pratik uygulama aşamasına girmiştir. Düşük-sıcaklıkta enerji depolama, esas olarak atık ısı geri kazanımı, güneş enerjisi depolama ve ısıtma ve iklimlendirme sistemleri için kullanılır. Yüksek-sıcaklıkta enerji depolama, ısı motorlarında, güneş enerjisi santrallerinde, manyetohidrodinamik enerji üretiminde ve yapay uydularda kullanılır. Bu malzemelerin tekstillere enjekte edilmesi, mükemmel ısı yalıtımına sahip hafif giysiler üretebilir. Ayrıca ısıyı sıradan seramik kaplardan daha uzun süre koruyan yalıtımlı kaplar yapmak için de kullanılabilirler. Bu faz değiştiren malzemeyi içeren asfalt veya çimento kaplamalar yolların ve köprülerin buzlanmasını önleyebilir. Bu nedenle mühendislik yalıtım malzemeleri, tıbbi ve sağlık ürünleri, havacılık ekipmanları, askeri keşif ve günlük ihtiyaçlarda geniş uygulama olanaklarına sahiptir.
(I) Faz Değiştiren Malzemelerin İlaç Endüstrisinde Uygulanması Birçok tıbbi elektronik terapötik cihaz, sabit sıcaklıkta çalışmayı gerektirir; bu durum, sıcaklığı düzenlemek ve cihazların izin verilen sınırlar dahilinde çalışmasını sağlamak için sıcaklık-kontrollü ısı depolama malzemelerinin kullanılmasını gerektirir. Bir Japon patenti, NaSO4·10H2O ve MgSO4·7H2O karışımının, oda sıcaklığını yaklaşık 25 derece tutarak, alet odalarında sıcaklık kontrolü için faz değişim malzemesi olarak kullanıldığını bildirmektedir. Özel aletler, çalışma sıcaklıklarını korumak için faz değiştiren malzemelerden yapılmış ısı paketlerine de yerleştirilebilir. Son yıllarda iç piyasada bir tür ısı paketi ortaya çıktı. Faz değişim malzemesi, faz değişim sıcaklığı yaklaşık 55 derece olan hidratlanmış bir tuzdur. Çekirdeklenme tohum malzemesi olarak bir metal levha kullanılır; metal levha sıkıştırıldığında yüzeyi bir kristal büyüme merkezi haline gelir ve bu da ekzotermik kristalleşmeye neden olur. Kan dolaşımını teşvik eden bazı geleneksel Çin tıbbı torbaları ile birleştirildiğinde, romatoid artrit gibi hastalıkların tedavisinde bir miktar etkinlik göstererek terapötik bir etki elde eder.
(II) Faz Değişim Malzemelerinin Veri Depolamada Uygulanması
PCM, kalkojen cam bazlı, yüksek-performanslı,-kalıcı olmayan bir bellektir. Bu bileşiğin çok önemli bir özelliği var: direnci bir fazdan diğerine geçtiğinde değişiyor. Malzemenin kristal fazı düşük-dirençli bir fazdır, amorf faz ise yüksek-dirençli bir fazdır. Faz geçişleri akımın uygulanması veya kaldırılmasıyla sağlanır. Geleneksel NAND-tabanlı kalıcı-belleğin aksine, PCM cihazları neredeyse sınırsız yazma işlemi gerçekleştirebilir. Ayrıca PCM cihazları, kısa erişim yanıt süresi, bayt adreslenebilirliği ve rastgele okuma/yazma yetenekleri gibi avantajlar sunarak, onu "geleceğin{11}}değişen" teknolojisi olarak lanse edilen birçok depolama teknolojisinden biri haline getiriyor.
2017 yılında, Şangay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojisi Enstitüsü müdürü Song Zhitang liderliğindeki bir araştırma ekibi, yeni aşama-bellek değişimi (PCM) materyallerinde büyük bir atılım gerçekleştirdi. Yüksek-hızlı PCM malzemeleri için yenilikçi bir tasarım konsepti önerdiler; yani, amorf PCM filmleri içindeki çekirdeklenmenin rastgeleliğini azaltarak PCM malzemelerinin yüksek-hızlı kristalleşmesini sağladılar. Sc-Sb{{-Te-tabanlı PCM cihazları, 0,13 µm-CMOS işlemini kullanarak, 10⁷ döngüden daha uzun bir döngü ömrüyle 700 pikosaniyelik yüksek-hızlı, ters çevrilebilir yazma-silme işlemlerini gerçekleştirdi. Geleneksel Ge-Sb-cihazlarla karşılaştırıldığında, güç tüketimi %90 oranında azaltılırken, on yıl boyunca karşılaştırılabilir veri saklama olanağı sağlandı. 2018 yılında bellek yongası üreticisi SK Hynix, PCM{21}}tabanlı 3D çapraz nokta belleği üretmeye başladı. SK, SCM'de kullanılan bu 3 boyutlu çapraz nokta bellek hücresinin sülfür bazlı PCM malzemelerinden yapıldığını açıkladı. Son zamanlarda IBM araştırması, PCM tabanlı analog çipler kullanılarak makine öğrenimi yeteneklerinin bin kat hızlandırılabileceğini gösterdi. Bir IBM blogu, IBM'in yeni{28}}nesil yapay zeka donanımı geliştirmek ve PCM belleğinin yapay zeka alanındaki uygulama potansiyelini keşfetmek için bir araştırma merkezi kurduğunu ortaya çıkardı.
