Faz değişimi malzemeleri (PCM'ler), bir faz değişikliği sırasında büyük miktarda enerjiyi (yani faz değişimi entalpisi) emebilen veya serbest bırakabilen bir malzeme sınıfıdır. PCM'ler enerji depolamak için gizli ısıyı kullandığından, yüksek ısı depolama yoğunluğu, kompakt termal depolama cihazları sunar ve faz değişim işlemi sırasında esasen sabit sıcaklığı korurlar, bu da yönetilmelerini kolaylaştırır. Enerji tasarrufu konusunda artan küresel farkındalık ile PCMS'nin bu özelliği araştırmacıların dikkatini çekmiştir ve PCM termal depolama teknolojisi enerji depolama alanında giderek daha fazla çekiş kazanmaktadır.
I. Malzeme teknolojisine giriş
Genel olarak, termal depolama teknolojileri, mantıklı ısı depolama ve faz değişim depolama dahil olmak üzere ısı depolama ve soğuk depolama içerir. Duyarlı ısı depolama, termal enerjiyi depolamak ve salmak için malzemenin doğal spesifik ısı kapasitesini kullanırken, faz değişimi depolama PCM'lerin (faz değişim malzemeleri) faz değişimi sırasında ısı enerjisinin emilimini ve salınmasını kullanır. PCMS, yük ve deşarj sırasında yüksek ısı depolama yoğunluğu ve minimum sıcaklık dalgalanmaları ile hem yurt içinde hem de uluslararası alanlardan yaygın olarak dikkat çekmiştir. Şu anda, faz değişimi ısı depolama malzemeleri esas olarak organik, erimiş tuz, alaşım ve kompozit malzemeleri içerir. Dört ana faz değişim formu vardır: katı-katı, katı-sıvı, katı gaz ve sıvı gaz.
İdeal bir katı-sıvı faz değişim malzemesi aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:
(1) yüksek gizli füzyon ısısı, böylece faz değişimi sırasında enerji depolayabilir veya daha fazla ısı salabilir;
(2) ihtiyaçları karşılamak için uygun faz değişim sıcaklığı;
(3) olabildiğince fazla soğumayı veya aşırı ısınmayı önleyebilen katı-sıvı faz değişiminin iyi tersinirliği;
(4) katı-sıvı fazının büyük termal iletkenliği;
(5) katı-sıvı faz değişikliği sırasında küçük genişleme ve kasılma;
(6) faz değişim malzemelerinin yüksek yoğunluk ve spesifik ısı kapasitesi;
(7) toksik olmayan ve koruyucu olmayan;
(8) Düşük maliyet ve üretimi kolay.
Katı-sıvı faz değişim malzemeleriyle karşılaştırıldığında, katı katı faz değişim malzemelerinin birçok avantajı vardır. Katı-katı faz değişim malzemeleri, kaplara ihtiyaç duyulmadan doğrudan işlenebilir ve oluşturulabilir. Faz değişimi sırasında düşük bir genişleme katsayısına ve minimal hacim değişimine sahiptirler. Aşırı soğutma veya faz ayrımı yaşamazlar, bu anti-süper soğutma veya faz anti-faz ayırma ajanlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırırlar. Ayrıca toksisite ve aşındırıcı, sızıntısız ve çevre dostu çok düşüktür. Kararlı bir bileşime, iyi faz değişiminin tersine çevrilebilirliğine ve uzun bir hizmet ömrüne sahiptirler. Kurulumu basit ve kullanımı kolaydır. Katı katı faz değişim malzemelerinin ana dezavantajları, düşük gizli faz değişim ısısı ve yüksek fiyattır. Sıvı gaz ve katı gaz fazı değişimi, faz değişim işlemi sırasında büyük miktarlarda gaz içerir ve bu da önemli hacim değişikliklerine neden olur. Bu nedenle, önemli faz değişim ısısına rağmen, pratik uygulamalarda nadiren kullanılırlar.
İi. Faz Değişikliği Malzemelerinin Uygulamaları
Faz değişimi enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi, öncelikle reaksiyon sıcaklıklarını kontrol etmek, güneş enerjisi kullanmak ve atık ısının endüstriyel reaksiyonlardan depolanması için pratik aşamaya yavaş yavaş girmiştir. Düşük sıcaklık enerji depolama öncelikle atık ısısı geri kazanımı, güneş enerjisi depolama, ısıtma ve klima sistemleri için kullanılır. Yüksek sıcaklıkta enerji depolama, ısı motorlarında, güneş enerjisi santrallerinde, manyetohidrodinamik güç üretiminde ve uydularda kullanılır. Bu malzemelerin tekstillere enjekte edilmesi, mükemmel termal yalıtım özelliklerine sahip hafif giysiler oluşturabilir. Ayrıca ısıyı sıradan seramik bardaklardan daha uzun süre koruyan termos bardakları oluşturmak için de kullanılabilirler. Bu faz değişim malzemesi ile aşılanmış asfalt veya çimento kaplamaları yollarda ve köprülerde buzlanmayı önleyebilir. Bu nedenle, mühendislik yalıtım materyalleri, sağlık ürünleri, havacılık ekipmanı, askeri keşif ve günlük ihtiyaçlarda geniş uygulama beklentileri vardır.
(1) Tıp endüstrisindeki faz değişim malzemelerinin uygulamaları
Birçok tıbbi elektronik terapötik cihaz, sabit sıcaklık çalışması gerektirir, bu da kabul edilebilir sınırlar içinde çalışma sıcaklıklarını korumak için sıcaklık kontrollü ısı depolama malzemelerinin kullanılmasını gerektirir. Bir Japon patenti, enstrüman odası sıcaklığı kontrolü için bir faz değişikliği malzemesi olarak Naso₄10h₂o ve mgso₄7h₂o karışımının kullanımını 25 derece yaklaşık oda sıcaklığını koruyarak bildirir. Özel enstrümanlar, çalışma sıcaklıklarını korumak için faz değişim malzemelerinden yapılmış ısı paketlerine de gömülebilir. Son yıllarda, iç pazarda bir tür ısı paketi popüler hale geldi. Faz değişim malzemesi, yaklaşık 55 derecelik faz değişim sıcaklığına sahip hidratlanmış bir tuzdur. Metal bir tabaka çekirdeklenme tohumu malzemesi olarak işlev görür. Metal tabaka manuel olarak sıkıldığında, yüzeyi kristal büyümenin merkezi haline gelir ve kristalizasyon sırasında ısı salımı ile sonuçlanır. Kan dolaşımını uyardığı bilinen bazı geleneksel Çin ilaçlarını içeren bir torba ile birleştirildiğinde, bu, romatoid artrit gibi hastalıkların tedavisinde bazı etkinlik ile terapötik bir etki yaratır.
(2) Veri deposundaki faz değişim malzemelerinin uygulamaları
PCM, kalkojenit camına dayanan yüksek performanslı, uçucu olmayan bir bellektir. Bu bileşiklerin çok önemli bir özelliği vardır: bir fazdan diğerine geçerken dirençlerini değiştirirler. Malzemenin kristal fazı düşük dirençlidir, amorf faz yüksek dirençlidir. Faz geçişleri akım uygulanarak veya çıkarılarak elde edilir. Geleneksel NAND tabanlı uçucu olmayan bellekten farklı olarak, PCM cihazları neredeyse sınırsız sayıda yazmayı destekleyebilir. PCM cihazları ayrıca hızlı erişim yanıt süresi, bayt adreslenebilirlik ve rastgele okuma/yazma gibi avantajlar da sunar. "Geleceği değiştirme" olarak lanse edilen birçok depolama teknolojisinden biridir. 2017 yılında, Şangay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojisi Enstitüsü Direktörü Song Zhitang liderliğindeki bir araştırma ekibi, yeni faz değişikliği bellek materyallerinde büyük bir atılım yaptı. Hızlı kristalizasyon elde etmek için amorf faz değişikliği ince filmlerdeki çekirdeklenmenin rastgele olmasını en aza indirerek, yüksek hızlı faz değişim malzemeleri için bir tasarım stratejisi önerdiler. 0.13 um COMS işlemi kullanılarak üretilen SC-SB-TE tabanlı faz değişim bellek cihazı, 700 pikosaniye yüksek hızlı geri dönüşümlü bir yazma döngüsü ve 107'den fazla döngü ömrü elde etti. Geleneksel GE-SB-TE cihazlarına kıyasla, çalışma güç tüketimi%90 azalırken, on yıl boyunca karşılaştırılabilir veri tutma sürdürüldü. 2018 yılında, bellek yongası üreticisi SK Hynix, PCM tabanlı 3D çapraz nokta belleğinin üretimine başladı. SK, SCM'de kullanılan 3D çapraz nokta bellek hücrelerinin sülfür bazlı faz değişim malzemelerinden yapıldığını açıkladı. Son zamanlarda IBM Research, makine öğrenme yeteneklerinin, faz değişim belleğine dayanan analog çipler kullanılarak bin kat hızlandırılabileceğini gösterdi. Bir IBM blogu, IBM'in yeni nesil AI donanımı geliştirmek ve AI uygulamalarında PCM belleğinin potansiyelini keşfetmek için bir araştırma merkezi kurduğunu ortaya koydu.
