Phasenänderungsmaterialien (PCMs) sind eine Klasse von Materialien, die während einer Phasenänderung große Energiemengen (dh Phasenänderung Enthalpie) absorbieren oder freisetzen können. Da PCMs latente Wärme verwenden, um Energie zu speichern, bieten sie eine hohe Wärmespeicherdichte, kompakte Wärmespeichergeräte und halten während des Phasenänderungsprozesses im Wesentlichen konstante Temperaturen bei, wodurch sie einfach zu verwalten sind. Mit dem wachsenden globalen Bewusstsein für die Energieeinsparung hat dieses Merkmal von PCMs die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen, und die PCM -Thermospeichertechnologie gewinnt zunehmend an die Antrieb im Energiespeicherfeld.
I. Einführung in die materiellen Technologieeigenschaften
Im Großen und Ganzen umfassen thermische Speichertechnologien Wärmespeicher und Kühlspeicher, einschließlich einer vernünftigen Wärmespeicherung und der Lagerung von Phasenwechsel. Sensible Wärmespeicher verwendet die inhärente spezifische Wärmekapazität des Materials, um Wärmeenergie zu speichern und freizusetzen, während die Phasenwechselspeicherung die Absorption und Freisetzung von Wärmeenergie während der Phasenänderung von PCMs (Phasenwechselmaterial) verwendet. PCMs mit ihrer hohen Wärmespeicherdichte und minimalen Temperaturschwankungen während des Ladung und der Entladung haben von Wissenschaftlern sowohl im Inland als auch international die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Gegenwärtig umfassen Phasenwärmestellungsmaterialien hauptsächlich organische, geschmolzene Salz-, Legierungs- und Verbundwerkstoffe. Es gibt vier Hauptphasenwechselformen: Feststoff, Feststoff-Flüssigkeit, Feststoffgas und Flüssigkeitsgas.
Ein ideales Materialsändermaterial für Festkörper-Flüssigkeitsphasen sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen:
(1) Hohe latente Fusionshitze, damit sie während der Phasenwechsel Energie speichern oder mehr Wärme freisetzen kann;
(2) geeignete Phasenwechseltemperatur, um den Bedürfnissen gerecht zu werden;
(3) gute Reversibilität der Phasenänderung der Festkörper-Flüssigkeit, die eine so weit wie möglich Überkühlung oder Überhitzung vermeiden kann;
(4) große thermische Leitfähigkeit der Feststoff-Flüssigphase;
(5) geringe Expansion und Kontraktion während der Phasenänderung der Feststoff-Flüssigkeit;
(6) hohe Dichte und spezifische Wärmekapazität von Phasenwechselmaterialien;
(7) ungiftig und nicht korrosiv;
(8) niedrige Kosten und leicht herzustellen.
Im Vergleich zu Materialdaten mit Feststoff-Flüssigkeitsphasenwechsel haben die Materialien für Feststoff-Solid-Phasenwechsel viele Vorteile. Solid-Solid-Phasenänderungsmaterialien können direkt verarbeitet und gebildet werden, ohne Behälter erforderlich zu machen. Sie haben einen niedrigen Expansionskoeffizienten und eine minimale Volumenänderung während der Phasenänderung. Sie haben keine Superkühlung oder Phasenabteilung, wodurch die Notwendigkeit von Anti-Supercooling- oder Anti-Phasen-Trennungsmitteln beseitigt wird. Sie sind auch sehr gering in Toxizität und ätzend, lecker und umweltfreundlich. Sie haben eine stabile Zusammensetzung, eine gute Phasenänderungsverkehrsfähigkeit und eine lange Lebensdauer. Sie sind einfach zu installieren und einfach zu bedienen. Die Hauptnachteile von massiven Phasenwechselmaterialien sind ihre niedrige latente Phasenwechsel und hohen Preis. Flüssiggas- und Feststoff-Gas-Phasenänderung beinhaltet während des Phasenänderungsprozesses große Mengen an Gas, was zu erheblichen Volumenänderungen führt. Daher werden sie trotz ihrer erheblichen Wärmeveränderungswärme selten in praktischen Anwendungen eingesetzt.
Ii. Anwendungen von Phasenwechselmaterialien
Die Entwicklung von Materialien für Phasenwechsel Energiespeicher ist allmählich in die praktische Stufe eingetreten, hauptsächlich zur Kontrolle der Reaktionstemperaturen, der Nutzung von Sonnenenergie und zur Speicherung von Abwärme vor industriellen Reaktionen. Die Energiespeicherung mit niedriger Temperaturen wird hauptsächlich für die Erholung von Abwärme, Solarenergiespeicher sowie Heizungs- und Klimaanlagen verwendet. Hochtemperaturenergiespeicher wird in Wärmemotoren, Solarzkraftwerken, magnetohydrodynamischer Stromerzeugung und Satelliten verwendet. Wenn Sie diese Materialien in Textilien injizieren, können Sie leichte Kleidung mit hervorragenden thermischen Isolationseigenschaften erzeugen. Sie können auch verwendet werden, um Thermoskarten zu erzeugen, die länger als gewöhnliche Keramikbecher Wärme behalten. Mit diesem Phasenänderungsmaterial infundierte Asphalt- oder Zementgruben können Vereisung auf Straßen und Brücken verhindern. Daher verfügt es über umfassende Anwendungsaussichten in technischen Isolationsmaterialien, Gesundheitsprodukten, Luft- und Raumfahrtausrüstung, militärischer Aufklärung und täglichen Notwendigkeiten.
(1) Anwendungen von Phasenwechselmaterialien in der medizinischen Branche
Viele medizinische elektronische therapeutische Geräte erfordern einen Betrieb mit konstanter Temperatur, was die Verwendung von temperaturgesteuerten Wärmespeichermaterialien erfordert, um die Betriebstemperaturen innerhalb akzeptabler Grenzen aufrechtzuerhalten. Ein japanisches Patent berichtet über die Verwendung einer Mischung aus Naso₄10H₂o und Mgso₄7h₂o als Phasenwechselmaterial für die Steuerung der Instrumentenraumtemperatur, wobei die Raumtemperatur rund 25 Grad aufrechterhalten wird. Spezialinstrumente können auch in Wärmepackungen aus Phasenwechselmaterial eingebettet werden, um die Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren ist eine Art Wärmepaket auf dem Inlandsmarkt beliebt geworden. Sein Phasenwechselmaterial ist ein hydratisiertes Salz mit einer Phasenwechseltemperatur von ungefähr 55 Grad. Ein Metallblatt dient als Keimbildungssamenmaterial. Wenn das Metallblech manuell gepresst wird, wird seine Oberfläche zum Zentrum des Kristallwachstums, was zu einer Wärmefreisetzung während der Kristallisation führt. In Kombination mit einer Tasche, die bestimmte traditionelle chinesische Medikamente enthält, von denen bekannt ist, dass sie die Durchblutung stimuliert, schafft dies eine therapeutische Wirkung mit einer gewissen Wirksamkeit bei der Behandlung von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis.
(2) Anwendungen von Phasenwechselmaterialien in der Datenspeicherung
PCM ist ein nicht flüchtiges Speicher auf Chalkogenidglas. Diese Verbindungen haben eine entscheidende Eigenschaft: Sie verändern ihren Widerstand, wenn sie von einer Phase zur anderen wechseln. Die kristalline Phase des Materials ist niedrig resistenz, während die amorphe Phase hochwidrig ist. Phasenübergänge werden durch Anwenden oder Entfernen von Strom erreicht. Im Gegensatz zum herkömmlichen nicht flüchtigen Speicher in NAND können PCM-Geräte eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Schreibvorgängen unterstützen. PCM-Geräte bieten auch Vorteile wie Schnellzugriffs-Reaktionszeit, Byteaddressivität und zufälliges Lese-/Schreiben. Es ist eine von vielen Speichertechnologien, die als "die Zukunft verändern" angepriesen werden. Im Jahr 2017 erzielte ein Forschungsteam unter der Leitung von Song Zhitang, Direktor des Shanghai-Instituts für Mikrosysteme und Informationstechnologie, einen großen Durchbruch in neuartigen Materialien für Phasenwechsel. Sie schlugen innovativ eine Entwurfsstrategie für Phasenwechselmaterialien mit hoher Geschwindigkeit vor, wodurch die Zufälligkeit der Keimbildung in amorphen Phasenwechsel-Dünnfilmen minimiert wurde, um eine schnelle Kristallisation zu erzielen. Das SC-SB-TE-basierte Phasenwechselspeichergerät, das mit einem 0,13 uM COMS-Prozess hergestellt wurde, erreichte einen reversiblen Hochgeschwindigkeits-Schreiberase-Zyklus von 700 Pikosekunden und eine Zyklusdauer von über 107 Zyklen. Im Vergleich zu herkömmlichen GE-SB-TE-Geräten wurde sein Betriebsstromverbrauch um 90%verringert und zehn Jahre lang vergleichbare Datenbindung beibehalten. Im Jahr 2018 begann der Speicherchip-Hersteller SK Hynix mit der Produktion des PCM-basierten 3D-CrossPoint-Speichers. SK erklärte, dass die in SCM verwendeten 3D-Kreuzungspunktzellen aus sulfidbasierten Phasenwechselmaterialien bestehen. Kürzlich haben IBM-Forschungsergebnisse gezeigt, dass maschinelle Lernfunktionen tausendmal mit analogen Chips basierend auf dem Phasenwechselgedächtnis beschleunigt werden können. Ein IBM-Blog enthüllte, dass IBM ein Forschungszentrum zur Entwicklung von AI-Hardware der nächsten Generation einrichten und das Potenzial des PCM-Speichers in AI-Anwendungen untersucht.
