Vật liệu thay đổi pha (PCM) là một loại vật liệu có thể hấp thụ hoặc giải phóng một lượng lớn năng lượng (nghĩa là entanpy thay đổi pha) trong quá trình thay đổi pha. Do PCM sử dụng nhiệt tiềm ẩn để lưu trữ năng lượng, chúng cung cấp mật độ lưu trữ nhiệt cao, các thiết bị lưu trữ nhiệt nhỏ gọn và duy trì nhiệt độ không đổi trong quá trình thay đổi pha, giúp chúng dễ dàng quản lý. Với nhận thức toàn cầu về bảo tồn năng lượng ngày càng tăng, đặc điểm của PCM này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và công nghệ lưu trữ nhiệt PCM đang ngày càng đạt được sức hút trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
I. Giới thiệu về đặc điểm công nghệ vật chất
Nói rộng ra, các công nghệ lưu trữ nhiệt bao gồm lưu trữ nhiệt và lưu trữ lạnh, bao gồm lưu trữ nhiệt hợp lý và lưu trữ thay đổi pha. Lưu trữ nhiệt hợp lý sử dụng công suất nhiệt riêng cố định của vật liệu để lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt, trong khi lưu trữ thay đổi pha sử dụng sự hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt trong quá trình thay đổi pha của PCM (vật liệu thay đổi pha). PCM, với mật độ lưu trữ nhiệt cao và dao động nhiệt độ tối thiểu trong quá trình sạc và xả, đã thu hút sự chú ý rộng rãi từ các học giả cả trong nước và quốc tế. Hiện tại, vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha chủ yếu bao gồm các vật liệu hữu cơ, muối nóng chảy, hợp kim và composite. Có bốn hình thức thay đổi pha chính: rắn rắn, chất lỏng rắn, khí rắn và khí lỏng.
Một vật liệu thay đổi pha rắn-lỏng lý tưởng nên có các thuộc tính sau:
(1) nhiệt độ trung bình tiềm ẩn cao, để nó có thể lưu trữ năng lượng hoặc giải phóng nhiều nhiệt hơn trong quá trình thay đổi pha;
(2) nhiệt độ thay đổi pha thích hợp để đáp ứng nhu cầu;
(3) khả năng đảo ngược tốt của sự thay đổi pha chất lỏng, có thể tránh quá mức hoặc quá nóng càng nhiều càng tốt;
(4) độ dẫn nhiệt lớn của pha chất lỏng-lỏng;
(5) mở rộng và co thắt nhỏ trong quá trình thay đổi pha chất lỏng-lỏng;
(6) mật độ cao và khả năng nhiệt riêng của vật liệu thay đổi pha;
(7) không độc hại và không ăn mòn;
(8) Chi phí thấp và dễ sản xuất.
So với vật liệu thay đổi pha chất lỏng-lỏng, vật liệu thay đổi pha rắn rắn có nhiều lợi thế. Vật liệu thay đổi pha rắn rắn có thể được xử lý trực tiếp và hình thành mà không cần các thùng chứa. Chúng có hệ số mở rộng thấp và thay đổi khối lượng tối thiểu trong quá trình thay đổi pha. Họ không gặp phải sự phân tách siêu lạnh hoặc tách pha, loại bỏ sự cần thiết của các tác nhân phân tách chống tăng cường hoặc chống pha. Chúng cũng rất ít độc tính và ăn mòn, không bị rò rỉ và thân thiện với môi trường. Họ có một thành phần ổn định, khả năng đảo ngược thay đổi pha tốt và tuổi thọ dài. Chúng đơn giản để cài đặt và dễ sử dụng. Nhược điểm chính của vật liệu thay đổi pha rắn rắn là nhiệt độ thấp của sự thay đổi pha và giá cao. Thay đổi pha khí và khí rắn liên quan đến một lượng lớn khí trong quá trình thay đổi pha, dẫn đến thay đổi thể tích đáng kể. Do đó, mặc dù nhiệt thay đổi pha đáng kể của chúng, chúng hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng thực tế.
Ii. Ứng dụng của vật liệu thay đổi pha
Sự phát triển của vật liệu lưu trữ năng lượng thay đổi pha đã dần dần bước vào giai đoạn thực tế, chủ yếu để kiểm soát nhiệt độ phản ứng, sử dụng năng lượng mặt trời và lưu trữ nhiệt thải từ các phản ứng công nghiệp. Lưu trữ năng lượng nhiệt độ thấp chủ yếu được sử dụng để thu hồi nhiệt chất thải, lưu trữ năng lượng mặt trời, và hệ thống sưởi ấm và điều hòa không khí. Lưu trữ năng lượng nhiệt độ cao được sử dụng trong động cơ nhiệt, nhà máy năng lượng mặt trời, phát điện từ tính và vệ tinh. Việc tiêm các vật liệu này vào hàng dệt có thể tạo ra quần áo nhẹ với đặc tính cách nhiệt tuyệt vời. Chúng cũng có thể được sử dụng để tạo ra các cốc nhiệt giữ nhiệt lâu hơn so với cốc gốm thông thường. Asphalt hoặc vỉa hè truyền vào vật liệu thay đổi pha này có thể ngăn chặn đóng băng trên đường và cầu. Do đó, nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong vật liệu cách nhiệt kỹ thuật, các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, thiết bị hàng không vũ trụ, trinh sát quân sự và nhu yếu phẩm hàng ngày.
(1) Các ứng dụng của vật liệu thay đổi pha trong ngành y tế
Nhiều thiết bị điều trị điện tử y tế yêu cầu vận hành nhiệt độ liên tục, đòi hỏi phải sử dụng vật liệu lưu trữ nhiệt kiểm soát nhiệt độ để duy trì nhiệt độ hoạt động trong các giới hạn chấp nhận được. Bằng sáng chế của Nhật Bản báo cáo việc sử dụng hỗn hợp NASO₄10H₂O và MGSO₄7H₂O làm vật liệu thay đổi pha để kiểm soát nhiệt độ phòng thiết bị, duy trì nhiệt độ phòng khoảng 25 độ. Các dụng cụ đặc biệt cũng có thể được nhúng trong các gói nhiệt làm từ vật liệu thay đổi pha để duy trì nhiệt độ hoạt động. Trong những năm gần đây, một loại gói nhiệt đã trở nên phổ biến trên thị trường nội địa. Vật liệu thay đổi pha của nó là một loại muối ngậm nước với nhiệt độ thay đổi pha khoảng 55 độ. Một tấm kim loại phục vụ như một vật liệu hạt tạo mầm. Khi tấm kim loại được ép thủ công, bề mặt của nó trở thành trung tâm của sự phát triển tinh thể, dẫn đến giải phóng nhiệt trong quá trình kết tinh. Kết hợp với một túi chứa một số loại thuốc truyền thống của Trung Quốc được biết đến để kích thích lưu thông máu, điều này tạo ra hiệu quả điều trị, với một số hiệu quả trong điều trị các bệnh như viêm khớp dạng thấp.
(2) Các ứng dụng của các vật liệu thay đổi pha trong lưu trữ dữ liệu
PCM là bộ nhớ hiệu suất cao, không bay hơi dựa trên thủy tinh chalcogenide. Các hợp chất này có một đặc tính quan trọng: chúng thay đổi điện trở khi chúng chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác. Pha tinh thể của vật liệu là độ bền thấp, trong khi pha vô định hình là độ bền cao. Chuyển đổi pha đạt được bằng cách áp dụng hoặc loại bỏ dòng điện. Không giống như bộ nhớ không bay hơi dựa trên NAND truyền thống, các thiết bị PCM có thể hỗ trợ số lượng ghi gần như không giới hạn. Các thiết bị PCM cũng cung cấp các lợi thế như thời gian phản hồi truy cập nhanh, khả năng giải quyết byte và đọc/ghi ngẫu nhiên. Đây là một trong nhiều công nghệ lưu trữ được quảng cáo là "thay đổi tương lai". Vào năm 2017, một nhóm nghiên cứu do Song Zhitang, giám đốc của Viện Microsystem và Công nghệ thông tin Thượng Hải dẫn đầu, đã đạt được một bước đột phá lớn trong các tài liệu bộ nhớ thay đổi pha mới. Họ đã đề xuất một cách sáng tạo một chiến lược thiết kế cho các vật liệu thay đổi pha cao, giảm thiểu tính ngẫu nhiên của quá trình tạo mầm trong các màng mỏng thay đổi pha vô định hình để đạt được sự kết tinh nhanh chóng. Thiết bị bộ nhớ thay đổi pha dựa trên SC-SB-TE, được chế tạo bằng quy trình COMS 0,13MM, đạt được chu kỳ erase có thể đảo ngược tốc độ cao là 700 picoseconds và tuổi thọ chu kỳ trên 107 chu kỳ. So với các thiết bị GE-SB-Te thông thường, mức tiêu thụ năng lượng hoạt động của nó đã giảm 90%, trong khi vẫn duy trì khả năng lưu giữ dữ liệu tương đương trong mười năm. Vào năm 2018, nhà sản xuất chip bộ nhớ SK Hynix đã bắt đầu sản xuất bộ nhớ 3D dựa trên PCM. SK giải thích rằng các tế bào bộ nhớ Crosspoint 3D được sử dụng trong SCM được làm bằng các vật liệu thay đổi pha dựa trên sulfide. Gần đây, nghiên cứu của IBM đã chứng minh rằng khả năng học máy có thể được tăng tốc gấp ngàn lần bằng cách sử dụng các chip tương tự dựa trên bộ nhớ thay đổi pha. Một blog của IBM tiết lộ rằng IBM đang thành lập một trung tâm nghiên cứu để phát triển phần cứng AI thế hệ tiếp theo và khám phá tiềm năng của bộ nhớ PCM trong các ứng dụng AI.
