Bahan Perubahan Fase (PCM) adalah kelas bahan yang dapat menyerap atau melepaskan energi dalam jumlah besar (yaitu, entalpi perubahan fase) selama perubahan fase. Karena PCM menggunakan panas laten untuk menyimpan energi, mereka menawarkan kepadatan penyimpanan panas yang tinggi, perangkat penyimpanan termal yang ringkas, dan mempertahankan suhu yang pada dasarnya konstan selama proses perubahan fase, membuatnya mudah dikelola. Dengan meningkatnya kesadaran global akan konservasi energi, karakteristik PCM ini telah menarik perhatian para peneliti, dan teknologi penyimpanan termal PCM semakin mendapatkan traksi di bidang penyimpanan energi.
I. Pengantar Karakteristik Teknologi Material
Secara umum, teknologi penyimpanan termal termasuk penyimpanan panas dan penyimpanan dingin, termasuk penyimpanan panas yang masuk akal dan penyimpanan perubahan fase. Penyimpanan panas yang masuk akal menggunakan kapasitas panas spesifik yang melekat pada bahan untuk menyimpan dan melepaskan energi termal, sementara penyimpanan perubahan fase menggunakan penyerapan dan pelepasan energi panas selama perubahan fase PCM (bahan perubahan fase). PCM, dengan kepadatan penyimpanan panas yang tinggi dan fluktuasi suhu minimal selama pengisian daya dan pelepasan, telah menarik perhatian luas dari para sarjana baik di dalam negeri maupun internasional. Saat ini, bahan penyimpanan panas ganti fase terutama termasuk bahan organik, garam cair, paduan dan komposit. Ada empat bentuk perubahan fase utama: padat padat, cair, gas padat dan gas cair.
Bahan perubahan fase solid-cair yang ideal harus memiliki sifat berikut:
(1) panas fusi laten tinggi, sehingga dapat menyimpan energi atau melepaskan lebih banyak panas selama perubahan fase;
(2) suhu perubahan fase yang tepat untuk memenuhi kebutuhan;
(3) reversibilitas yang baik dari perubahan fase cair-solid, yang dapat menghindari pendingin atau terlalu panas sebanyak mungkin;
(4) konduktivitas termal besar fase padat-cair;
(5) ekspansi dan kontraksi kecil selama perubahan fase solid-cair;
(6) kepadatan tinggi dan kapasitas panas spesifik bahan perubahan fase;
(7) tidak beracun dan non-korosif;
(8) Biaya rendah dan mudah diproduksi.
Dibandingkan dengan bahan perubahan fase padat-cair, bahan perubahan fase padat-padat memiliki banyak keunggulan. Bahan perubahan fase padat-padat dapat diproses secara langsung dan dibentuk tanpa perlu wadah. Mereka memiliki koefisien ekspansi yang rendah dan perubahan volume minimal selama perubahan fase. Mereka tidak mengalami supercooling atau pemisahan fase, menghilangkan kebutuhan akan agen anti-supercooling atau anti-fase. Mereka juga sangat rendah toksisitas dan korosif, bebas bocor, dan ramah lingkungan. Mereka memiliki komposisi yang stabil, reversibilitas perubahan fase yang baik, dan umur layanan yang panjang. Mereka mudah dipasang dan mudah digunakan. Kerugian utama dari bahan perubahan fase padat-padat adalah panas laten rendah dari perubahan fase dan harga tinggi. Perubahan fase gas-gas dan gas padat melibatkan sejumlah besar gas selama proses perubahan fase, menghasilkan perubahan volume yang signifikan. Oleh karena itu, terlepas dari panasnya perubahan fase yang signifikan, mereka jarang digunakan dalam aplikasi praktis.
Ii. Aplikasi bahan perubahan fase
Pengembangan bahan penyimpanan energi perubahan fase secara bertahap memasuki tahap praktis, terutama untuk mengendalikan suhu reaksi, memanfaatkan energi matahari, dan menyimpan panas limbah dari reaksi industri. Penyimpanan energi suhu rendah terutama digunakan untuk pemulihan panas limbah, penyimpanan energi matahari, dan sistem pemanas dan pendingin udara. Penyimpanan energi suhu tinggi digunakan dalam mesin panas, pembangkit listrik tenaga surya, pembangkit listrik magnetohidrodinamik, dan satelit. Menyuntikkan bahan -bahan ini ke dalam tekstil dapat membuat pakaian ringan dengan sifat isolasi termal yang sangat baik. Mereka juga dapat digunakan untuk membuat gelas termos yang mempertahankan panas lebih lama dari gelas keramik biasa. Trotoar asphalt atau semen yang diresapi dengan bahan perubahan fase ini dapat mencegah lapisan gula di jalan dan jembatan. Oleh karena itu, ia memiliki prospek aplikasi yang luas dalam bahan insulasi teknik, produk perawatan kesehatan, peralatan kedirgantaraan, pengintaian militer, dan kebutuhan harian.
(1) Aplikasi bahan perubahan fase di industri medis
Banyak perangkat terapi elektronik medis membutuhkan operasi suhu yang konstan, mengharuskan penggunaan bahan penyimpanan panas yang dikendalikan suhu untuk menjaga suhu operasi dalam batas yang dapat diterima. Paten Jepang melaporkan penggunaan campuran naso₄10h₂o dan mgso₄7h₂o sebagai bahan perubahan fase untuk kontrol suhu kamar instrumen, menjaga suhu kamar sekitar 25 derajat. Instrumen khusus juga dapat tertanam dalam paket panas yang terbuat dari bahan perubahan fase untuk menjaga suhu operasi. Dalam beberapa tahun terakhir, jenis paket panas telah menjadi populer di pasar domestik. Bahan perubahan fase-nya adalah garam terhidrasi dengan suhu perubahan fase sekitar 55 derajat. Lembaran logam berfungsi sebagai bahan benih nukleasi. Ketika lembaran logam diperas secara manual, permukaannya menjadi pusat pertumbuhan kristal, menghasilkan pelepasan panas selama kristalisasi. Dikombinasikan dengan kantong yang mengandung obat -obatan tradisional Cina tertentu yang diketahui merangsang sirkulasi darah, ini menciptakan efek terapeutik, dengan beberapa kemanjuran dalam mengobati penyakit seperti rheumatoid arthritis.
(2) Aplikasi material perubahan fase dalam penyimpanan data
PCM adalah memori berkinerja tinggi, tidak mudah menguap berdasarkan kaca chalcogenide. Senyawa -senyawa ini memiliki sifat penting: mereka mengubah perlawanan mereka saat mereka beralih dari satu fase ke fase lainnya. Fase kristal material adalah resistensi rendah, sedangkan fase amorf adalah resistensi tinggi. Transisi fase dicapai dengan menerapkan atau menghapus arus. Tidak seperti memori non-volatile berbasis NAND tradisional, perangkat PCM dapat mendukung sejumlah tulisan yang hampir tidak terbatas. Perangkat PCM juga menawarkan keuntungan seperti waktu respons akses cepat, penambah byte, dan baca/tulis acak. Ini adalah salah satu dari banyak teknologi penyimpanan yang disebut -sebut sebagai "mengubah masa depan." Pada 2017, tim peneliti yang dipimpin oleh Song Zhitang, direktur Shanghai Institute of Microsystem dan Informasi Teknologi, mencapai terobosan besar dalam bahan memori fase-perubahan baru. Mereka secara inovatif mengusulkan strategi desain untuk bahan perubahan fase berkecepatan tinggi, meminimalkan keacakan nukleasi dalam film tipis perubahan fase amorf untuk mencapai kristalisasi cepat. Perangkat memori fase-perubahan berbasis SC-SB-TE, dibuat menggunakan proses COMS 0,13 μm, mencapai siklus penulisan reversibel berkecepatan tinggi dari 700 picoseconds dan masa pakai siklus lebih dari 107 siklus. Dibandingkan dengan perangkat GE-SB-TE konvensional, konsumsi daya operasinya berkurang 90%, sambil mempertahankan retensi data yang sebanding selama sepuluh tahun. Pada tahun 2018, produsen chip memori SK Hynix memulai produksi memori silang 3D berbasis PCM. SK menjelaskan bahwa sel memori silang 3D yang digunakan dalam SCM terbuat dari bahan perubahan fase berbasis sulfida. Baru-baru ini, IBM Research menunjukkan bahwa kemampuan pembelajaran mesin dapat dipercepat seribu kali lipat menggunakan chip analog berdasarkan memori fase-perubahan. Sebuah blog IBM mengungkapkan bahwa IBM membangun pusat penelitian untuk mengembangkan perangkat keras AI generasi berikutnya dan mengeksplorasi potensi memori PCM dalam aplikasi AI.
