Bahan perubahan fasa (PCM) ialah kelas bahan yang boleh menyerap atau membebaskan sejumlah besar tenaga (iaitu, entalpi perubahan fasa) semasa perubahan fasa. Oleh kerana PCM menggunakan haba pendam untuk penyimpanan tenaga, ia mempunyai ketumpatan storan haba yang tinggi, peranti storan haba padat, dan suhunya pada asasnya kekal malar semasa proses perubahan fasa, menjadikannya mudah untuk diurus. Dengan peningkatan kesedaran global tentang pemuliharaan tenaga, ciri PCM ini telah menarik perhatian penyelidik, dan perubahan fasa teknologi penyimpanan tenaga haba semakin bersinar dalam bidang penyimpanan tenaga.
I. Pengenalan kepada Ciri-ciri Teknologi Bahan
Secara umum, teknologi storan tenaga haba merangkumi kedua-dua storan tenaga haba dan teknologi storan tenaga sejuk. Teknologi storan tenaga terma termasuk storan tenaga terma yang waras dan storan tenaga terma perubahan fasa. Penyimpanan tenaga haba yang sensitif menggunakan kapasiti haba khusus bahan itu sendiri untuk menyimpan/melepaskan tenaga haba, manakala storan tenaga haba perubahan fasa menggunakan proses penukaran tenaga penyerapan/pelepasan haba semasa perubahan fasa bahan perubahan fasa (PCM) untuk menyimpan/melepaskan tenaga haba. Bahan storan tenaga terma perubahan fasa mempunyai kelebihan seperti ketumpatan penyimpanan haba yang tinggi dan perubahan suhu yang kecil semasa pengecasan dan pelepasan haba, menarik perhatian meluas daripada para sarjana di dalam dan di luar negara. Pada masa ini, bahan simpanan tenaga perubahan fasa terutamanya termasuk jenis organik, garam cair, aloi dan komposit. Bentuk perubahan fasa mereka terutamanya empat jenis: pepejal-pepejal, pepejal-cecair, pepejal-gas dan cecair-gas.
Bahan perubahan fasa cecair pepejal{0}}ideal harus mempunyai sifat berikut:
(1) Haba pendam pelakuran yang tinggi, membolehkannya menyimpan atau membebaskan sejumlah besar haba semasa perubahan fasa;
(2) Suhu perubahan fasa yang sesuai untuk memenuhi keperluan;
(3) Kebolehbalikan yang baik bagi-perubahan fasa cecair pepejal, meminimumkan terlalu sejuk atau terlalu panas;
(4) Kekonduksian haba yang tinggi antara fasa pepejal dan cecair;
(5) Pengembangan dan pengecutan minimum semasa proses perubahan fasa cecair pepejal-;
(6) Ketumpatan tinggi dan kapasiti haba tentu;
(7) Tidak-toksik dan tidak-menghakis;
(8) Kos rendah dan mudah dibuat.
Berbanding dengan pepejal-bahan perubahan fasa cecair, pepejal-bahan perubahan fasa pepejal mempunyai banyak kelebihan. Pepejal-bahan perubahan fasa pepejal (SCT) boleh diproses terus dan dibentuk tanpa memerlukan bekas; mereka mempunyai pekali pengembangan terma yang kecil, mengakibatkan perubahan volum minimum semasa peralihan fasa; ia tidak mempamerkan supercooling atau pemisahan fasa, menghapuskan keperluan untuk anti-agen supercooling dan anti-agen pemisah fasa; ia mempunyai ketoksikan yang sangat rendah dan kekakisan yang minimum; ia bebas kebocoran-dan tidak mencemarkan alam sekitar; mereka mempunyai komposisi yang stabil, kebolehbalikan perubahan fasa yang baik, dan hayat perkhidmatan yang panjang; dan peranti mereka ringkas dan mudah digunakan. Kelemahan utama SCT ialah haba pendam perubahan fasa yang rendah dan harga yang tinggi. Bahan perubahan fasa gas-cecair dan pepejal-gas, disebabkan kehadiran sejumlah besar gas semasa peralihan fasa, mengakibatkan perubahan volum yang ketara, dan oleh itu, walaupun haba perubahan fasanya yang besar, ia jarang dipilih dalam aplikasi praktikal.
II. Kawasan Aplikasi Bahan Perubahan Fasa
Pembangunan bahan storan tenaga perubahan fasa telah secara beransur-ansur memasuki peringkat aplikasi praktikal, terutamanya digunakan untuk mengawal suhu tindak balas, menggunakan tenaga suria, dan menyimpan haba sisa daripada tindak balas industri. Penyimpanan tenaga suhu-rendah digunakan terutamanya untuk pemulihan haba sisa, penyimpanan tenaga suria dan sistem pemanasan dan penyaman udara. Storan tenaga suhu tinggi-digunakan dalam enjin haba, loji tenaga suria, penjanaan kuasa magnetohidrodinamik dan satelit buatan. Menyuntik bahan-bahan ini ke dalam tekstil boleh menghasilkan pakaian ringan dengan penebat haba yang sangat baik. Ia juga boleh digunakan untuk membuat cawan terlindung yang mengekalkan haba lebih lama daripada cawan seramik biasa. Turapan asfalt atau simen yang mengandungi bahan perubahan fasa ini boleh menghalang jalan dan jambatan daripada ais. Oleh itu, ia mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam bahan penebat kejuruteraan, produk perubatan dan penjagaan kesihatan, peralatan aeroangkasa, peninjauan ketenteraan dan keperluan harian.
(I) Penggunaan Bahan Perubahan Fasa dalam Industri Farmaseutikal Banyak peranti terapeutik elektronik perubatan memerlukan operasi suhu yang berterusan, yang memerlukan penggunaan-bahan penyimpanan haba terkawal suhu untuk mengawal suhu dan memastikan instrumen beroperasi dalam had yang dibenarkan. Paten Jepun melaporkan penggunaan campuran NaSO4·10H2O dan MgSO4·7H2O sebagai bahan perubahan fasa untuk kawalan suhu dalam bilik instrumen, mengekalkan suhu bilik lebih kurang 25 darjah . Instrumen khas juga boleh dimasukkan ke dalam pek haba yang diperbuat daripada bahan perubahan fasa untuk mengekalkan suhu operasinya. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sejenis pek haba telah muncul di pasaran domestik. Bahan perubahan fasanya ialah garam terhidrat dengan suhu perubahan fasa sekitar 55 darjah . Lembaran logam digunakan sebagai bahan benih nukleasi; apabila kepingan logam diperah, permukaannya menjadi pusat pertumbuhan kristal, mengakibatkan penghabluran eksotermik. Digabungkan dengan beg perubatan tradisional Cina tertentu yang menggalakkan peredaran darah, ia mencapai kesan terapeutik, menunjukkan beberapa keberkesanan dalam merawat penyakit seperti rheumatoid arthritis.
(II) Aplikasi Bahan Perubahan Fasa dalam Penyimpanan Data
PCM ialah memori-berprestasi tinggi,{{1}tidak menentu berdasarkan kaca chalcogenide. Kompaun ini mempunyai ciri penting: rintangannya berubah apabila ia bergerak dari satu fasa ke fasa yang lain. Fasa kristal bahan ialah fasa rintangan-rendah, manakala fasa amorfus ialah fasa rintangan-tinggi. Peralihan fasa dicapai dengan menggunakan atau mengeluarkan arus. Tidak seperti memori tidak menentu-berasaskan NAND tradisional, peranti PCM boleh mencapai penulisan yang hampir tidak terhad. Tambahan pula, peranti PCM menawarkan kelebihan seperti masa respons akses yang singkat, kebolehalamatan bait dan keupayaan baca/tulis rawak, menjadikannya salah satu daripada banyak teknologi storan yang disebut-sebut sebagai teknologi "berubah{11}}masa hadapan.
Pada tahun 2017, pasukan penyelidik yang diketuai oleh Song Zhitang, pengarah Institut Mikrosistem dan Teknologi Maklumat Shanghai, mencapai kejayaan besar dalam fasa novel-bahan perubahan memori (PCM). Mereka secara inovatif mencadangkan konsep reka bentuk untuk-bahan PCM berkelajuan tinggi, iaitu, mencapai-penghabluran bahan PCM berkelajuan tinggi dengan mengurangkan rawak nukleasi dalam filem PCM amorf. Dengan menggunakan proses 0.13µm-CMOS, peranti PCM berasaskan Sc-Sb-Te-mencapai -kelajuan tinggi tulis boleh balik-operasi pemadaman 700 picosaat dengan hayat kitaran lebih daripada 10⁷ kitaran. Berbanding peranti Ge-Sb-Te tradisional, penggunaan kuasanya dikurangkan sebanyak 90%, sambil mengekalkan pengekalan data yang setanding selama sepuluh tahun. Pada tahun 2018, pengeluar cip memori SK Hynix mula menghasilkan memori titik silang 3D berasaskan PCM-. SK menjelaskan bahawa sel memori titik silang 3D ini, yang digunakan dalam SCM, diperbuat daripada-bahan PCM berasaskan sulfida. Baru-baru ini, penyelidikan IBM menunjukkan bahawa keupayaan pembelajaran mesin boleh dipercepatkan seribu kali ganda dengan menggunakan cip analog berdasarkan PCM. Blog IBM mendedahkan bahawa IBM sedang menubuhkan pusat penyelidikan untuk membangunkan-perkakasan AI generasi seterusnya dan meneroka potensi aplikasi memori PCM dalam medan AI.
