חומרי שינוי שלב (PCM) הם סוג של חומרים שיכולים לספוג או לשחרר כמויות גדולות של אנרגיה (כלומר, אנטלפיה של שינוי שלב) במהלך שינוי שלב. מכיוון ש- PCMs משתמשים בחום סמוי לאחסון אנרגיה, הם מציעים צפיפות אחסון חום גבוהה, התקני אחסון תרמי קומפקטי ושומרים על טמפרטורה קבועה במהותה במהלך תהליך שינוי הפאזה, מה שמקל עליהם לניהול. עם המודעות הגלובלית ההולכת וגוברת לשימור האנרגיה, מאפיין זה של PCMS משך את תשומת ליבם של החוקרים, וטכנולוגיית האחסון התרמי של PCM צוברת יותר ויותר משיכה בתחום אחסון האנרגיה.
I. מבוא למאפייני טכנולוגיה חומרית
באופן כללי, טכנולוגיות אחסון תרמיות כוללות אחסון חום ואחסון קר, כולל אחסון חום הגיוני ואחסון לשינוי שלב. אחסון חום הגיוני מנצל את יכולת החום הספציפית המובנית של החומר כדי לאחסן ולשחרר אנרגיה תרמית, ואילו אחסון לשינוי פאזות משתמש בספיגה ושחרור אנרגיית החום במהלך שינוי הפאזות של PCMs (חומרי שינוי פאזות). PCMs, עם צפיפות אחסון החום הגבוהה שלהם ותנודות הטמפרטורה המינימליות במהלך המטען והפריקה, משכו תשומת לב רחבה של חוקרים הן מבית והן בינלאומית. נכון לעכשיו, חומרי אחסון חום משנים שלב כוללים בעיקר חומרים אורגניים, מלח מותך, סגסוגת וחומרים מורכבים. ישנן ארבע צורות שינוי שלב עיקרי: מוצק מוצק, נוזל מוצק, גז מוצק וגז נוזלי.
חומר לשינוי פאזה מוצקה נוזלית אידיאלית צריך להיות בעל המאפיינים הבאים:
(1) חום פיוז'ן סמוי גבוה, כך שהוא יכול לאחסן אנרגיה או לשחרר יותר חום במהלך שינוי פאזה;
(2) טמפרטורת שינוי שלב מתאימה כדי לענות על הצרכים;
(3) הפיכות טובה של שינוי שלב נוזלי מוצק, שיכול להימנע מקירוי יתר או התחממות יתר ככל האפשר;
(4) מוליכות תרמית גדולה של שלב נוזלי מוצק;
(5) התרחבות והתכווצות קטנות במהלך שינוי שלב נוזלי מוצק;
(6) צפיפות גבוהה ויכולת חום ספציפית של חומרי שינוי פאזה;
(7) לא רעיל ולא מאכל;
(8) עלות נמוכה וקל לייצור.
בהשוואה לחומרים לשינוי שלב נוזלי מוצק, לחומרים לשינוי פאזה מוצקה-מוצק יש יתרונות רבים. ניתן לעבד ולהקים ישירות את החומרים בשלב שלב מוצק ללא צורך במכולות. יש להם מקדם התרחבות נמוך ושינוי נפח מינימלי במהלך שינוי פאזה. הם לא חווים קירור-על או הפרדת פאזות, ומבטלים את הצורך בסוכני הפרדה נגד קירור או אנטי-פאזה. הם גם דלים מאוד ברעילות ובאשר מאכל, נטול דליפות וידידותי לסביבה. יש להם קומפוזיציה יציבה, הפיכה של שינוי שלב טוב וחיי שירות ארוכים. הם פשוטים להתקנה וקלים לשימוש. החסרונות העיקריים של חומרי שינוי שלבים מוצקים הם החום הנמוך שלהם של שינוי פאזות ומחיר גבוה. שינוי גז נוזלי ושינוי שלב גז מוצק כוללים כמויות גדולות של גז במהלך תהליך שינוי הפאזה, וכתוצאה מכך שינויים משמעותיים בנפח. לכן, למרות חום שינוי הפאזה המשמעותי שלהם, לעתים נדירות משתמשים בהם ביישומים מעשיים.
II. יישומים של חומרי שינוי שלב
פיתוח חומרי אחסון אנרגיה לשינוי פאזה נכנס בהדרגה לשלב המעשי, בעיקר לבקרת טמפרטורות התגובה, השימוש באנרגיה סולארית ואחסון חום פסולת מתגובות תעשייתיות. אחסון אנרגיה בטמפרטורה נמוכה משמש בעיקר לשחזור חום פסולת, אחסון אנרגיה סולארית ומערכות חימום ומיזוג אוויר. אחסון אנרגיה בטמפרטורה גבוהה משמש במנועי חום, תחנות כוח סולאריות, ייצור חשמל מגנטו-הידרודינמי ולוויינים. הזרמת חומרים אלה לטקסטיל יכולה ליצור בגדים קלים עם תכונות בידוד תרמיות מעולות. ניתן להשתמש בהם גם ליצירת כוסות תרמוס השומרים על חום ארוך יותר מכוסות קרמיקה רגילות. מדרכות אספלט או מלט המוחזקות בחומר שינוי שלב זה יכולות למנוע הדבקה בכבישים וגשרים. לפיכך, יש לה סיכויי יישום רחבים בחומרי בידוד הנדסיים, מוצרי בריאות, ציוד תעופה וחלל, סיור צבאי וצרכים יומיומיים.
(1) יישומים של חומרי שינוי פאזות בתעשייה הרפואית
מכשירים טיפוליים אלקטרוניים רפואיים רבים דורשים פעולת טמפרטורה קבועה, המחייבים שימוש בחומרי אחסון חום מבוקרים בטמפרטורה לשמירה על טמפרטורות הפעלה בגבולות מקובלים. פטנט יפני מדווח על השימוש בתערובת של NASO₄10H₂O ו- MGSO₄7H₂O כחומר שינוי פאזה לבקרת טמפרטורת חדר המכשירים, ושומר על טמפרטורת החדר סביב 25 מעלות. ניתן להטמיע מכשירים מיוחדים גם בחבילות חום העשויות מחומרי שינוי פאזות לשמירה על טמפרטורות הפעלה. בשנים האחרונות סוג של חבילת חום הפך פופולרי בשוק המקומי. חומר שינוי הפאזה שלו הוא מלח לחות עם טמפרטורת שינוי שלב של כ 55 מעלות. גיליון מתכת משמש כחומר זרעי גרעין. כאשר סדין המתכת נדחק ידנית, פני השטח שלו הופכים למרכז גידול הגבישים, וכתוצאה מכך שחרור חום במהלך ההתגבשות. בשילוב עם תיק המכיל תרופות סיניות מסורתיות מסוימות הידועות כמעוררות זרימת דם, זה יוצר השפעה טיפולית, עם יעילות מסוימת בטיפול במחלות כמו דלקת מפרקים שגרונית.
(2) יישומים של חומרים לשינוי שלב באחסון נתונים
PCM הוא זיכרון בעל ביצועים גבוהים ולא נדיפים המבוסס על זכוכית כלקוגניד. לתרכובות אלה יש מאפיין מכריע: הם משנים את התנגדותם כאשר הם עוברים משלב אחד לשני. השלב הגבישי של החומר הוא התנגדות נמוכה, ואילו השלב האמורפי הוא התנגדות גבוהה. מעברי פאזה מושגים על ידי יישום או הסרת זרם. בניגוד לזיכרון מסורתי מבוסס NAND, מכשירי PCM יכולים לתמוך במספר כתיבה בלתי מוגבל כמעט. מכשירי PCM מציעים גם יתרונות כמו זמן תגובת גישה מהירה, הוספות בתים וקריאה/כתיבה אקראית. זוהי אחת מטכנולוגיות האחסון הרבות המוצגות כ"שינוי העתיד ". בשנת 2017, צוות מחקר בראשותו של סונג ז'יטנג, מנהל המכון לשנגחאי למיקרוסקופט וטכנולוגיית מידע, השיג פריצת דרך משמעותית בחומרי זיכרון לשינוי שלב. הם הציעו באופן חדשני אסטרטגיית תכנון לחומרים לשינוי פאזה במהירות גבוהה, ומזערת את האקראיות של גרעין בסרטי דק-פאזה אמורפיים כדי להשיג התגבשות מהירה. מכשיר הזיכרון לשינוי פאזות מבוסס SC-SB-TE, המופק בתהליך COMS של 0.13 מיקרומטר, השיג מחזור כתיבה הפיך במהירות גבוהה של 700 פיקוסקונט וחיי מחזור של מעל 107 מחזורים. בהשוואה למכשירי GE-SB-TE המקובלים, צריכת חשמל התפעול שלה הופחתה ב -90%, תוך שמירה על שמירת נתונים דומה למשך עשר שנים. בשנת 2018, יצרן שבבי הזיכרון SK Hynix החל לייצר זיכרון CrossPoint מבוסס PCM. SK הסביר כי תאי הזיכרון התלת-ממדיים של Prosspoint המשמשים ב- SCM עשויים מחומרים לשינוי שלב מבוסס גופרית. לאחרונה, מחקר של יבמ הדגים כי ניתן להאיץ יכולות למידת מכונה פי אלף באמצעות שבבים אנלוגיים המבוססים על זיכרון שינוי שלב. בלוג של יבמ חשף כי יבמ מקימה מרכז מחקר לפיתוח חומרת AI מהדור הבא ולחקור את הפוטנציאל של זיכרון PCM ביישומי AI.
