مواد تغيير الطور (PCMs) هي فئة من المواد التي يمكن أن تمتص أو تحرير كميات كبيرة من الطاقة (أي تغيير الطور enthalpy) أثناء تغيير الطور. نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر تستخدم الحرارة الكامنة لتخزين الطاقة ، فهي توفر كثافة تخزين عالية الحرارة ، وأجهزة التخزين الحرارية المدمجة ، والحفاظ على درجة حرارة ثابتة بشكل أساسي أثناء عملية تغيير الطور ، مما يجعلها سهلة الإدارة. مع الوعي العالمي المتزايد بالحفاظ على الطاقة ، اجتذبت هذه المميزة لـ PCMS انتباه الباحثين ، وتكتسب تقنية التخزين الحرارية PCM الجر بشكل متزايد في مجال تخزين الطاقة.
1. مقدمة لخصائص تكنولوجيا المواد
بشكل عام ، تشمل تقنيات التخزين الحرارية تخزين الحرارة والتخزين البارد ، بما في ذلك تخزين الحرارة المعقول وتغيير الطور. يستخدم التخزين المعقول للحرارة سعة حرارة محددة للمواد المتأصلة في تخزين الطاقة الحرارية وإطلاقها ، بينما يستخدم تخزين تغيير الطور امتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها أثناء تغيير الطور في مواد تغيير الطور). اجتذبت PCMs ، مع كثافة تخزين الحرارة العالية والحد الأدنى من تقلبات درجة الحرارة أثناء الشحن والتفريغ ، اهتمامًا واسع النطاق من العلماء على الصعيدين المحلي والدولي. في الوقت الحاضر ، تشمل مواد تخزين الحرارة في الطور بشكل أساسي الملح العضوي والمنصفة والسبائك والمركبة. هناك أربعة أشكال رئيسية لتغيير الطور: الصلبة الصلبة ، الصلبة السائلة ، الغاز الصلب والغاز السائل.
يجب أن تحتوي مادة تغيير الطور الصلبة السائل المثالية على الخصائص التالية:
(1) الحرارة الكامنة عالية للانصهار ، بحيث يمكنها تخزين الطاقة أو إطلاق المزيد من الحرارة أثناء تغيير الطور ؛
(2) درجة حرارة تغيير المرحلة المناسبة لتلبية الاحتياجات ؛
(3) قابلية جيدة لتغيير الطور السائل الصلبة ، والتي يمكن أن تتجنب الإفراط في الترويج أو ارتفاع درجة الحرارة قدر الإمكان ؛
(4) الموصلية الحرارية الكبيرة للمرحلة الصلبة السائلة ؛
(5) التوسع الصغير والانكماش أثناء تغيير الطور الصلب السائل ؛
(6) الكثافة العالية والسعة الحرارية المحددة لمواد تغيير الطور ؛
(7) غير سامة وغير التآكل ؛
(8) التكلفة المنخفضة وسهلة التصنيع.
بالمقارنة مع مواد تغيير الطور الصلبة السائل ، فإن مواد تغيير الطور الصلبة الصلبة لها العديد من المزايا. يمكن معالجة مواد تغيير الطور الصلبة الصلبة مباشرة وتشكيلها دون الحاجة إلى الحاويات. لديهم معامل منخفض من التوسع والحد الأدنى من التغير في الحجم أثناء تغيير الطور. إنهم لا يعانون من التبريد الفائق أو فصل الطور ، مما يلغي الحاجة إلى عوامل فصل مضادة للارتداد أو مضادات الطور. كما أنها منخفضة للغاية في السمية والتآكل ، وخالية من التسرب ، وصديقة للبيئة. لديهم تكوين مستقر ، وعكس تغيير الطور الجيد ، وحياة خدمة طويلة. إنها بسيطة للتثبيت وسهلة الاستخدام. العيوب الرئيسية لمواد تغيير الطور الصلبة الصلبة هي حرارةها الكامنة المنخفضة لتغيير الطور وسعرها المرتفع. تتضمن الغازات السائلة وتغيير طور الغاز الصلب كميات كبيرة من الغاز أثناء عملية تغيير الطور ، مما يؤدي إلى تغييرات كبيرة في الحجم. لذلك ، على الرغم من حرارةها الكبيرة في الطور ، نادراً ما تستخدم في التطبيقات العملية.
الثاني. تطبيقات مواد تغيير الطور
لقد دخل تطوير مواد تخزين الطاقة في الطور تدريجياً إلى المرحلة العملية ، وذلك في المقام الأول للسيطرة على درجات حرارة التفاعل ، واستخدام الطاقة الشمسية ، وتخزين حرارة النفايات من التفاعلات الصناعية. يستخدم تخزين الطاقة منخفضة الحرارة في المقام الأول لاستعادة حرارة النفايات ، وتخزين الطاقة الشمسية ، وأنظمة التدفئة وتكييف الهواء. يتم استخدام تخزين الطاقة عالية الحرارة في محركات الحرارة ، ومحطات الطاقة الشمسية ، وتوليد الطاقة المغناطيسية الديناميكية ، والأقمار الصناعية. يمكن أن يؤدي حقن هذه المواد في المنسوجات إلى إنشاء ملابس خفيفة الوزن مع خصائص عزل حرارية ممتازة. يمكن استخدامها أيضًا لإنشاء أكواب حرارية تحتفظ بالحرارة لفترة أطول من أكواب السيراميك العادية. أرصفة الإسفلت أو الأسمنت المملوءة بهذه المادة تغيير المرحلة يمكن أن تمنع الجليد على الطرق والجسور. لذلك ، فإنه يحتوي على آفاق واسعة التطبيق في مواد العزل الهندسية ، ومنتجات الرعاية الصحية ، ومعدات الطيران ، والاستطلاع العسكري ، والضروريات اليومية.
(1) تطبيقات مواد تغيير الطور في الصناعة الطبية
تتطلب العديد من الأجهزة العلاجية الإلكترونية الطبية تشغيل درجة حرارة ثابتة ، مما يستلزم استخدام مواد تخزين الحرارة التي تسيطر عليها درجة الحرارة للحفاظ على درجات حرارة التشغيل ضمن حدود مقبولة. تقارير براءة اختراع يابانية عن استخدام مزيج من Naso₄10h₂o و Mgso₄7h₂o كمواد تغيير الطور للتحكم في درجة حرارة غرفة الصك ، مع الحفاظ على درجة حرارة الغرفة حوالي 25 درجة. يمكن أيضًا تضمين الأدوات المتخصصة في عبوات الحرارة المصنوعة من مواد تغيير الطور للحفاظ على درجات حرارة التشغيل. في السنوات الأخيرة ، أصبح نوع حزمة الحرارة شائعة في السوق المحلية. مادة تغيير الطور هي ملح رطب مع درجة حرارة تغيير الطور حوالي 55 درجة. تعمل ورقة معدنية كمواد بذرة نووية. عندما يتم الضغط على الورقة المعدنية يدويًا ، يصبح سطحها مركز نمو البلورة ، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة أثناء التبلور. إلى جانب حقيبة تحتوي على بعض الأدوية الصينية التقليدية المعروفة بتحفيز الدورة الدموية ، فإن هذا يخلق تأثيرًا علاجيًا ، مع بعض الفعالية في علاج الأمراض مثل التهاب المفاصل الروماتويدي.
(2) تطبيقات مواد تغيير الطور في تخزين البيانات
PCM هي ذاكرة عالية الأداء وغير متقلبة تعتمد على زجاج Chalcogenide. هذه المركبات لها خاصية حاسمة: إنها تغير مقاومتها أثناء انتقالها من مرحلة إلى أخرى. المرحلة البلورية للمادة منخفضة المقاومة ، في حين أن المرحلة غير المتبلورة هي مقاومة عالية. يتم تحقيق انتقالات المرحلة من خلال تطبيق أو إزالة التيار. على عكس الذاكرة غير المتطايرة التقليدية المستندة إلى NAND ، يمكن أن تدعم أجهزة PCM عددًا غير محدود تقريبًا من الكتابة. توفر أجهزة PCM أيضًا مزايا مثل وقت استجابة الوصول السريع ، وقابلية الإدماج البايت ، والقراءة/الكتابة العشوائية. إنها واحدة من العديد من تقنيات التخزين التي توصف بأنها "تغيير المستقبل". في عام 2017 ، حقق فريق أبحاث بقيادة سونج تشيتانغ ، مدير معهد شنغهاي للتكنولوجيا Microsystem وتكنولوجيا المعلومات ، اختراقًا كبيرًا في مواد ذاكرة تغيير الطور الجديدة. اقترحوا بشكل مبتكر استراتيجية تصميم لمواد تغيير الطور عالية السرعة ، مما يقلل من العشوائية من النواة داخل أفلام رقيقة تغيير الطور غير المتبلور لتحقيق التبلور السريع. حقق جهاز ذاكرة الطور القائم على SC-SB-TE ، مصنعة باستخدام عملية COMS 0.13 ميكرومتر ، دورة في الكتابة عالية السرعة القابلة للانعكاس من 700 Picosecond وعمر دورة تزيد عن 107 دورة. مقارنة بأجهزة GE-SB-TE التقليدية ، تم تخفيض استهلاك الطاقة التشغيلية بنسبة 90 ٪ ، مع الحفاظ على الاحتفاظ بالبيانات المماثلة لمدة عشر سنوات. في عام 2018 ، بدأت شركة تصنيع رقائق الذاكرة SK Hynix إنتاج ذاكرة Crosspoint ثلاثية الأبعاد المستندة إلى PCM. أوضح SK أن خلايا الذاكرة المتقاطعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في SCM مصنوعة من مواد تغيير الطور القائمة على الكبريتيد. في الآونة الأخيرة ، أظهرت شركة IBM Research أنه يمكن تسريع قدرات التعلم الآلي بألف مرة باستخدام رقائق تمثيلية بناءً على ذاكرة تغيير الطور. كشفت مدونة IBM أن IBM تقوم بإنشاء مركز أبحاث لتطوير أجهزة AI من الجيل التالي واستكشاف إمكانات ذاكرة PCM في تطبيقات الذكاء الاصطناعي.
