วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่สามารถดูดซับหรือปล่อยพลังงานจำนวนมาก (เช่น เอนทาลปีของการเปลี่ยนเฟส) ในระหว่างการเปลี่ยนเฟส เนื่องจาก PCM ใช้ความร้อนแฝงเพื่อกักเก็บพลังงาน จึงมีความหนาแน่นในการกักเก็บความร้อนสูง มีอุปกรณ์กักเก็บความร้อนขนาดกะทัดรัด และอุณหภูมิของพวกมันคงที่ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนเฟส ทำให้ง่ายต่อการจัดการ ด้วยความตระหนักรู้ทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการอนุรักษ์พลังงาน คุณลักษณะของ PCM นี้ดึงดูดความสนใจของนักวิจัย และเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสก็มีความโดดเด่นมากขึ้นในด้านการจัดเก็บพลังงาน
I. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับคุณลักษณะเทคโนโลยีวัสดุ
กล่าวอย่างกว้างๆ ว่าเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานความร้อนมีทั้งเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานความร้อนและเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานความเย็น เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานความร้อนประกอบด้วยการจัดเก็บพลังงานความร้อนที่เหมาะสมและการจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบเปลี่ยนเฟส การจัดเก็บพลังงานความร้อนที่เหมาะสมใช้ความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุในการจัดเก็บ/ปล่อยพลังงานความร้อน ในขณะที่การจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสใช้กระบวนการแปลงพลังงานการดูดซับ/ปล่อยความร้อนในระหว่างการเปลี่ยนเฟสของวัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) เพื่อจัดเก็บ/ปล่อยพลังงานความร้อน วัสดุกักเก็บพลังงานความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสมีข้อดี เช่น ความหนาแน่นในการกักเก็บความร้อนสูงและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยระหว่างการชาร์จและการปล่อยความร้อน ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิชาการทั้งในประเทศและต่างประเทศ ปัจจุบัน วัสดุกักเก็บพลังงานแบบเปลี่ยนเฟสส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเภทอินทรีย์ เกลือหลอมเหลว โลหะผสม และประเภทคอมโพสิต รูปแบบการเปลี่ยนเฟสส่วนใหญ่มีสี่ประเภท ได้แก่ ของแข็ง-ของแข็ง ของแข็ง-ของเหลว ของแข็ง-ก๊าซ และก๊าซของเหลว-
วัสดุเปลี่ยนเฟสของเหลวในอุดมคติ-ควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
(1) ความร้อนแฝงสูงของฟิวชัน ทำให้สามารถกักเก็บหรือปล่อยความร้อนปริมาณมากในระหว่างการเปลี่ยนเฟส
(2) อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนด
(3) การพลิกกลับที่ดีของการเปลี่ยนเฟสของของแข็ง-ของของเหลว ช่วยลดความเย็นหรือความร้อนสูงเกินไป
(4) การนำความร้อนสูงระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว
(5) การขยายตัวและการหดตัวน้อยที่สุดในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนสถานะของแข็ง-
(6) ความหนาแน่นสูงและความจุความร้อนจำเพาะ
(7) ไม่-เป็นพิษและไม่-กัดกร่อน
(8) ต้นทุนต่ำและง่ายต่อการผลิต
เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเปลี่ยนเฟสของแข็ง-แล้ว วัสดุเปลี่ยนเฟสของแข็ง-มีข้อดีหลายประการ วัสดุเปลี่ยนสถานะของแข็ง (SCT) ที่เป็นของแข็ง-สามารถผ่านกระบวนการและขึ้นรูปได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ภาชนะ มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเล็กน้อย ส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรน้อยที่สุดระหว่างการเปลี่ยนเฟส พวกมันไม่แสดงซุปเปอร์คูลลิ่งหรือการแยกเฟส ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้สารต้าน-ซุปเปอร์คูลลิ่งและสารต้าน-การแยกเฟส มีความเป็นพิษต่ำมากและมีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยที่สุด ไม่มีการรั่วไหล-และไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม มีองค์ประกอบที่มั่นคง สามารถเปลี่ยนเฟสได้ดี และมีอายุการใช้งานยาวนาน และอุปกรณ์ก็เรียบง่ายและใช้งานง่าย ข้อเสียเปรียบหลักของ SCT คือความร้อนแฝงต่ำในการเปลี่ยนเฟสและราคาสูง วัสดุเปลี่ยนเฟสของเหลว-ก๊าซและของแข็ง-เนื่องจากการมีอยู่ของก๊าซจำนวนมากในระหว่างการเปลี่ยนเฟส ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น แม้จะมีความร้อนสูงจากการเปลี่ยนเฟส แต่ก็ไม่ค่อยถูกเลือกใช้ในการใช้งานจริง
ครั้งที่สอง พื้นที่ใช้งานของวัสดุเปลี่ยนเฟส
การพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานแบบเปลี่ยนเฟสได้ค่อยๆ เข้าสู่ขั้นตอนการใช้งานจริง โดยส่วนใหญ่จะใช้เพื่อควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยา การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ และการเก็บความร้อนเหลือทิ้งจากปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม การจัดเก็บพลังงานที่อุณหภูมิต่ำ-ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ การจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบทำความร้อนและเครื่องปรับอากาศ การจัดเก็บพลังงานอุณหภูมิสูง-ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์ความร้อน โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ การผลิตไฟฟ้าแบบแมกนีโตไฮโดรไดนามิก และดาวเทียมเทียม การฉีดวัสดุเหล่านี้ลงในสิ่งทอสามารถสร้างเสื้อผ้าที่มีน้ำหนักเบาและมีฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้ยังสามารถนำมาใช้ทำถ้วยฉนวนที่เก็บความร้อนได้นานกว่าถ้วยเซรามิกธรรมดาอีกด้วย ผิวทางแอสฟัลต์หรือซีเมนต์ที่มีวัสดุเปลี่ยนเฟสนี้สามารถป้องกันไม่ให้ถนนและสะพานเป็นน้ำแข็งได้ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในด้านวัสดุฉนวนทางวิศวกรรม ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์และการดูแลสุขภาพ อุปกรณ์การบินและอวกาศ การลาดตระเวนทางทหาร และของใช้ในชีวิตประจำวัน
(I) การใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสในอุตสาหกรรมยา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ทางการแพทย์จำนวนมากต้องมีการทำงานที่อุณหภูมิคงที่ จำเป็นต้องใช้วัสดุกักเก็บความร้อนที่ควบคุมอุณหภูมิ-เพื่อควบคุมอุณหภูมิและรับรองว่าเครื่องมือทำงานภายในขีดจำกัดที่อนุญาต สิทธิบัตรของญี่ปุ่นรายงานการใช้ส่วนผสมของ NaSO4·10H2O และ MgSO4·7H2O เป็นวัสดุเปลี่ยนเฟสสำหรับการควบคุมอุณหภูมิในห้องเครื่องมือ โดยรักษาอุณหภูมิห้องไว้ประมาณ 25 องศา เครื่องมือพิเศษสามารถห่อหุ้มไว้ในชุดความร้อนที่ทำจากวัสดุเปลี่ยนเฟสเพื่อรักษาอุณหภูมิในการทำงาน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ประคบร้อนชนิดหนึ่งได้เกิดขึ้นในตลาดภายในประเทศ วัสดุเปลี่ยนเฟสของมันคือเกลือไฮเดรตที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนเฟสประมาณ 55 องศา แผ่นโลหะถูกใช้เป็นวัสดุเมล็ดนิวเคลียส เมื่อแผ่นโลหะถูกบีบ พื้นผิวจะกลายเป็นศูนย์กลางการเจริญเติบโตของผลึก ส่งผลให้เกิดการตกผลึกแบบคายความร้อน เมื่อใช้ร่วมกับถุงยาจีนโบราณบางชนิดที่ส่งเสริมการไหลเวียนของเลือด ก็ให้ผลการรักษา โดยแสดงให้เห็นประสิทธิภาพบางอย่างในการรักษาโรคต่างๆ เช่น โรคข้ออักเสบรูมาตอยด์
(II) การใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสในการจัดเก็บข้อมูล
PCM เป็นหน่วยความจำประสิทธิภาพสูง-และไม่ลบเลือน-ซึ่งใช้แก้วคาลโคเจนไนด์ สารประกอบนี้มีลักษณะสำคัญ: ความต้านทานจะเปลี่ยนไปเมื่อเคลื่อนที่จากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่ง เฟสผลึกของวัสดุเป็นเฟสที่มีความต้านทาน-ต่ำ ในขณะที่เฟสอสัณฐานเป็นเฟสที่มีความต้านทานสูง- การเปลี่ยนเฟสทำได้โดยการใช้หรือลบกระแส ต่างจากหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนที่ใช้ NAND- แบบเดิม- อุปกรณ์ PCM สามารถเขียนข้อมูลได้ไม่จำกัด นอกจากนี้ อุปกรณ์ PCM ยังมีข้อได้เปรียบ เช่น เวลาตอบสนองการเข้าถึงที่สั้น ความสามารถในการระบุตำแหน่งไบต์ และความสามารถในการอ่าน/เขียนแบบสุ่ม ทำให้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลจำนวนมากที่ได้รับการขนานนามว่าเป็นเทคโนโลยี "อนาคต-การเปลี่ยนแปลง"
ในปี 2017 ทีมวิจัยที่นำโดย Song Zhitang ผู้อำนวยการสถาบันไมโครซิสเต็มและเทคโนโลยีสารสนเทศแห่งเซี่ยงไฮ้ ประสบความสำเร็จในการพัฒนาครั้งใหญ่ในด้าน-วัสดุการเปลี่ยนแปลงหน่วยความจำ (PCM) ระยะใหม่ พวกเขาเสนอแนวคิดการออกแบบ-วัสดุ PCM ความเร็วสูงอย่างสร้างสรรค์ กล่าวคือ การบรรลุการตกผลึกของวัสดุ PCM ความเร็วสูง-โดยการลดความสุ่มของการเกิดนิวเคลียสภายในฟิล์ม PCM ที่ไม่มีรูปร่าง การใช้กระบวนการ 0.13µm-CMOS ทำให้อุปกรณ์ PCM ที่ใช้ Sc-Sb-Te- ได้รับ-การดำเนินการลบแบบย้อนกลับที่มีความเร็วสูง-ได้ 700 พิโควินาที โดยมีอายุการใช้งานของวงจรมากกว่า 10รอบ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ Ge-Sb-Te แบบเดิม การใช้พลังงานลดลง 90% ในขณะที่ยังคงรักษาข้อมูลที่สามารถเทียบเคียงได้นานกว่าสิบปี ในปี 2018 ผู้ผลิตชิปหน่วยความจำ SK Hynix เริ่มผลิตหน่วยความจำครอสพอยต์ 3 มิติที่ใช้ PCM{21}} SK อธิบายว่าเซลล์หน่วยความจำ crosspoint แบบ 3 มิติที่ใช้ใน SCM ทำจากวัสดุ PCM ที่มีซัลไฟด์- เมื่อเร็วๆ นี้ การวิจัยของ IBM แสดงให้เห็นว่าความสามารถในการเรียนรู้ของเครื่องจักรสามารถเร่งความเร็วได้เป็นพันเท่าโดยใช้ชิปแอนะล็อกที่ใช้ PCM บล็อกของ IBM เปิดเผยว่า IBM กำลังจัดตั้งศูนย์วิจัยเพื่อพัฒนา-ฮาร์ดแวร์ AI รุ่นถัดไป และสำรวจศักยภาพการใช้งานของหน่วยความจำ PCM ในสาขา AI
