Os materiais de mudança de fase (PCMs) são uma classe de materiais que podem absorver ou liberar grandes quantidades de energia (ou seja, entalpia de mudança de fase) durante uma mudança de fase. Como os PCMs utilizam calor latente para armazenar energia, eles oferecem alta densidade de armazenamento de calor, dispositivos de armazenamento térmico compactos e mantêm a temperatura essencialmente constante durante o processo de mudança de fase, facilitando o gerenciamento. Com a crescente conscientização global da conservação de energia, essa característica dos PCMs atraiu a atenção dos pesquisadores, e a tecnologia de armazenamento térmico da PCM está cada vez mais ganhando força no campo de armazenamento de energia.
I. Introdução às características da tecnologia do material
Em termos gerais, as tecnologias de armazenamento térmico incluem armazenamento de calor e armazenamento a frio, incluindo armazenamento sensível ao calor e armazenamento de mudança de fase. O armazenamento de calor sensível utiliza a capacidade de calor específica inerente do material para armazenar e liberar energia térmica, enquanto o armazenamento de mudança de fase utiliza a absorção e liberação da energia térmica durante a mudança de fase dos PCMs (Materiais de Mudança de Fase). Os PCMs, com sua alta densidade de armazenamento de calor e flutuações mínimas de temperatura durante a carga e a descarga, atraíram atenção generalizada dos estudiosos, tanto nacional quanto internacionalmente. Atualmente, os materiais de armazenamento de calor de mudança de fase incluem principalmente sal orgânico, salto fundido, liga e materiais compósitos. Existem quatro formas principais de mudança de fase: sólido sólido, líquido sólido, gases sólidos e gás líquido.
Um material ideal de mudança de fase de líquido sólido deve ter as seguintes propriedades:
(1) Alto calor latente de fusão, para que ele possa armazenar energia ou liberar mais calor durante a mudança de fase;
(2) temperatura apropriada de mudança de fase para atender às necessidades;
(3) boa reversibilidade da mudança de fase de líquido sólido, que pode evitar a supercriação ou superaquecimento o máximo possível;
(4) grande condutividade térmica da fase de líquido sólido;
(5) pequena expansão e contração durante a mudança de fase de líquido sólido;
(6) alta densidade e capacidade térmica específica dos materiais de mudança de fase;
(7) não tóxico e não corrosivo;
(8) baixo custo e fácil de fabricar.
Comparado com os materiais de mudança de fase de líquido sólido, os materiais de mudança de fase sólidos sólidos têm muitas vantagens. Os materiais de mudança de fase sólidos sólidos podem ser processados e formados diretamente sem a necessidade de contêineres. Eles têm um baixo coeficiente de expansão e mudança mínima de volume durante a mudança de fase. Eles não experimentam super-resfriamento ou separação de fases, eliminando a necessidade de agentes de separação anti-super-super-resistência ou anti-fases. Eles também são muito baixos em toxicidade e corrosivos, sem vazamentos e ecológicos. Eles têm uma composição estável, uma boa reversibilidade da mudança de fase e uma longa vida útil. Eles são simples de instalar e fáceis de usar. As principais desvantagens dos materiais de mudança de fase sólida e sólida são o calor latente da mudança de fase e o alto preço. A mudança de fase de gases líquidos e gases sólidos envolve grandes quantidades de gás durante o processo de mudança de fase, resultando em alterações significativas de volume. Portanto, apesar do calor significativo da mudança de fase, eles raramente são usados em aplicações práticas.
Ii. Aplicações de materiais de mudança de fase
O desenvolvimento de materiais de armazenamento de energia em mudança de fase entrou gradualmente no estágio prático, principalmente para controlar as temperaturas da reação, utilizando energia solar e armazenando calor residual a partir de reações industriais. O armazenamento de energia de baixa temperatura é usado principalmente para recuperação de calor residual, armazenamento de energia solar e sistemas de aquecimento e ar condicionado. O armazenamento de energia de alta temperatura é usado em motores térmicos, usinas solares, geração de energia magneto-hidrodinâmica e satélites. Injetar esses materiais em têxteis pode criar roupas leves com excelentes propriedades de isolamento térmico. Eles também podem ser usados para criar xícaras termoforme que retêm calor por mais tempo que os copos de cerâmica comuns. Pavimentos de asfalto ou cimento infundidos com esse material de mudança de fase podem impedir a gelo nas estradas e pontes. Portanto, possui amplas perspectivas de aplicação em materiais de isolamento de engenharia, produtos de saúde, equipamentos aeroespaciais, reconhecimento militar e necessidades diárias.
(1) Aplicações de materiais de mudança de fase na indústria médica
Muitos dispositivos terapêuticos eletrônicos médicos requerem operação constante de temperatura, necessitando do uso de materiais de armazenamento de calor controlado por temperatura para manter as temperaturas operacionais dentro dos limites aceitáveis. Uma patente japonesa relata o uso de uma mistura de naso₄10h₂o e mgso₄7h₂o como um material de mudança de fase para o controle da temperatura ambiente do instrumento, mantendo a temperatura ambiente em torno de 25 graus. Instrumentos especiais também podem ser incorporados em pacotes de calor feitos de materiais de mudança de fase para manter as temperaturas operacionais. Nos últimos anos, um tipo de pacote de calor se tornou popular no mercado doméstico. Seu material de mudança de fase é um sal hidratado com uma temperatura de mudança de fase de aproximadamente 55 graus. Uma folha de metal serve como um material de semente de nucleação. Quando a folha de metal é espremida manualmente, sua superfície se torna o centro do crescimento de cristais, resultando em liberação de calor durante a cristalização. Combinado com um saco contendo certos medicamentos chineses tradicionais conhecidos por estimular a circulação sanguínea, isso cria um efeito terapêutico, com alguma eficácia no tratamento de doenças como a artrite reumatóide.
(2) Aplicações de materiais de mudança de fase no armazenamento de dados
O PCM é uma memória não volátil e de alto desempenho, baseada no vidro de calcogeneto. Esses compostos têm uma propriedade crucial: eles mudam sua resistência à medida que passam de uma fase para outra. A fase cristalina do material é de baixa resistência, enquanto a fase amorfa é de alta resistência. As transições de fase são alcançadas aplicando ou removendo a corrente. Ao contrário da memória não volátil tradicional baseada em NAND, os dispositivos PCM podem suportar um número praticamente ilimitado de gravações. Os dispositivos PCM também oferecem vantagens como tempo de resposta de acesso rápido, addressabilidade de bytes e leitura/gravação aleatória. É uma das muitas tecnologias de armazenamento apontadas como "mudar o futuro". Em 2017, uma equipe de pesquisa liderada por Song Zhitang, diretor do Instituto de Microssistema e Tecnologia da Informação de Shanghai, alcançou um grande avanço em novos materiais de memória de mudança de fase. Eles propuseram inovação uma estratégia de design para materiais de mudança de fase de alta velocidade, minimizando a aleatoriedade da nucleação em filmes finos amorfos de mudança de fase para obter cristalização rápida. O dispositivo de memória de mudança de fase baseado em SC-SB-TE, fabricado usando um processo de 0,13 µm de COMs, alcançou um ciclo de gravação reversível de alta velocidade de 700 picossegundos e uma vida útil de mais de 107 ciclos. Comparado aos dispositivos GE-SB-TE convencionais, seu consumo operacional de energia foi reduzido em 90%, mantendo a retenção de dados comparável por dez anos. Em 2018, o fabricante de chips de memória SK Hynix começou a produção da memória 3D Crosspoint baseada em PCM. SK explicou que as células de memória cruzada 3D usadas no SCM são feitas de materiais de mudança de fase à base de sulfeto. Recentemente, a IBM Research demonstrou que os recursos de aprendizado de máquina podem ser acelerados por mil vezes usando chips analógicos com base na memória de mudança de fase. Um blog da IBM revelou que a IBM está estabelecendo um centro de pesquisa para desenvolver hardware de IA de próxima geração e explorar o potencial da memória do PCM em aplicativos de IA.
