Los materiales de cambio de fase (PCM) son una clase de materiales que pueden absorber o liberar grandes cantidades de energía (es decir, entalpía de cambio de fase) durante un cambio de fase. Debido a que los PCM utilizan calor latente para almacenar energía, ofrecen una alta densidad de almacenamiento de calor, dispositivos de almacenamiento térmico compacto y mantienen una temperatura esencialmente constante durante el proceso de cambio de fase, lo que los hace fáciles de administrar. Con la creciente conciencia mundial de la conservación de la energía, esta característica de PCM ha atraído la atención de los investigadores, y la tecnología de almacenamiento térmico de PCM está ganando cada vez más terreno en el campo de almacenamiento de energía.
I. Introducción a las características de la tecnología de materiales
En términos generales, las tecnologías de almacenamiento térmico incluyen almacenamiento de calor y almacenamiento en frío, incluido el almacenamiento de calor sensible y el almacenamiento de cambio de fase. El almacenamiento de calor sensible utiliza la capacidad de calor específica inherente del material para almacenar y liberar energía térmica, mientras que el almacenamiento de cambio de fase utiliza la absorción y liberación de energía térmica durante el cambio de fase de PCMS (materiales de cambio de fase). Los PCM, con su alta densidad de almacenamiento de calor y fluctuaciones mínimas de temperatura durante la carga y la descarga, han atraído la atención generalizada de los académicos tanto a nivel nacional como internacional. En la actualidad, los materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase incluyen principalmente materiales orgánicos, de sal fundida, aleación y compuesta. Hay cuatro formas de cambio de fase principal: sólido-sólido, líquido sólido, gas sólido y gas líquido.
Un material de cambio de fase sólido-líquido ideal debe tener las siguientes propiedades:
(1) calor latente alto de fusión, para que pueda almacenar energía o liberar más calor durante el cambio de fase;
(2) temperatura apropiada de cambio de fase para satisfacer las necesidades;
(3) buena reversibilidad del cambio de fase sólido-líquido, que puede evitar el sobreenfriamiento o el sobrecalentamiento tanto como sea posible;
(4) conductividad térmica grande de la fase sólida-líquido;
(5) Pequeña expansión y contracción durante el cambio de fase sólido-líquido;
(6) alta densidad y capacidad térmica específica de los materiales de cambio de fase;
(7) no tóxico y no corrosivo;
(8) Bajo costo y fácil de fabricar.
En comparación con los materiales de cambio de fase sólido-líquido, los materiales de cambio de fase sólido-sólido tienen muchas ventajas. Los materiales de cambio de fase sólidos sólidos se pueden procesar y formar directamente sin la necesidad de contenedores. Tienen un bajo coeficiente de expansión y un cambio mínimo de volumen durante el cambio de fase. No experimentan superenfriamiento o separación de fases, eliminando la necesidad de agentes anti-supercolentación o separación antifase. También son muy bajos en toxicidad y corrosivo, sin fugas y amigables con el medio ambiente. Tienen una composición estable, una buena reversibilidad del cambio de fase y una larga vida útil. Son fáciles de instalar y fáciles de usar. Las principales desventajas de los materiales de cambio de fase sólido-sólido son su bajo calor latente de cambio de fase y alto precio. Los gas líquido y el cambio de fase de gas sólido implican grandes cantidades de gas durante el proceso de cambio de fase, lo que resulta en cambios de volumen significativos. Por lo tanto, a pesar de su significado calor de cambio de fase, rara vez se usan en aplicaciones prácticas.
II. Aplicaciones de materiales de cambio de fase
El desarrollo del cambio de fase Materiales de almacenamiento de energía ha ingresado gradualmente a la etapa práctica, principalmente para controlar las temperaturas de reacción, utilizar la energía solar y almacenar el calor de los residuos de las reacciones industriales. El almacenamiento de energía a baja temperatura se utiliza principalmente para la recuperación del calor de los residuos, el almacenamiento de energía solar y los sistemas de calefacción y aire acondicionado. El almacenamiento de energía a alta temperatura se utiliza en motores de calor, plantas de energía solar, generación de energía magnetohidrodinámica y satélites. Inyectar estos materiales en textiles puede crear ropa liviana con excelentes propiedades de aislamiento térmico. También se pueden usar para crear tazas de termo que retienen el calor más tiempo que las tazas de cerámica ordinarias. Los pavimentos de asfalto o cemento infundidos con este material de cambio de fase pueden evitar la formación de hielo en carreteras y puentes. Por lo tanto, tiene amplias perspectivas de aplicación en ingeniería de materiales de aislamiento, productos de atención médica, equipos aeroespaciales, reconocimiento militar y necesidades diarias.
(1) Aplicaciones de materiales de cambio de fase en la industria médica
Muchos dispositivos terapéuticos electrónicos médicos requieren una operación de temperatura constante, lo que requiere el uso de materiales de almacenamiento de calor controlados por temperatura para mantener las temperaturas de funcionamiento dentro de los límites aceptables. Una patente japonesa informa el uso de una mezcla de NASO₄10H₂O y MGSO₄7H₂O como material de cambio de fase para el control de la temperatura ambiente del instrumento, manteniendo la temperatura ambiente de alrededor de 25 grados. Los instrumentos especializados también se pueden integrar en paquetes de calor hechos de materiales de cambio de fase para mantener las temperaturas de funcionamiento. En los últimos años, un tipo de paquete de calor se ha vuelto popular en el mercado interno. Su material de cambio de fase es una sal hidratada con una temperatura de cambio de fase de aproximadamente 55 grados. Una lámina de metal sirve como material de semilla de nucleación. Cuando la lámina de metal se exprime manualmente, su superficie se convierte en el centro del crecimiento del cristal, lo que resulta en liberación de calor durante la cristalización. Combinado con una bolsa que contiene ciertos medicamentos tradicionales chinos que se sabe que estimulan la circulación sanguínea, esto crea un efecto terapéutico, con cierta eficacia en el tratamiento de enfermedades como la artritis reumatoide.
(2) Aplicaciones de materiales de cambio de fase en el almacenamiento de datos
PCM es una memoria no volátil de alto rendimiento basada en vidrio de calcogenida. Estos compuestos tienen una propiedad crucial: cambian su resistencia a medida que pasan de una fase a otra. La fase cristalina del material es de baja resistencia, mientras que la fase amorfa es de alta resistencia. Las transiciones de fase se logran aplicando o eliminando la corriente. A diferencia de la memoria tradicional no volátil basada en NAND, los dispositivos PCM pueden admitir un número prácticamente ilimitado de escrituras. Los dispositivos PCM también ofrecen ventajas como el tiempo de respuesta de acceso rápido, la capacidad de admisión de bytes y la lectura/escritura aleatoria. Es una de las muchas tecnologías de almacenamiento promocionadas como "cambiar el futuro". En 2017, un equipo de investigación dirigido por Song Zhitang, director del Instituto de Microsistema y Tecnología de la Información de Shanghai, logró un gran avance en los nuevos materiales de memoria de cambio de fase. Innovativamente propusieron una estrategia de diseño para materiales de cambio de fase de alta velocidad, minimizando la aleatoriedad de la nucleación dentro de las películas delgadas de cambio de fase amorfo para lograr una cristalización rápida. El dispositivo de memoria de cambio de fase basado en SC-SB-TE, fabricado utilizando un proceso COMS de 0.13 µm, logró un ciclo de escritura de escritura reversible de alta velocidad de 700 picosegundos y una vida útil del ciclo de más de 107 ciclos. En comparación con los dispositivos GE-SB-TE convencionales, su consumo de energía operativa se redujo en un 90%, al tiempo que mantuvo la retención de datos comparable durante diez años. En 2018, el fabricante de chips de memoria SK Hynix comenzó la producción de memoria 3D Crosspoint basada en PCM. SK explicó que las células de memoria de punto cruzado 3D utilizadas en SCM están hechas de materiales de cambio de fase basados en sulfuro. Recientemente, la investigación de IBM demostró que las capacidades de aprendizaje automático se pueden acelerar mil veces mediante chips analógicos basados en la memoria de cambio de fase. Un blog de IBM reveló que IBM está estableciendo un centro de investigación para desarrollar hardware de IA de próxima generación y explorar el potencial de la memoria PCM en aplicaciones de IA.
