相変化材料 (PCM) は、相変化中に大量のエネルギー (つまり、相変化エンタルピー) を吸収または放出できる材料の一種です。 PCM はエネルギー貯蔵に潜熱を利用するため、高い蓄熱密度とコンパクトな蓄熱デバイスを備え、相変化プロセス中に温度がほぼ一定に保たれるため、管理が容易になります。世界的な省エネルギー意識の高まりに伴い、PCMのこの特性が研究者の注目を集めており、エネルギー貯蔵分野では相変化蓄熱技術がますます注目を集めています。
I. 材料技術の特徴の紹介
大まかに言えば、熱エネルギー貯蔵技術には、熱エネルギー貯蔵技術と冷エネルギー貯蔵技術の両方が含まれます。熱エネルギー貯蔵技術には、顕熱エネルギー貯蔵と相変化熱エネルギー貯蔵が含まれます。顕熱エネルギー貯蔵は材料自体の比熱容量を利用して熱エネルギーを貯蔵/放出しますが、相変化熱エネルギー貯蔵は相変化材料 (PCM) の相変化中の吸熱/放出エネルギー変換プロセスを利用して熱エネルギーを貯蔵/放出します。相変化蓄熱材料は、蓄熱密度が高く、熱の充放電時の温度変化が少ないなどの利点があり、国内外の学者から広く注目されています。現在、相変化エネルギー貯蔵材料には、主に有機、溶融塩、合金、複合タイプが含まれます。相変化の形態は主に固体-、固体-液体、固体-気体、液体-気体の 4 種類です。
理想的な固体液体相変化材料は、次の特性を備えている必要があります。{0}
(1) 融解潜熱が高く、相変化中に大量の熱を蓄えたり放出したりできます。
(2) 要件を満たす適切な相変化温度。
(3) 固体-の相変化の可逆性が良好で、過冷却または過熱が最小限に抑えられます。
(4) 固相と液相間の熱伝導率が高い。
(5) 固液相変化プロセス中の膨張と収縮が最小限であること。-
(6) 高密度かつ比熱容量が高い。
(7) 無毒、非腐食性。-
(8) 低コストで製造が容易です。
固体{0}}液体相変化材料と比較して、固体-固体相変化材料には多くの利点があります。固体-固体相変化材料（SCT）は、容器を必要とせずに直接処理および成形できます。熱膨張係数が小さいため、相転移中の体積変化が最小限に抑えられます。これらは過冷却や相分離を示さないため、過冷却防止剤や相分離防止剤の必要がなくなります。-毒性が非常に低く、腐食性も最小限です。漏れがなく、環境を汚染しません。{6}}安定した組成、良好な相変化可逆性、および長い耐用年数を備えています。デバイスはシンプルで使いやすいです。 SCT の主な欠点は、相変化の潜熱が低いことと、価格が高いことです。液体-および固体-気相変化材料は、相転移中に大量のガスが存在するため、大きな体積変化を引き起こすため、相変化熱が大きいにもかかわらず、実際の用途ではほとんど選択されません。
II.相変化材料の応用分野
相変化エネルギー貯蔵材料の開発は徐々に実用段階に入っており、主に反応温度の制御、太陽エネルギーの利用、工業反応からの廃熱の貯蔵に使用されます。低温エネルギー貯蔵は主に廃熱回収、太陽エネルギー貯蔵、暖房および空調システムに使用されます。高温エネルギー貯蔵は、熱機関、太陽光発電所、電磁流体力発電、人工衛星で使用されます。これらの素材を繊維に注入することで、軽量で断熱性に優れた衣類を作ることができます。また、通常のセラミックカップよりも熱を長く保つ断熱カップの作成にも使用できます。この相変化材料を含むアスファルトまたはセメント舗装は、道路や橋の凍結を防ぐことができます。したがって、エンジニアリング断熱材、医療およびヘルスケア製品、航空宇宙機器、軍事偵察、日用品などに幅広い応用の可能性があります。
(I) 製薬業界における相変化材料の応用多くの医療用電子治療装置は一定温度での動作を必要とするため、温度を調整し、機器が許容範囲内で確実に動作するように温度制御された蓄熱材を使用する必要があります。{0}日本の特許では、NaSO4・10H2OとMgSO4・7H2Oの混合物を機器室の温度制御用の相変化材料として使用し、室温を約25度に維持することが報告されています。特殊な機器は、動作温度を維持するために相変化材料で作られたヒートパックに入れることもできます。近年、国内市場でもヒートパックの一種が登場しています。その相変化材料は、約 55 度の相変化温度を持つ水和塩です。金属シートは核生成シード材料として使用されます。金属シートを絞ると、その表面が結晶成長中心となり、発熱結晶化が起こります。血液循環を促進する特定の漢方薬バッグと組み合わせると治療効果が得られ、関節リウマチなどの病気の治療にある程度の効果が示されています。
(II) データストレージにおける相変化材料の応用
PCM は、カルコゲニド ガラスをベースとした高性能の不揮発性メモリです。-この化合物には重要な特性があります。それは、ある相から別の相に移動すると抵抗が変化するということです。材料の結晶相は低抵抗相であり、非晶質相は高抵抗相です。-相転移は、電流を印加または除去することによって達成されます。従来の NAND- ベースの不揮発性メモリ-とは異なり、PCM デバイスは実質的に無制限の書き込みを実現できます。さらに、PCM デバイスには、短いアクセス応答時間、バイト アドレス指定可能性、ランダム読み取り/書き込み機能などの利点があり、「未来を変える」テクノロジーとして宣伝されている多くのストレージ テクノロジーの 1 つとなっています。{11}}
2017 年、上海マイクロシステム情報技術研究所所長の Song Zhitang 率いる研究チームは、新しい相変化メモリ (PCM) 材料で大きな進歩を遂げました。-彼らは、高速 PCM 材料の設計コンセプトを革新的に提案しました。つまり、アモルファス PCM 膜内での核生成のランダム性を低減することで、PCM 材料の高速結晶化を達成するというものです。- 0.13µm-CMOS プロセスを使用した Sc-Sb-Te- ベースの PCM デバイスは、10⁷ サイクルを超えるサイクル寿命で 700 ピコ秒の高速-}可逆書き込み-消去動作を実現しました。従来の Ge-Sb-Te デバイスと比較して、10 年以上同等のデータ保持を維持しながら、消費電力が 90% 削減されました。 2018 年、メモリ チップ メーカー SK Hynix は、PCM{21}} ベースの 3D クロスポイント メモリの生産を開始しました。 SK氏は、SCMで使用されるこの3Dクロスポイントメモリセルは硫化物-ベースのPCM材料で作られていると説明した。最近の IBM の研究では、PCM ベースのアナログ チップを使用することで機械学習機能を 1,000 倍高速化できることが示されました。 IBM のブログでは、IBM が次世代 AI ハードウェアを開発し、AI 分野での PCM メモリの応用可能性を探るための研究センターを設立していることが明らかになりました。
