Composite phase change materials based on thermally-activated immiscible alloys : from design to functional characterisation

Phase Change Materials (PCMs) are functional materials which undergo a phase transition under specific conditions. In thermal applications, they can store thermal energy as latent heat associated to an endothermic transition (e.g., melting), releasing it when the phase change is reversed. This heat is an extra energy boost at constant temperature that is added to the sensible heat stored in a temperature range. PCMs can behave as heat reservoirs to keep a constant temperature over time (e.g., in solar energy systems, textiles for extreme cold conditions, space satellites or building envelops) or as heat sinks which support cooling systems (e.g., in electronic devices or industrial applications). The aim of this doctoral research is studying a combination of theoretical and experimental methods to design and characterise metallic composite PCM (C-PCM) systems based on immiscible alloys with solid-liquid transition, in order to accelerate their development and ease the match with design requirements. These composite materials consist of an active phase (the actual PCM) undergoing the phase transition and a passive phase providing additional features, like structural properties, enhanced thermal diffusivity and sensible heat, as well as form-stability of the system preventing shape changes and loss of material when active phase is molten. The proposed systems are binary (Al-Sn, Al-In, Al-Bi, Cu-Bi) and ternary alloys (Al-In-Sn, Al-Bi-Sn) with various compositions, where Al and Cu behave as passive phase and the active phase consists of one or two elements. Their transition temperatures span a range between 100°C and 300°C. A significant part of the experimental work focused on the effect of production processes (powder metallurgy and rapid solidification) on microstructure and properties of Al-Sn based C-PCM, which cannot be evaluated with equilibrium thermodynamic calculations. The results showed that phase distribution, which can vary from coarse to fine depending on process parameters, has a strong impact on thermal and mechanical properties, as well as on shape and performance stability over thermal cycles simulating service conditions.

I materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials - PCMs) sono materiali funzionali che sfruttano una transizione di fase in specifiche condizioni. Nell’ambito delle applicazioni termiche, possono essere utilizzati per accumulare energia come calore latente associato a una transizione endotermica (es., fusione), rilasciandolo quando avviene la transizione inversa. Questo calore, accumulato a temperatura costante, è un ulteriore contributo al calore sensibile accumulato in un intervallo di temperature. I PCM possono essere utilizzati come riserve di calore per mantenere una temperatura costante in un intervallo di tempo (es., in sistemi a energia solare, tessuti per condizioni di freddo estremo, satelliti, isolanti per l’edilizia) o come dissipatori di calore a supporto di sistemi di raffreddamento (es., in dispositivi elettronici o applicazioni industriali). Lo scopo di questa ricerca di dottorato è studiare una combinazione di metodi teorici e sperimentali per progettare e caratterizzare sistemi compositi a cambiamento di fase (C-PCM) completamente metallici basati su leghe immiscibili con transizione solido-liquido. L’obiettivo è accelerare lo sviluppo di questi materiali e adattarli più facilmente ai requisiti di progettazione. I C-PCM sono costituiti da una fase attiva che subisce la transizione di fase (l’effettivo PCM) e una fase passiva che fornisce caratteristiche aggiuntive, come proprietà strutturali, maggiore diffusività termica e calore sensibile, stabilità di forma del sistema. Quest’ultima permette di evitare cambiamenti di geometria e perdita di materiale quando la fase attiva è allo stato liquido. I sistemi proposti sono leghe binarie (Al-Sn, Al-In, Al-Bi, Cu-Bi) e ternarie (Al-In-Sn, Al-Bi-Sn) con varie composizioni. Al e Cu sono le fasi passive, mentre la fase attiva può avere uno o due elementi. Le loro temperature di transizione si distribuiscono in un intervallo tra i 100°C e i 300°C. Una parte significativa dell’attività sperimentale si è focalizzata sugli effetti dei processi di produzione (metallurgia delle polveri e solidificazione rapida) sulla microstruttura e le proprietà di C-PCM in Al-Sn, i quali non possono essere valutati con calcoli termodinamici in condizioni di equilibrio. I risultati ottenuti hanno mostrato come la distribuzione delle fasi, che può essere da grossolana a fine a seconda dei parametri di processo, abbia un forte impatto sulle proprietà termiche e meccaniche del materiale, e sulla stabilità di forma e comportamento durante cicli termici che simulano le condizioni operative.