不斷變化的氣候模式使數(shù)百萬人容易受到極端天氣的影響。隨著溫度波動(dòng)在世界范圍內(nèi)變得越來越普遍，傳統(tǒng)耗電的冷卻和加熱系統(tǒng)需要一種更具創(chuàng)新性、更節(jié)能的替代方案，從而減輕已經(jīng)陷入困境的電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

德克薩斯 A&M 大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了新型3D可打印相變材料 (PCM) 復(fù)合材料，可以使用更簡(jiǎn)單且具有成本效益的制造工藝調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)部的環(huán)境溫度。這些復(fù)合材料可以添加到建筑材料中，如油漆、3D 打印作為家居裝飾品，以無縫融入不同的室內(nèi)環(huán)境。

使用可擴(kuò)展的方法將相變材料集成到建筑材料中的能力，為產(chǎn)生更多的被動(dòng)溫度提供了機(jī)會(huì)，在新建筑和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)提供了和化學(xué)系。

供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)是住宅和商業(yè)機(jī)構(gòu)中最常用的溫度調(diào)節(jié)方法。

使用稱為制冷劑的溫室材料來產(chǎn)生涼爽干燥的空氣。HVAC 系統(tǒng)的這些持續(xù)問題引發(fā)了對(duì)替代材料和技術(shù)的研究，這些材料和技術(shù)需要更少的能量來運(yùn)行，并且可以調(diào)節(jié)與 HVAC 系統(tǒng)相稱的溫度。

在溫度調(diào)節(jié)方面引起廣泛興趣的材料之一是相變材料。這些化合物會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度改變其物理狀態(tài)。

因此，當(dāng)相變材料儲(chǔ)存熱量時(shí)，它們?cè)谖諢崃繒r(shí)從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，在釋放熱量時(shí)反之亦然。因此，與僅依靠外部電源來加熱和冷卻的 HVAC 系統(tǒng)不同，這些材料是被動(dòng)元件，不需要外部電力來調(diào)節(jié)溫度。

制造 PCM 建筑材料的傳統(tǒng)方法需要在每個(gè) PCM 顆粒周圍形成一個(gè)單獨(dú)的殼，就像一個(gè)盛水的杯子，然后將這些新包裹的 PCM 添加到建筑材料中。然而，尋找與 PCM 及其外殼兼容的建筑材料一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，這種傳統(tǒng)方法還減少了可摻入建筑材料中的 PCM 顆粒的數(shù)量。

為了克服這些挑戰(zhàn)，過去的研究表明，當(dāng)使用與液體樹脂混合的相變石蠟時(shí)，樹脂既可以作為外殼，也可以作為建筑材料。這種方法將 PCM 顆粒鎖定在各自的口袋內(nèi)，使它們能夠安全地進(jìn)行相變并管理熱能而不會(huì)泄漏。

研究團(tuán)隊(duì)首先將光敏液體樹脂與相變石蠟粉相結(jié)合，創(chuàng)造出一種新的 3D 可打印墨水復(fù)合材料，改進(jìn)了含有 PCM 的建筑材料的生產(chǎn)過程，并消除了包括封裝在內(nèi)的幾個(gè)步驟。

樹脂/PCM 混合物柔軟、糊狀且具有延展性，非常適合 3D 打印，但不適用于建筑結(jié)構(gòu)。因此，通過使用光敏樹脂，他們用紫外線將其固化以固化可 3D 打印的糊狀物，使其適用于實(shí)際應(yīng)用。

他們發(fā)現(xiàn)嵌入樹脂中的相變蠟不受紫外線的影響，占打印結(jié)構(gòu)的 70%。與目前工業(yè)中使用的大多數(shù)可用材料相比，這是一個(gè)更高的百分比。

他們通過 3D 打印小型房屋形狀模型，并測(cè)量將房屋放入烤箱時(shí)的溫度，來測(cè)試其相變復(fù)合材料的溫度調(diào)節(jié)。分析表明，與傳統(tǒng)材料制成的模型相比，該模型的溫度與加熱和冷卻熱循環(huán)的外部溫度相比相差40%。

未來，研究人員將試驗(yàn)除石蠟之外的不同相變材料，以便這些復(fù)合材料可以在更寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并在給定的周期內(nèi)管理更多的熱能。

對(duì)材料在降低能耗的同時(shí)保持建筑舒適度的潛力感到興奮，可以將具有不同熔化溫度的多種 PCM 結(jié)合起來，并將它們精確地分配到單個(gè)打印對(duì)象的各個(gè)區(qū)域，以在整個(gè)四個(gè)季節(jié)和全球范圍內(nèi)發(fā)揮作用。