可隨溫度變化改變物質形態的3D打印物料與建築材料混合使用

德克薩斯 A&M 大學的研究人員開發了一種新型建築材料novel phase-change material (PCM),可用於建造能夠自動溫度調節的建築物。

一旦與普通建築材料混合,該團隊獨特的蠟填充樹脂建築材料PCM可以通過3D 打印成結構,改變形狀以吸收熱能。目前,這種複合材料可以添加到油漆中並用於裝飾性家庭熱偏轉,但隨著進一步的迭代,它還具有建造更好地抵禦極端天氣的房屋的潛力。

他們對材料能夠降低能源消耗的同時保持建築物舒適的潛力感到興奮。物質設施的研究科學家 Peiran Wei 博士說,他們可以將具有不同熔化溫度的多種 PCM 結合起來,並將它們精確地分配到單個打印對象的各個區域,以在四個季節和全球範圍內發揮作用。這種新型 PCM 建築材料可用於 3D 打印氣候變化防風雨房屋。

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Image source: Texas A&M University

隨著氣候變化開始對世界的天氣模式造成嚴重破壞,數百萬人的房屋比以往任何時候都更容易受到溫度波動的影響。為了解決這個問題,通常使用加熱、通風和空調來調節住宅環境中的熱量,但此類設備往往耗電且能源效益低下。

更糟糕的是,暖空調還依賴被稱為製冷劑的溫室材料來產生涼爽乾燥的空氣,讓全球變暖問題更嚴重。因此,現在正在投入大量研究來尋找更有效的調節方法,而 3D打印 PCM 建築材料作為實現這一目標中顯示出特別的潛力。

實際上,PCM 建築材料能夠通過在吸收熱量時從固體轉化為液體來儲存熱量,同時進行相反的過程來釋放熱量,這意味著它們可以在不需要外部電源的情況下調節溫度。然而,目前製造此類複合材料需要在每個單獨的 PCM 顆粒周圍添加一個“殼”,從而限制了可以添加到現有建築材料中的數量。

NASA 空間技術研究所的研究員 Ciera Cipriani 說這個過程就像用鍋煮雞蛋一樣,但通過對 PCM 建築材料的生產方式進行生產,有可能使它們能夠在更寬的溫度窗口內運行。

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Image source: Texas A&M University

一種蠟基建築材料

PCM物料研究團隊從之前的研究中汲取靈感,將光敏樹脂與PCM石蠟粉混合,創造出一種新穎的 3D 可打印墨水。在這樣做時,研究人員能夠跳過包括封裝在內的幾個現有 PCM 生產步驟,因為樹脂同時充當外殼和建築材料。

通過將 PCM 顆粒鎖定在單個“口袋”內,這種方法還允許它們管理熱能,而不會洩漏和造成安全隱患。然而,該團隊的混合物最初被證明是柔軟的、糊狀的且具有延展性,因此為了使其可 3D 打印,他們會用紫外線對其進行固化以準備好作最終使用。

為了測試他們新型複合材料的功效,工程師們後來用它來 3D 打印微型房屋模型,並將其放入烤箱來提高其溫度。與使用傳統建築材料生產的樣品相比, PCM 的模型證明能夠保持比室外測量的溫度高或低 40% 的溫度。

展望未來,研究人員現在打算對石蠟以外的 PCM 建築材料進行試驗,目的是開發可以在更寬的溫度範圍內運行並同時管理更多熱能的3D打印材料。

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