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【復合材料資訊】新型3D打印復合材料,可以調節(jié)建筑物內的溫度

2021-7-13

【復合材料資訊】

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。隨著溫度波動在世界范圍內變得越來越普遍,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)的負擔。

德克薩斯A&M大學的研究人員創(chuàng)造了新型3D可打印相變材料 (PCM) 復合材料,可以使用更簡單且具有成本效益的制造工藝調節(jié)建筑物內部的環(huán)境溫度。這些復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環(huán)境。

使用可擴展的方法將相變材料集成到建筑材料中的能力,為產(chǎn)生更多的被動溫度提供了機會,在新建筑和現(xiàn)有結構中調節(jié)提供了和化學系。

供暖、通風和空調 (HVAC) 系統(tǒng)是住宅和商業(yè)機構中最常用的溫度調節(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)了對替代材料和技術的研究,這些材料和技術需要更少的能量來運行,并且可以調節(jié)與 HVAC 系統(tǒng)相稱的溫度。

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

因此,當相變材料儲存熱量時,它們在吸收熱量時從固體轉變?yōu)橐后w,在釋放熱量時反之亦然。因此,與僅依靠外部電源來加熱和冷卻的 HVAC 系統(tǒng)不同,這些材料是被動元件,不需要外部電力來調節(jié)溫度。

制造PCM建筑材料的傳統(tǒng)方法需要在每個PCM顆粒周圍形成一個單獨的殼,就像一個盛水的杯子,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,當使用與液體樹脂混合的相變石蠟時,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,使它們能夠安全地進行相變并管理熱能而不會泄漏。

研究團隊首先將光敏液體樹脂與相變石蠟粉相結合,創(chuàng)造出一種新的3D可打印墨水復合材料,改進了含有PCM的建筑材料的生產(chǎn)過程,并消除了包括封裝在內的幾個步驟。

樹脂/PCM混合物柔軟、糊狀且具有延展性,非常適合3D打印,但不適用于建筑結構。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,使其適用于實際應用。

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

他們通過3D打印小型房屋形狀模型,并測量將房屋放入烤箱時的溫度,來測試其相變復合材料的溫度調節(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,研究人員將試驗除石蠟之外的不同相變材料,以便這些復合材料可以在更寬的溫度范圍內運行,并在給定的周期內管理更多的熱能。

對材料在降低能耗的同時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 結合起來,并將它們精確地分配到單個打印對象的各個區(qū)域,以在整個四個季節(jié)和全球范圍內發(fā)揮作用。


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