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高效調(diào)節(jié)建筑物室內(nèi)溫度 TAMU開發(fā)可3D打印的新型相變復(fù)合材料 

2021-07-14 08:45
考慮到加熱與冷卻系統(tǒng)消耗了的相當(dāng)多的能量,基于被動(dòng)式溫度控制的減排方案,也被研究人員寄予了相當(dāng)高的期望。近日,德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì),就在材料學(xué)旗艦期刊《Matter》上發(fā)表了一篇文章,以介紹該校工程師新開發(fā)的一種能夠 3D 打印的相變復(fù)合材料。
  
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 ?。▓D片來自:TAMU)

  相變材料(簡(jiǎn)稱 PCM)的特點(diǎn),是能夠隨著溫度的變化,而切換不同的物質(zhì)形態(tài)。而其最具前景的應(yīng)用場(chǎng)景之一,就包括了建筑物的溫度調(diào)節(jié)。
  比如 PCM 材料可在吸收熱量時(shí)熔化成液體,并為周圍環(huán)境提供冷卻。而當(dāng)環(huán)境溫度過低的時(shí)候,材料又會(huì)再次凝固,并釋放之前已儲(chǔ)存的熱量。

  此前,已有研究人員將 PCM 材料用于保持咖啡杯中的熱飲溫度、根據(jù)佩戴者的需要而保持織物的溫暖或涼爽、防止結(jié)霜的液體涂層等。
  不過此類新奇應(yīng)用,普遍效率低下且成本高昂。因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)外殼來容納液態(tài)的相變材料,這意味著需要將 PCM 顆粒嵌入到建筑材料中,所以現(xiàn)實(shí)中很難見到、更別提大規(guī)模推廣。

  有趣的是,德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),就希望將 PCM 直接混合到建筑材料中。具體說來是,他們將作為相變材料的石蠟、和作為支撐結(jié)構(gòu)的液態(tài)樹脂混合,從而創(chuàng)造出了一種能夠根據(jù)需要進(jìn)行成型的柔軟糊狀材料。

  一旦達(dá)到所需的形狀,即可使用紫外線固化以硬化樹脂。最終我們看到了一種堅(jiān)固到足以用于建筑的材料,且里面含有 PCM 的封裝。
  在免除了外殼之后,相變材料就能更密集地被囊括于其中(占材料總量的 63%),進(jìn)而提升了其調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的能力。
  更重要的是,這種材料現(xiàn)可更輕松地批量生產(chǎn)。柔軟的特性,意味著它能夠作為 3D 打印耗材,然后根據(jù)實(shí)際需求制成任意形狀或尺寸、且成本遠(yuǎn)低于其它 PCM 建筑材料。

  研究作者 Emily Pentzer 博士表示:“借助可擴(kuò)展非方法,將相變材料集成到建筑材料中的能力,為其在新建筑和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中發(fā)揮更大的被動(dòng)式溫度調(diào)節(jié)能力而創(chuàng)造了機(jī)會(huì)”。

  作為演示,研究團(tuán)隊(duì)打印并固化了一個(gè)小型空心房屋模型。當(dāng)模型被置于烤箱中時(shí),中空的內(nèi)部較外部環(huán)境溫度低了 40% 。此外經(jīng)過 200 次熔化 / 凝固循環(huán),也幾乎沒有出現(xiàn)相變材料的泄露。

  有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情,已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《Matter》期刊上,原標(biāo)題為《Thermal energy regulation with 3D printed polymer-phase change material composites》。
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