新型相变材料复合材料可以调节建筑物内部的环境温度。信用:德州农工大学；大学工程学院不断变化的气候模式让数百万人容易受到极端天气的影响。随着温度波动在世界各地变得越来越普遍，传统的高耗能冷却和加热系统需要一种更具创新性、更节能的替代方案，从而减轻已经陷入困境的电网的负担。在一项新的研究中，德克萨斯A&M大学的研究人员创造了一种新型的3D可打印相变材料复合材料，该复合材料可以使用更简单、更具成本效益的制造工艺来调节建筑物内的环境温度。此外，这些复合材料可以添加到建筑材料中，如油漆，或作为装饰性家居装饰的3D打印，以无缝集成到不同的室内环境中。
材料科学与工程系和化学系副教授艾米丽·彭泽博士说:“使用可扩展的方法将相变材料集成到建筑材料中的能力为在新建筑和现有结构中产生更多被动温度调节创造了机会。”。
这项研究发表在六月份的《物质》杂志上。
供暖、通风和空调系统是调节住宅和商业场所温度的最常用方法。然而，这些系统消耗大量能量。此外，他们使用被称为制冷剂的温室材料来产生凉爽干燥的空气。暖通空调系统的这些持续问题引发了对替代材料和技术的研究，这些材料和技术需要更少的能量来运行，并且可以调节与暖通空调系统相称的温度。
相变材料是对温度调节非常感兴趣的材料之一。顾名思义，这些化合物会根据环境温度改变其物理状态。因此，当相变材料储存热量时，它们在吸收热量时从固体转化为液体，反之亦然。因此，与仅依靠外部电源加热和冷却的暖通空调系统不同，这些材料是无源元件，不需要外部电力来调节温度。
制造相变建筑材料的传统方法需要在每个相变颗粒周围形成一个单独的外壳，就像一个盛水的杯子，然后将这些新封装的相变材料添加到建筑材料中。然而，找到与动力系统控制模块及其外壳兼容的建筑材料一直是一项挑战。此外，这种传统方法还减少了可掺入建筑材料中的相变材料颗粒的数量。
美国宇航局材料科学与工程系空间技术研究生研究员Ciera Cipriani说:“想象一下，往锅里装满鸡蛋和水。“如果每个鸡蛋都要放在一个单独的容器里煮，那么装在锅里的鸡蛋会更少。通过去掉塑料容器，也就是我们研究中名副其实的外壳，更多的鸡蛋，或者说PCMs，可以通过在水/树脂中更紧密地包装在一起而占据更大的体积。”
为了克服这些挑战，过去的研究表明，当使用与液体树脂混合的相变石蜡时，树脂既充当外壳又充当建筑材料。这种方法将相变材料颗粒锁定在它们各自的口袋中，使它们能够安全地经历相变并管理热能而不会泄漏。
同样，Pentzer和她的团队首先将光敏液体树脂与相变石蜡粉末相结合，创造了一种新的3D可打印油墨复合材料，增强了含有相变材料的建筑材料的生产过程，并取消了包括封装在内的几个步骤。
这种树脂/相变材料混合物柔软、糊状且具有延展性，非常适合3D打印，但不适用于建筑结构。因此，通过使用光敏树脂，他们用紫外光固化它，以固化3D可打印糊状物，使其适合现实世界的应用。
此外，他们发现包埋在树脂中的相变蜡不受紫外线的影响，占印刷结构的70%。与目前工业上使用的大多数材料相比，这是一个较高的百分比。
接下来，他们测试了相变复合材料的温度调节，方法是通过3D打印一个小型房屋形状的模型，并测量放入烤箱时房屋内部的温度。他们的分析显示，与传统材料制成的模型相比，该模型的温度与bot h加热和冷却热循环的外部温度相差40%。
在未来，研究人员将使用除石蜡以外的不同相变材料进行实验，以便这些复合材料能够在更宽的温度范围内运行，并在给定的周期内管理更多的热能。
“我们对我们的材料在降低能耗的同时保持建筑舒适的潜力感到兴奋，”材料科学与工程系和软物质设施的研究科学家·魏博士说。“我们可以将具有不同温度的多种印刷电路板组合在一起，并精确地将它们分布在单个印刷物体的各个区域，以在四季和全球范围内发挥作用。”
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