《Fibers》：Experimental Research into the Thermal Properties of Structural Barriers Produced Using Additive Methods and Phase Change Materials (PCMs)
Beata Anwajler,
Krystian Grabowski,
Tullio de Rubeis,
Monika Nowakowska,
Pawe? Le?niewski and
Jacek Kasperski
编辑推荐：
建筑技术与材料工程的协同发展致力于开发提升能源效率的创新解决方案。其中，填充相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的热屏障因其卓越的热性能，在建筑项目中的应用日益广泛。增材制造技术能够生产具有可控多孔拓扑结构和定制化传热路径的建筑
建筑技术与材料工程的协同发展致力于开发提升能源效率的创新解决方案。其中，填充相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的热屏障因其卓越的热性能，在建筑项目中的应用日益广泛。增材制造技术能够生产具有可控多孔拓扑结构和定制化传热路径的建筑化热屏障。本研究调查了采用掩膜立体光刻（Masked Stereolithography, m-SLA）3D打印技术制造的轻质隔断的热性能，重点关注开孔开尔文（Kelvin）结构与闭孔蜂窝（honeycomb）结构两种几何形状。研究评估了两种整合相变材料的策略：将10%和30%（重量比）石蜡油直接添加至光聚合物树脂中，以及打印后使用基于相变材料的凝胶填充多孔空腔。研究旨在确立拓扑结构与相变材料分布对稳态热参数及瞬态温度稳定性的影响。在循环加热-冷却条件下的实验测试表明，增加石蜡油含量显著改善了热性能。含有30%相变材料的开孔开尔文结构表现出最低的导热系数（λ = 0.0289 W/(m·K)）和最高的热阻（R = 0.697 m2·K/W）。在相同相变材料含量下，蜂窝结构的导热系数为 λ = 0.0360 W/(m·K)，热阻为 R = 0.590 m2·K/W。瞬态分析证实了增强的温度稳定效果，开尔文结构和蜂窝结构的最大温差（ΔT）值分别达到29.55 K（30%相变材料）和28.61 K（蜂窝结构，30%相变材料）。这些结果证实，增材制造产生的几何结构在调控基于相变材料的热屏障中的热传递和潜热利用方面起着决定性作用。
采用增材制造方法与相变材料（Phase Change Materials, PCMs）制备的结构屏障热性能实验研究解读
研究背景与意义
提升建筑隔断与冷库的隔热性能，是增强能源效率、降低建筑与制冷行业碳足迹的核心工程挑战。相变材料（PCMs）凭借其在狭窄温区内可逆固-液相变过程中的高相变焓（latent heat, ΔH），具备显著的蓄热与释热能力，被视为降低峰值热负荷、稳定室内温度的被动式解决方案。然而，PCMs在实际工程应用中面临两大技术瓶颈：一是液态时的泄漏风险，二是许多PCMs固有的低热导率，这限制了动态条件下潜热的利用效率。尽管引入石墨等导热填料可改善传热，但往往会牺牲PCMs的有效占比。在此背景下，增材制造（Additive Manufacturing）技术通过设计特定的几何结构、孔隙率和热传导路径，为解决上述问题提供了新思路。然而，现有文献多侧重于单一的材料改性（如微胶囊相变材料 MEPCM）或宏观封装面板的动态响应，缺乏在同等边界条件下，对细胞结构拓扑与PCMs集成方法如何影响稳态参数（如导热系数 λ、热阻 R）及瞬态响应（如温差 ΔT）的系统比较研究。因此，Beata Anwajler、Krystian Grabowski、Tullio de Rubeis、Monika Nowakowska、Pawe? Le?niewski 与 Jacek Kasperski 等研究人员开展了本项研究，成果发表于《Fibers》。该研究旨在阐明结构拓扑与PCMs引入方法对热响应的影响，为新一代节能隔热屏障的设计提供理论依据。
关键技术方法
研究人员采用掩膜立体光刻（m-SLA）3D打印技术，使用大豆油基植物树脂制备了两类几何结构样本：开孔开尔文（Kelvin）细胞结构与闭孔蜂窝（honeycomb）结构。研究设定了两种PCMs集成策略：其一为直接将商用PT8石蜡油（相变温度约8°C，储热容量178 J/g）按10%和30%的重量比掺入光敏树脂中；其二为打印后向细胞空隙中填充由石蜡油与Tylose（羟丙基甲基纤维素）混合而成的PCM凝胶。实验在配备FHF04SC热流传感器及热电偶的测量站中进行，样本尺寸为100 × 100 × 20 mm。测试环境模拟了内外双腔室条件，外部环境维持在22°C，内部腔室经历从-20°C至60°C的动态循环加热与冷却过程，以此评估样本的稳态热参数与瞬态温度稳定效能。
研究结果
3. 结果与讨论
数据分析显示，结构几何形状、PCM比例及其形态对热积累和稳定效率具有显著影响。随着PCM含量的增加，平均温差（ΔT）呈非线性上升趋势。在开尔文结构中，ΔT从0%石蜡油的20.85 K升至30%时的29.55 K，增幅达41.7%；蜂窝结构则从20.10 K增至28.61 K，增幅42.3%。这表明在高PCM含量下，两种几何结构均展现出相似的升温能力。然而，在低含量（10%）时，蜂窝结构的ΔT（25.85 K）显著高于开尔文结构（22.74 K），说明载体几何形状对低含量PCM的热效率至关重要。开尔文结构在10% PCM时表现出近乎完美的均匀温度场，这归因于其高度的连通性与拓扑各向同性。此外，PCM凝胶形式的表现介于10%至30% PCM之间，体现了局部连续性改善与精确分布受限之间的折衷。
在稳态热参数方面，含有30% PCM的开尔文样本表现出最低的导热系数（λ = 0.0289 W/(m·K)）和最高的热阻（R = 0.697 m2·K/W）。相比之下，蜂窝结构在30% PCM时λ为0.0360 W/(m·K)，R为0.590 m2·K/W。统计分析证实，PCMs的含量与类型是影响其分布的关键因素（p < 0.001）。研究还发现，PCMs的热效应仅在超过特定浓度阈值（如30%）后才显著改变复合结构的整体传热行为。值得注意的是，尽管PCM凝胶在瞬态条件下表现出良好的温度缓冲作用，但在稳态下其隔热性能不及直接掺入法，且参数变异性较大。总体而言，开尔文结构在热响应均匀性和热性能稳定性上均优于蜂窝结构。
4. 结论
研究证实，多孔结构的几何形状与PCMs的比例对样本的热响应具有决定性影响。开尔文几何结构在存在PCMs（特别是30% PCM凝胶形式）时，比传统立方结构表现出更高的热效率。这主要归因于开尔文结构各向同性的孔隙网络、较高的比表面积以及均匀的热传导路径分布，这些特征强化了基体与PCMs之间的热交换，从而更高效地利用了相变焓。相反，蜂窝结构表现出较大的热各向异性，局部固体材料的集中可能导致升温过快而缺乏有效的热稳定。因此，结构几何分析是对传统热分析方法的宝贵补充，开尔文型多孔几何结构能大幅提升含PCMs材料的热效率，而增材制造技术允许有意识地设计具有优化热性能的结构。本研究确认了选择合适几何形状与材料成分对于设计下一代热屏障的重要性。
