今天我们要聊聊3D打印技术如何在建筑节能领域的应用。

未来的窗户不再是单纯的玻璃板，而是能够根据季节自动调节阳光透过率的智能设备。

这样的场景需要特殊的材料和结构来实现，3D打印技术的推动下悄然来临。

建筑能耗与智能窗户的重要性

在当今世界，建筑能耗已成为一个不容忽视的问题。根据国际能源署的数据，建筑领域占全球能源消耗的近40%。

其中，空调和供暖系统是最大的能耗来源。因此，如何提高建筑能效已成为全球关注的焦点。

在这个背景下，智能窗户技术应运而生。

传统窗户在冬季会造成热量流失，夏季又会导致室内过热。而智能窗户能够根据外部环境自动调节其光学性能，在保证室内舒适度的同时，大幅降低能耗。

这张图a展示了理想的能效窗户在不同波长下的光谱特性。我们可以看到，在冷天（蓝线）和热天（红线）时，窗户对可见光和近红外光的透过率有显著差异。

这正是智能窗户所追求的目标：在冬季让更多的热量进入室内，而在夏季则阻挡大部分热量。

而b这部分展示了理想的能效墙壁和屋顶的光谱特性。与窗户不同，墙壁和屋顶主要关注的是吸收率和发射率。在冷天，它们应该具有高吸收率以吸收更多太阳热量，而在热天则应具有低吸收率和高发射率以反射阳光并释放热量。

图c是一个示意图，概括了整篇文章涵盖的该领域的各种制造技术，如涂层、气相沉积、纳米光刻、打印、蚀刻和静电纺丝，本文主要讲关于3D打印的内容。

3D打印：智能窗户制造的新方向

近期，一项发表在Microsystems & Nanoengineering上的研究提到将3D打印技术应用于智能窗户的制造，开创了一个全新的技术方向。

研究提到了成功使用3D打印技术制造了各种智能窗户材料，包括：

1. 热响应水凝胶

2. 热致变色纳米粒子基聚合物

3. 电响应聚合物凝胶

4. 电致变色薄膜

5. 磁性纳米粒子填充聚合物

   
   

这些材料各具特色，能够响应不同的环境刺激，从而实现智能调光。

VO2基智能窗户的突破性进展

其中，Zhou等人的研究尤为引人注目。

他们利用数字光处理（DLP）3D打印技术，制造出带有倾斜微光栅结构的VO2（二氧化钒）基复合材料。这种材料具有温度敏感性，能够根据环境温度自动调节其对阳光的透过率。

上面这张图a展示了利用3D打印技术制造VO2基复合材料的过程。我们可以看到，通过DLP技术，研究人员能够精确控制打印物体的微观结构，包括倾斜微光栅的角度。这种精确控制是实现智能调光的关键。

图b说明了带有倾斜微光栅的智能窗户如何在夏季和冬季调节阳光入射。倾斜结构使得窗户能够根据季节变化自动调节其光学性能。

图c是光学显微镜图像，展示了0°和45°倾斜角度的微光栅结构。这些不同角度的结构直接影响了窗户的光学性能。

图d-i展示了Zhou等人开发的纳米多孔聚合物复合材料（PE和SiO2）可通过3D打印技术塑造成各种复杂形状，适应不同建筑需求。这种材料采用SiO2浓度梯度的双层结构，有效减少了UV波段的反射减弱效应。测试显示，该材料在0.3-2μm范围内实现了96.2%的太阳反射率，在8-13μm范围内达到了超过90%的红外发射率，这种优异的性能使其成为理想的建筑散热材料。

技术细节：VO2基3D打印如何实现智能窗户

1. 材料准备：

   
   研究团队首先将VO2纳米粒子与光敏树脂混合，制成可3D打印的复合材料。

   
   这一步骤的难点在于如何确保VO2纳米粒子在树脂中均匀分布，以保证最终产品的性能一致性。

   
   

2. 3D打印过程：
   
   接下来，研究人员使用DLP 3D打印机进行打印。DLP技术的优势在于其高精度和快速成型能力，能够精确控制微光栅结构的形状和角度。
   
   

3. 后处理：
   
   打印完成后，样品需要经过清洗和固化等后处理步骤。这一阶段对于确保材料的最终性能至关重要。研究人员发现，适当的后处理可以显著提高VO2的相变效率。
   
   

4. 性能测试：最后，研究团队对打印出的样品进行了全面的性能测试，包括光学性能、热学性能和耐久性测试等。
   
   

研究成果：突破性的性能表现

测试结果令人振奋。这种3D打印智能窗户展现出了优异的性能：

• 在低温时（模拟冬季），窗户允许约60%的近红外光透过。

• 在高温时（模拟夏季），近红外光的透过率降至约10%。
  
  

前文中图b和图c展示了3D打印智能窗户的实际应用效果。

b显示了窗户在夏季和冬季如何调节阳光入射，而c则展示了不同倾斜角度（0°和45°）的微光栅结构在显微镜下的图像。

这种结构设计使得窗户能够根据季节变化自动调节其光学性能，从而达到节能效果。

笔者的理解是，本文中描述的VO2基复合材料能够根据温度变化自动调节其光学性能，这种对环境刺激的响应性正是4D打印的核心特征之一。

4D打印是指打印出的物体能够随时间或环境变化而改变形状或功能。

当然，不论本文的内容算不算4D打印，它都展示了3D打印在高科技材料制造中的潜力，更为解决建筑能耗问题提供了一个创新方案。

写在最后

传统的智能窗户制造工艺往往涉及复杂的涂层技术或电控系统，而3D打印方法则大大简化了制造过程，同时提供了更精细的结构控制能力。

这一应用也拓宽了3D打印的应用领域，有望带动相关设备和材料的需求增长。VO2基复合材料应用也将刺激更多智能材料在3D打印领域的研究。

VO2基复合材料3D打印当然是一个冷门而又小众的领域，但是其背后的窗户以及节能材料市场非常庞大，同时这代表一种全新的思维方式，如何通过微观层面的材料和结构解决系统性问题。

未来，通过3D打印，我们居住的建筑可能会像生命体一样，能够自主响应环境变化。

参考文献：

Wang, G., Ryu, K., Dong, Z. et al. Micro/nanofabrication of heat management materials for energy-efficient building facades. Microsyst Nanoeng 10, 115 (2024). https://doi.org/10.1038/s41378-024-00744-y

Zhou, C. et al. (2020). 3D Printed Smart Windows for Adaptive Solar Modulations. Advanced Optical Materials, 8(14), 2000013. https://doi.org/10.1002/adom.202000013

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