深圳大学/南方科技大学/莫纳什大学:双路径抑制热驱动与湿驱动钢腐蚀,为海洋结构穿上“双重铠甲”

海洋混凝土结构中的钢材腐蚀因太阳加热和海水渗透而严重加剧，氯离子侵入和电化学降解过程被进一步加速。现有防护策略往往难以协同实现高效热调控和抗润湿功能，无法应对海洋环境中热-湿耦合腐蚀加速机制。

针对这一难题，深圳大学崔宏志团队与南方科技大学、莫纳什大学合作，开发了一种双效防护生物涂层，由碳化硅酸二钙（C₂S）/BaSO₄复合凝胶基层和疏水SiO₂纳米颗粒表层组成，旨在被动抑制热驱动和化学驱动腐蚀。碳化活化C₂S形成化学键合的钙改性硅酸盐凝胶基体，确保与混凝土的牢固粘附；BaSO₄纳米颗粒实现了94.6%的太阳反射率和92.8%的中红外发射率，可实现高效被动制冷。结合防水疏水表层，该双层防护涂层在直射阳光下实现4.13°C亚环境冷却和151.3°水接触角的优异抗润湿性能，有效抑制了太阳热负载和氯离子渗透。

图1 | 传统钢筋混凝土与双效防护涂层钢筋混凝土的设计与模型计算

传统混凝土材料本质亲水且吸热，在海洋气候中，高湿度下海水毛细吸收形成连续电解质通道，同时低反射率导致大量热吸收和显著温度波动（如深圳夏季日周期18.9-57.4°C）。升高的温度通过Arrhenius效应降低钝化破坏的临界氯离子阈值并加速腐蚀速率。

研究团队设计的温度-湿度和制被动防腐涂层（T-PAC）通过协同辐射制冷和疏水屏障实现防护。理论计算表明，当太阳反射率和ATW发射率均超过90%时，可在直射阳光下实现亚环境日间辐射制冷。在45°C和85% RH条件下，腐蚀速率较25°C/60% RH提升约100%，凸显了多因素协同防护的必要性。

图2 | 双效防护双层涂层的制备与表征

T-PAC通过五步法制备：BaSO₄ NPs超声分散→加入C₂S粉末和减水剂→刷涂于混凝土基底→碳化处理（20% CO₂，70% RH）→喷涂疏水SiO₂ NPs。涂层呈纯白色，利于阳光反射。断面SEM显示双层结构：上层为密堆积SiO₂纳米球，下层为C₂S/BaSO₄复合材料，且碳化层与OPC基底间呈现渐变过渡的无缝界面融合，粘附强度达1.61 MPa，远超传统涂层（0.4-0.8 MPa）。

XRD和FT-IR分析表明，BaSO₄ NPs的引入诱导文石向方解石的多晶型转变——方解石带隙比文石宽约1.0 eV，有助于提高太阳反射率。TGA证实BaSO₄掺杂样品在780-900°C出现额外的方解石分解质量损失。

图3 | 涂层的疏水性与氯离子阻挡性能

原始OPC基底呈超亲水性（接触角0°）。C₂S、C-C₂S和CB-C₂S涂层同样保持亲水性（接触角0°）。而T-PAC涂层因疏水SiO₂表层，静态接触角达151.3°，滚动角低于5°，动态液滴冲击测试显示液滴在40 ms内完全弹跳。

在高湿度（RH≈100%）和35°C模拟海洋环境中，T-PAC的质量几乎无增加，而OPC样品因多孔结构和极性基团表现出最快质量增长。氯离子阻挡测试表明，T-PAC几乎不允许海水通过，具有最强的Cl⁻阻挡能力。碳化处理提供了额外的Cl⁻阻挡机制——碳化产物填充孔隙，降低渗透性。

图4 | 涂层的光谱特性与被动热调控性能

C₂S样品的平均太阳反射率为76.14%，碳化后提升至81.44%，进一步添加10 wt.% BaSO₄ NPs后提升至90.36%，50 wt.%时达94.35%。中红外发射率（8-13 μm）在所有C₂S衍生涂层中稳定在90.2-92.35%之间，对成分变化不敏感。涂层厚度增加可提高太阳反射率，但红外发射率基本恒定。

室内静态热测试表明，OPC稳态温度约50°C，C₂S涂层降至42°C，C-C₂S降至40°C，CB-C₂S进一步降至36°C。室外动态测试显示，CB-C₂S和T-PAC在正午峰值太阳强度下仍保持亚环境温度降，平均亚环境降温2.3°C，峰值4.13°C，较OPC最大降温约28.4°C。理论计算表明，T-PAC的净冷却功率达71.9 W/m²，滞止温度约4.8°C。

图5 | 腐蚀抑制性能验证

电化学测试表明，T-PAC涂层在3.5 wt.% NaCl浸泡45 min后，Nyquist谱半圆最大，低频阻抗|Z|{0.01} > 1000 ohms，腐蚀电位最高（-0.512 V），腐蚀电流最低。30小时盐雾处理后，T-PAC仍保持最大半圆和最高|Z|{0.01}值。

经过30个循环（每循环3小时盐雾+3小时太阳辐照+18小时环境暴露）加速腐蚀测试后，T-PAC的|Z|_{0.01}几乎不变，腐蚀电流仅增加0.02 μA/cm²，单位面积质量损失低于1 g/m²，较OPC（29.9 g/m²）降低一个数量级。相比之下，CB-C₂S涂层质量损失10.6 g/m²，C-C₂S为17.7 g/m²。T-PAC表面保持完整无可见腐蚀，而其他样品出现严重点蚀。

图6 | 辐射制冷与超疏水的协同防护机制

T-PAC中辐射制冷与超疏水性能通过相互保护和增强实现协同：疏水SiO₂层保持辐射制冷层干燥清洁，确保无阻碍的太阳反射和ATW发射；而制冷层的温度调节减少表面冷凝，促进水排斥性的恢复。定量分析表明，辐射制冷单独使腐蚀速率降低71.6%，超疏水层额外贡献95.7%的腐蚀电流降低，两者协同使实际腐蚀电流（1.453 μA/cm²）比理论乘积累加值（2.94 μA/cm²）低50.6%，协同指数SI=1.013>1。

在污染测试中，T-PAC展现出自清洁能力，表面污染物可被水滴带走；而CB-C₂S表面易被污垢覆盖。污染后T-PAC的温度上升幅度远小于CB-C₂S，验证了疏水表层保持制冷层清洁的关键作用。

本研究建立了热-湿协同调控的海洋混凝土腐蚀防护新范式。通过在C₂S基涂层中集成辐射制冷（94.6%太阳反射率+92.8% ATW发射率）和超疏水结构（151.3°接触角），T-PAC涂层同时实现了亚环境冷却（ΔT=-4.13°C）和近乎零的水渗透性，从根源上抑制了氯离子侵入和太阳热加速这两个腐蚀加速器。在相当于76年以上自然暴露的30天循环加速老化测试中，涂层展现出卓越的稳定性：|Z|_{0.01}几乎不变，腐蚀电流仅增加0.02 μA/cm²，质量损失低于1 g/m²。更重要的是，研究揭示了辐射制冷与超疏水之间的协同机制——辐射制冷通过降低热负载抑制Arrhenius型动力学加速，而超疏水性能通过Cassie态稳定化破坏电解质渗流，两者相互增强、共同作用。这一多物理场腐蚀抑制策略超越了传统的单一机制屏障防护，为暴露于湿热极端环境中的各类结构提供了可推广的材料设计原则。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-71930-x

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