一、设计理念：从单机制防护到热-湿协同抑制
传统钢筋混凝土结构在海洋环境下面临双重挑战（图1a）：一方面，太阳辐射导致表面温度剧烈波动（深圳夏季典型日温可达18.9-57.4 ℃），高温加速氯离子扩散和腐蚀反应；另一方面，高湿度环境下海水毛细吸收形成连续电解质通路。传统环氧涂层或阴极保护等策略往往仅针对单一因素，难以应对热-湿耦合加速。
研究者设计的T-PAC涂层（图1b）采用双层结构：底层为碳矿化C2S/BaSO4复合凝胶，负责被动辐射制冷；面层为疏水SiO2纳米颗粒，用于抗浸润和离子阻隔。理论计算表明（图1c-d），当太阳反射率超过90%、大气窗口发射率超过90%时，可实现低于环境温度的日间辐射制冷；而将温度从45°C降至25°C、相对湿度从85%降至60%，可使腐蚀速率降低约100%，充分证明了热-湿协同抑制的巨大潜力。
图1. 传统钢混结构与双重防护涂层的设计理念与防锈性能理论计算
二、涂层制备与多尺度结构表征
T-PAC的制备采用五步法（图2a）：BaSO4纳米颗粒超声分散→与C2S粉体和减水剂混合→刷涂于混凝土基底→24小时养护→CO2碳化固化（20% CO2，70% RH，30 min）→喷涂疏水SiO2面层。所制备的T-PAC在OPC基底上呈现纯白色外观（图2b），显示出较高的太阳光反射能力。SEM观察显示（图2c），T-PAC表面呈现出由SiO2纳米球随机堆垛形成的分级多孔结构，这种结构既有利于太阳光散射，又能通过捕获空气层实现超疏水。截面图（图2d-f）清晰展示了T-PAC的双层结构：上层为致密堆垛的SiO2纳米球，下层为C2S/BaSO4复合凝胶，两层之间呈现突变的界面过渡；而C2S/BaSO4层与OPC基底之间则通过化学键实现无缝融合，这是传统环氧涂层难以企及的。图2g显示，T-PAC与混凝土基底的粘结强度达到1.61 MPa，远超文献报道的典型水泥基涂层粘结强度（0.4-0.8 MPa）。XRD和FT-IR分析（图2j-k）表明，BaSO4的引入诱导了碳酸钙从亚稳态文石向热力学稳定方解石的晶型转变，这种转变有利于提高涂层的力学性能和太阳光谱反射率。TGA定量分析（图2l）证实了BaSO4对碳化产物结晶度的增强作用。
图2. T-PAC的制备流程与多尺度结构表征
三、超疏水与氯离子阻隔性能
海洋环境存在静态浸泡和动态飞溅的两种典型润湿状态。研究者首先进行了静态润湿性测试。图3a显示，普通OPC表面呈超亲水特性（接触角为0°），C2S、C-C2S和CB-C2S涂层同样保持亲水性（0°）。与之形成鲜明对比的是，T-PAC的接触角高达151.3°，水滴在表面呈近球形。动态滚动角测试（图3b）进一步证实，T-PAC在低于5°的倾斜角下即可实现重力驱动的水滴滚落，而未改性涂层即使倾斜90°也无法使水滴脱离。基于高速摄像检测的动态润湿性测试（图3d-e）显示，T-PAC表面以Weber数86.7垂直冲击的水滴在40 ms内完成完全反弹，而OPC表面则直接铺展并被速吸收了相同的液滴。在高湿度（RH≈100%）和35°C的模拟海洋环境中，T-PAC的质量增量几乎为零（图3f），而其他涂层均表现出显著的海水吸收。
更为关键的是T-PAC所产线出的氯离子阻隔能力（图3g-h）：在海水过滤实验中，T-PAC几乎透过任何含有腐蚀性离子的海水，表现出最强的Cl⁻阻隔能力；而C-C2S和CB-C2S由于碳化致密化和BaSO4填充孔隙，也展现出比未处理C2S更强的阻隔效果。这表明，在渗透主导的阻隔机制中，表面润湿性起主要作用；而碳化致密化则提供了额外的阻隔屏障。
图3. T-PAC的疏水性与氯离子阻挡性能
四、光谱特性与被动热调控性能
T-PAC的辐射制冷性能取决于太阳光谱（0.28-2.5μm波段）的反射率和大气窗口（8-13μm波段）的发射率，这二者可通过碳化时间、BaSO4掺量和涂层厚度来调控。图4a显示，普通C₂S涂层的平均太阳反射率（R̅solar）为76.14%，碳化处理后提升至81.44%，而引入10 wt.% BaSO4 NPs后进一步提升至90.36%，超过亚环境日间辐射制冷的理论阈值（90%）。当BaSO4含量增至50 wt.%时，R̅solar达到94.35%。值得注意的是，疏水SiO2面层对R̅solar影响极小，而所有C2S衍生涂层在大气窗口的平均发射率（ε̅ATW）均稳定在90.2-92.35%之间，表明红外发射性能对成分变化不敏感。图4b显示，碳化时间存在30 min的最佳值，过长的碳化会导致碳化产物部分屏蔽BaSO4颗粒，反而使R̅solar略有下降。图4c揭示了一个重要特性：即使疏水层随时间失效导致涂层被海水润湿，太阳反射率也仅轻微下降，并在60分钟内自然恢复到91.6%。
为直观揭示T-PAC优异的光学性如何转化为辐射制冷性能，研究者进行了室内静态和室外动态热调控性能测试。在室内静态热响应测试中（图4d），普通OPC在1000 W/m2的模拟太阳辐射下15 min内升温至~50 ℃，而T-PAC在35 min后仅升温至约36 ℃，降幅达14 ℃。户外动态测试（图4e）进一步证实，在深圳夏季晴朗日间的强太阳辐射时段（11:00-13:00），CB-C2S和T-PAC样品实现了亚环境降温，最高温降达到-4.13 ℃，而OPC、C2S和C-C2S样品均大幅高于环境温度。理论计算（图4f-h）表明，T-PAC的净制冷功率在干燥条件下达到71.9 W/m2，且即使在疏水性能退化导致涂层被润湿的情况下，蒸发散热补偿可使净制冷功率恢复至接近干态水平，展现了在沿海高湿环境中的稳定热调控性能。
图4. T-PAC的光谱特性与被动热调控性能
五、腐蚀抑制性能验证
为进一步验证了T-PAC的防腐性能，申请对实验样品进行了电化学测试。图5a-c显示，在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡45分钟后，T-PAC涂层样品的Nyquist谱图呈现出最大的半圆直径，低频阻抗模值|Z|0.01超过103 Ω，远高于其他对比组涂层（<400 Ω）；腐蚀电位（Ecorr.）最高（-0.47 V），腐蚀电流密度（icorr.）最低，表明T-PAC对钢筋提供了最有效的保护。经过30小时盐雾处理后（图5d-f），T-PAC仍然保持最大的半圆直径和最高的|Z|0.01值，但值得注意的是，T-PAC与CB-C2S之间的差距有所缩小。说明在盐雾环境下，流体动压力降低，使得T-PAC和CB-C2S致密微结构阻隔海水渗透的能力差异变小；而OPC/C2S/C-C2S等对比组因本身的高吸水性，即使在盐雾条件下也几乎无法提供有效防护。
T-PAC优异的防腐性能通过30次循环加速劣化实验（每次循环：3小时盐雾+3小时1000 W/m2光照+18小时环境暴露）得到了进一步验证。已有研究的等效分析显示这30次循环的严苛处理相当于超过76年的自然海洋浪溅区暴露。图5g显示，T-PAC的|Z|0.01值在30次的循环过程中几乎保持不变，而其他涂层均出现显著下降。图5h的腐蚀电流监测进一步揭示，T-PAC的锈蚀起始时间显著延长，且icorr.值始终维持在极低水平。30次循环后的质量损失（图5i）结果更为直观：T-PAC单位面积质量损失接近0 g/m2，而OPC达到29.9 g/m2，CB-C2S为10.6 g/m2。定量协同分析表明，辐射制冷单独贡献了71.6%的腐蚀速率下降，与实测的74.3%高度吻合。
图5.腐蚀抑制性能验证
六、协同保护机制深度剖析
T-PAC的辐射制冷与超疏水功能并非简单叠加，而是通过互为增强的协同保护闭环实现卓越防腐性能（图6a）。一方面，辐射制冷层通过降低表面温度，稳定了海水在疏水表面的Cassie-Baxter状态，抑制了冷凝和润湿转变，从而保护了超疏水层。实验（图6b-e）表明：在模拟太阳光照下，T-PAC表面温度比对照样品（超疏水OPC）低约18.6 ℃；在90%高湿环境下，T-PAC仅出现离散的微细冷凝液滴（<1 mm），呈现滴状冷凝，而对照样品则出现液滴聚并和膜状冷凝，标志着向Wenzel状态的转变，是超疏水失效的前兆。另一方面，超疏水层通过自清洁和防水功能，防止海水吸收和污损附着，从而保护辐射制冷层的光学性能。图6f-i显示，即使被粘稠浆体污染，T-PAC在污损脱离后即可恢复洁净白色表面，热调控性能几乎不变；而缺乏超疏水层的CB-C2S则被污损严重覆盖（≈73.8%面积），太阳反射率不可逆下降。
基于上述机制，T-PAC实现了多阶段腐蚀抑制：I.腐蚀萌生阶段：超疏水层作为第一道防线，物理阻挡>90%的含氯海水侵入；冷却层作为第二道防线，降低氯离子扩散系数约66.8%，显著延迟残余氯离子到达钢筋表面的时间。II.腐蚀扩展阶段：一旦氯离子突破屏障，冷却层成为主防线，通过Arrhenius动力学抑制腐蚀反应速率达74.3%。这种互补机制使得T-PAC的整体防腐性能远超各部分之和，实现了高效的腐蚀抑制。
图6. 辐射制冷与超疏水的协同保护机制
研究总结
该研究建立了热-湿协同抑制的腐蚀防护新范式，通过将被动辐射制冷与超疏水功能集成于C2S基双层涂层，同时实现了亚环境被动制冷（-4.13℃）和近零海水渗透（接触角151.3°），解决了海洋混凝土结构面临的热致加速和湿致侵入两大腐蚀驱动因素。经过相当于76年自然暴露的加速老化测试，T-PAC的阻抗模值几乎不变，腐蚀电流仅增加0.02 μA/cm2，质量损失抑制在1 g/m2以下——比对照样品低一个数量级。这项研究为多物理场腐蚀抑制提供了一种范式转变，即用热-湿调控取代传统的单机制屏障策略，其所基于的材料原理可推广至一系列暴露于湿热极端环境的结构。
作者介绍
严咸通（Xiantong Yan），深圳大学助理教授，博士生导师，主要致力于仿生功能性界面的能量调控与物质传输及在建筑节能领域的应用。主持“国家自然科学基金面上项目”1项、“国家自然科学基金青年基金C类”1项、“中国博士后科学基金面上项目“1项，并先后参与国家自然科学基金面上项目2项、深港澳科技计划C类项目1项；入选“第一批教育部海外引才专项（国家级）”和“广东省海外博士后人才引进计划”；在Nature Communications（IF=15.7，Nature子刊）、Science Advances（IF=13.7，Science子刊）、ACS Nano（IF=16.2）、Nano Energy（IF=16.8）等国际权威期刊发表SCI论文20余篇。1篇论文被美国科学促进协会（AAAS）官方公众号重点报道，1篇论文被Science China: Physics, Mechanics and Astronomy编辑部列为特邀展示论文，Google Scholar总被引量1071余次，H指数15。
崔宏志（Hongzhi Cui），二级教授、博士生导师；国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发项目首席科学家、澳大利亚奋进研究学者；深圳大学“鹏城学者”特聘教授，深圳大学科学技术发展研究院院长、广东省低碳节能建筑工程技术中心主任、亚热带建筑与城市科学全国重点实验室副主任。研究方向包括结构-功能一体化建筑结构材料、能源地下结构、韧性材料及结构等。发表中英文科技论文超过200篇，并被国内外学者广泛引用。连续多年入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单、“全球前2%科学家科学影响力榜单”和“终身科学影响力排行榜”；已授权发明专利20余件。荣获2023年广东省技术发明奖一等奖（排名1）、2023年安徽省科技进步奖一等奖（排名1）、2022年中国发明协会发明创业奖一等奖（排名1）、2018年广东省自然科学奖二等奖（排名1）、2018年深圳市自然科学奖二等奖（排名1）等科技奖励。
