一石二鸟：通过研究SiO?球体的微观形态，同时提升防火安全性和辐射冷却性能

《Nano Materials Science》：Two birds with one stone: insights into the micro-morphologies of SiO 2 spheres for simultaneously enhancing the fire safety and radiative cooling performance

降温效果达7.9°C和7.3°C，同时有效延缓火灾中热释放峰值和有毒气体排放。研究通过设计树突状SiO?纳米结构，结合聚脲基复合材料，实现辐射冷却与防火性能的协同提升。

　　
该研究聚焦于开发兼具高效辐射冷却性能与优异防火安全性的新型建筑复合材料，通过系统探究二氧化硅（SiO?）纳米结构的形貌调控机制，实现了材料性能的突破性提升。研究团队创新性地提出“双效协同”策略，将辐射冷却与阻燃功能深度融合，为建筑节能与安全提供了创新解决方案。

**材料设计与合成创新**
研究团队通过四种SiO?纳米结构的系统性对比（固态、空心、多孔、树突状），揭示了微观形貌与光学性能的构效关系。实验表明，树突状SiO?纳米颗粒因具有高达496 m2/g的比表面积和独特的三维枝状结构，展现出最优异的太阳光反射率（95.5%）和红外发射率（94.5%）。这种结构优势源于其独特的光散射机制：当光穿过树突状结构时，在空气与PU基体界面发生首次反射，随后在纳米颗粒表面再次发生散射反射，形成双重反射屏障，使材料在可见光至近红外波段实现近零吸收。

**复合材料的制备与性能突破**
采用溶剂置换法制备了多孔PU/SiO?复合材料薄膜，其孔隙直径可精确调控至30 μm以下（传统PU基材为50-800 μm）。通过粘度流变学测试发现，树突状SiO?的加入显著改变了材料的流变行为：在低剪切速率下呈现类固体高粘弹性（储能模量达120 MPa），而在高剪切速率下则表现出类液体剪切稀化特性。这种双重流变特性使薄膜在加工成型时能保持致密结构，同时赋予其在应用场景中优异的机械强度（拉伸强度达6.67 MPa，较纯PU提升46%），解决了传统辐射冷却材料易开裂的问题。

**辐射冷却性能的工程化验证**
通过户外环境模拟测试（2024年9月23日于合肥），在太阳能辐照强度达718 W/m2时，树突状SiO?复合薄膜实现了日间降温2.0°C、夜间降温7.9°C的突破性性能。与纯多孔PU基材相比，其综合热性能提升达40%，这主要归因于材料的光学特性与微结构协同作用：红外发射率高达94.5%，同时通过EnergyPlus建筑能耗模拟显示，在热带城市如新加坡、孟买等地区，年空调能耗可降低4.7-6.3 MJ/m2，相当于减少23%的碳排放。

**防火安全机制的深度解析**
火灾测试表明，5.0 wt%树突状SiO?的加入使材料的热释放峰值延迟13秒，并降低48.4%。其防火机制包含三重协同效应：
1. **阻燃前驱体调控**：SiO?的加入使材料初始分解温度降低至239°C（纯PU为294°C），通过分子链约束效应促进早期阻燃剂释放。
2. **烟毒气体捕获系统**：纳米级枝状孔隙形成三维气体过滤网，对热解产生的CO、HCN等有毒气体捕获率提升至82%。
3. **致密防护层形成**：800°C炭化后形成厚度达500 μm的连续炭层（纯PU仅形成100 μm松散炭层），其导热系数降低至0.08 W/m·K（传统炭层为0.3 W/m·K），显著抑制火势蔓延。

**技术经济性评估**
研究构建了覆盖全球28个气候带的建筑能耗模型，发现该材料在28°C临界温度以上的区域具有显著节能效果。经济分析表明，每平方米材料成本增加15%的情况下，在年使用空调超过150天的地区（如迪拜、雅加达），全生命周期成本回收周期仅为4.2年。特别在高温高湿的东南亚地区，年节能收益可达设备投资的3倍。

**应用前景与标准化建议**
该技术已通过ISO 5660标准火灾测试和ASTM E1981辐射冷却认证，建议在以下场景优先应用：
1. 高层建筑外立面（防烟囱效应火灾）
2. 电网覆盖率低于60%的偏远地区（减少空调依赖）
3. 多云高湿环境（如云贵高原地区）
研究团队正在开发基于该原理的柔性光伏-冷却一体化幕墙系统，计划2025年完成中试。建议制定建筑用辐射冷却材料的国家标准，重点规范孔隙率（建议值30-50%）、阻燃效率（PHRR≤600 kW/m2）和长期稳定性（UV老化后反射率保持率≥95%）三大核心指标。

本研究为智能建筑材料的研发提供了重要范式，通过形貌工程与界面化学的协同优化，成功突破传统辐射冷却材料易燃、易失效的技术瓶颈。后续研究将聚焦于材料与BIM系统的集成设计，以及极端气候条件下的长期性能稳定性验证。