能源消耗和气候变化是21世纪人类面临的两大问题，节能的重要性和紧迫性日益突出。调查报告（《2024年中国城乡发展领域的碳排放研究报告》）指出，2022年建筑行业的能源消耗占社会总能源消耗的44.8%。建筑物的运行和使用过程中消耗了大量能源，其中70∼80%的能源损失是由于建筑围护结构的隔热性能差造成的[1]，[2]。对于建筑隔热而言，隔热涂层可以有效防止热量传递，减少建筑物内外部的热交换，从而降低室内能源消耗。此外，隔热涂层还具有低成本、施工方便和环保等优点，因此在建筑隔热领域具有广泛的应用前景[3]，[4]。
建筑隔热涂层可分为反射型、辐射型、阻隔型和复合型涂层[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。反射型涂层通过反射阳光来减少基材对太阳辐射能量的吸收，其太阳反射率可超过90%，从而降低制冷能耗[10]，[11]，[12]，因此它们在夏季炎热的地区得到广泛应用。反射型涂层的设计基于高光散射效率的微观结构以提高太阳反射率[13]，[14]，[15]。韩等人[16]开发了一种含有多孔SiO₂气凝胶（约4%）的水基涂层，其太阳反射率高达94%，导热率为0.0854 W/(m·K)。然而，高导热率显著影响了其隔热性能，因为外部热量会通过涂层迅速传递到内部，导致较高的制冷能耗。对于辐射型涂层，吸收的热量可以通过大气窗口（8∼13 μm）以红外辐射的形式释放到空间中，实现无需能耗的制冷[17]，[18]，[19]。辐射型涂层的设计通常基于在8∼13 μm波段具有强吸收能力的分子结构和化学键，以提高在大气窗口的发射率[20]，[21]，[22]。唐等人[17]通过引入十二烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸甲酯（热红外发射组分）制备了一种具有热适应性辐射冷却性能的异质多孔纳米复合膜（HENF），HENFs在8∼13 μm波段的发射率为96.5%，反射率为97.3%（0.3∼2.5 μm）。然而，该研究未考虑导热率对隔热性能的影响。这类辐射型涂层通常具有较高的导热率（或隔热性能较差），在抑制由热传导引起的建筑物温度变化方面效果不佳[18]，[19]，[23]。阻隔型隔热涂层主要通过低导热率来阻止热量传递，从而实现优异的隔热性能[24]，[26]。王等人[24]通过调整二氧化硅气凝胶涂层（导热率范围为0.025∼0.030 W/(m·K)）的导热性能，实现了按需热管理（ODTM），在白天可产生5°C的温差。陈等人[26]证明，在上海，阻隔型隔热涂层的热阻应超过0.11 (m²·K)/W才能达到良好的节能效果。总体而言，阻隔型涂层在光学性能方面受到的关注较少。
目前，尽管反射型和辐射型涂层可以有效减少建筑物的热量吸收以实现节能，但它们仅适用于夏季炎热的地区。对于阻隔型涂层，虽然它们具有良好的隔热性能（低导热率），可以用于寒冷冬季的建筑隔热，但其反射率或发射率通常较低，导致夏季的制冷效果不佳。因此，建筑市场迫切需要同时具有高反射率、高发射率和低导热率的复合涂层，以满足夏季或冬季的建筑节能需求。
目前，气凝胶被认为具有最佳的热绝缘性能，SiO₂气凝胶已广泛应用于建筑隔热领域。研究表明，SiO₂气凝胶可以大大降低涂层的导热率，但其超疏水性和大体积堆积会导致涂层流动性差和施工问题，从而导致涂层结构松散和强度降低，因此需要严格控制添加量[27]，[28]，[29]。多孔硅酸盐（PCS）是一种具有高孔隙率和高比表面积的纳米多孔材料，PCS中的Si-O-Si键在1000 cm⁻¹波长处具有强红外吸收能力，使其在8∼13 μm波段具有高红外发射率[30]，[31]。此外，PCS的高孔隙率还使其具有高的光散射能力，表现出明显的多级散射效应，从而赋予涂层高的太阳反射能力[32]，[33]，[34]。另外，PCS还具有低导热率、高纳米活性和亲水性，可以降低涂层的导热率，可能弥补气凝胶对强度性能的负面影响[35]，[36]，[37]，[38]，[39]。因此，SiO₂气凝胶和PCS的结合有望解决传统建筑涂层无法同时实现良好反射率、发射率和导热率的问题，进一步提高建筑物的能源效率。
本文开发了一种含有SiO₂气凝胶和PCS的复合隔热涂层用于建筑隔热。PCS的多孔结构形成的多级散射效应显著提高了涂层的反射率，而PCS中含有的Si-O-Si基团在红外吸收功能的作用下使涂层在大气窗口（8∼13 μm）具有高发射率。同时，少量的SiO₂气凝胶可以有效降低复合材料的导热率而不影响其强度，从而提高其隔热性能。结果，该涂层的太阳反射率和半球发射率分别为0.92和0.95，大气窗口（8∼13 μm）的发射率达到0.97。含有6% PCS的涂层导热率为0.0401 W/(m·K)，厚度为3毫米的涂层热阻达到0.61 (m²·K)/W。采用有限元分析（FEA）模拟并验证了PCS对涂层可见光反射率和隔热性能的影响。这项研究为建筑隔热涂层的设计提供了新的思路。
