近日，中山大学元辛、顾林团队的相关研究成果以综述形式发表于国际顶级材料科学综述期刊《Progress in Materials Science》，题为“Interfacial phase confinement effect: multi-scale mechanisms and engineering breakthroughs of 2D material-reinforced polymer coatings”。

  该综述系统阐述了二维材料增强聚合物涂层中“界面相约束效应”这一被忽视的关键机制，突破了传统“填料含量-性能”线性依赖的局限。文章构建了“分子–微观–宏观”跨尺度调控框架与约束相关的定量关联模型，系统整合了二维材料表面改性、聚合物基体设计与复合工艺优化策略，厘清了团聚、电偶腐蚀等负面效应的成因与协同解决方案，阐明了核心失效模式（渗透、降解、界面脱粘、阴极剥离）的突破机制。通过对比六类典型二维材料（石墨烯、MXene、h?BN、MoS₂、2D MOFs、黑磷）的主导约束机制与应用瓶颈，本文最终建立了“定量机制–工程问题–解决方案–产业转化”的完整理论体系，为低填料含量下长效防腐涂层从实验室逆向设计走向大规模工业化应用提供了全景式路线图与关键理论支撑。

一. 从“高填料依赖”到“界面相约束”——防腐涂层的变革需求

  金属腐蚀每年造成全球经济损失超过2.5万亿美元，防护需求极为迫切。传统聚合物涂层虽是目前主流防护手段，但存在两大瓶颈：一是需要添加5–10 wt%的高含量填料才能实现基本保护；二是涂层服役寿命通常不足5年，难以满足苛刻环境下的长期防护要求。

  为解决上述问题，二维材料（如石墨烯、MXene、六方氮化硼等）因其原子级厚度、超大比表面积、优异的力学与化学稳定性，被广泛用作聚合物涂层的增强填料。然而，以往研究多关注填料的物理屏障或力学支撑作用，而忽略了界面处一个关键机制——界面相约束效应。该效应是指二维材料与聚合物之间在1–10 nm厚度的界面区域中，通过空间约束、界面相互作用（氢键、π?π堆积等）和动力学调控（链段运动受限），在极低填料含量（0.5–5 wt%）下即可大幅提升涂层的防腐性能与服役寿命，从而打破传统“填料含量越高性能越好”的线性依赖关系。

  因此，亟需系统揭示界面相约束效应的本质、跨尺度调控规律及其在工程化中的核心问题，为开发低填料、长寿命、高性能的防腐复合涂层提供理论支撑。

二. 综述亮点

亮点1：系统阐明“界面相约束效应”并构建跨尺度定量框架

  本综述明确界定了空间限域、界面限域、动力学限域三类机制的协同作用，建立了从分子链构象→ 纳米域结构 → 宏观性能的跨尺度传递路径，并给出关键定量公式（渗透率P∝1/d² ，屏障效率η∝t· ρ），将限域效应的研究从定性描述推进到定量关联层面。

图 1. 2D材料增强聚合物防腐涂层的制备-结构-性能关联机制示意图：该图展示了从“聚合物基体-2D纳米填料”的原始材料复合，到界面相/交联网络的构建，再到链缠结传递的性能增强机制，最终适应“腐蚀介质-应力耦合”服役环境的关联机制。

亮点2：系统分析三大负面效应，提出协同解决方案

  二维材料在涂层中常面临团聚、电偶腐蚀、界面老化三大工程瓶颈。本综述系统分析了各效应的微观成因（范德华力/π-π堆积、高导电性形成原电池、氢键断裂/链降解），并提出了“表面改性–工艺优化–界面设计”协同策略，给出了具体可操作的技术方案（如少层设计、绝缘包覆、动态氢键修复等）。

图2. 团聚效应的解决方法：(a) 超声处理有助于碳纳米管在氧化石墨烯上的均匀分布，促进 GO@CNTs 复合材料的形成，其中π-π堆积是关键相互作用之一；(b) 表面活性剂通过疏水相互作用、范德华力、静电吸引或π-π堆积等机制吸附在碳纳米管(CNTs)和氧化石墨烯(GO)表面，形成稳定的分散液；(c) 通过表面改性(m-CNT)与氧化石墨烯杂化的协同策略(m-CNT@GO)，碳纳米管在聚合物基体中的分散稳定性显著提高，团聚减少；(d) 二维材料团聚效应的解决方案示意图。

图3. 电偶腐蚀现象解决方案：(a) SiO₂ 沉积和 SiO / 水硫前驱体涂层，对应绝缘涂层技术。连续的 SiO₂ 涂层作为绝缘界面相的核心，其致密结构支持空间限域效应，证实其应用潜力；(b) 双层石墨烯结构与少层设计一致。层间界面相构建电荷传输限域环境，平衡阻隔性能和导电性，并通过限域效应减弱电偶腐蚀；(c) rGO-PANI/ES 涂层具有最低渗透率，对应界面钝化。钝化界面相通过化学键合和致密结构的协同效应产生空间限域效应，阻碍介质渗透并避免电偶腐蚀；(d) SiO₂ -GO/FC 复合涂层对应协同溶液。复合界面相阻断电子传输，通过协同限域效应限制介质渗透，并抑制裂纹扩展以增强防护。

图4. 界面相约束效应的抗老化机制及表征示意图：(a) 界面氢键与抗老化添加剂[309]：左侧水分子干扰界面相氢键形成不稳定界面（削弱约束效应），右侧紫外线吸收剂结构对应添加剂保护界面相的机制；(b) 界面相调控的性能与形貌：上部直方图反映调控后 MXene/CNTs 界面相的剪切强度稳定性（维持约束效应）；下部 SEM 对比界面粘附状态，反映界面相完整性对约束效应的影响；(c) 复合体系界面相多重相互作用：CF-EP 体系界面相的共价键、氢键等相互作用为增强约束效应提供结构基础。 (d) 复合抗老化界面相的构建：改性 MXene-PDMS 复合界面相（含有动态键）与老化后的结构变化，对应于复合溶液通过可修复界面相维持协同限域效应的机制。

亮点3：构建“定量机制–工程问题–解决方案–产业转化”完整体系

  本综述不仅总结理论，更直接面向工业化应用。它指出了当前四大核心挑战（原子级表征、跨尺度模型、规模化制备均匀性、绿色成本），并展望了未来突破方向（原位AFM-中子散射、ALD集成技术、绿色R2R工艺等），形成了从定量机制直达产业转化的完整闭环。

图5. 2D 材料（石墨烯、MXene、h-BN）增强聚合物涂层中界面相约束效应的跨尺度机制、核心创新突破和性能提升示意图。

三. 未来展望

  本综述系统阐明了二维材料增强聚合物涂层中界面相约束效应的科学本质，构建了从分子链构象到宏观性能的跨尺度定量框架，并针对团聚、电偶腐蚀、界面老化三大工程瓶颈提出了协同解决方案，形成了“定量机制–工程问题–解决方案–产业转化”的完整理论闭环。

  然而，该领域仍面临四大核心挑战：1. 原子级动态机制不清——极端环境下界面相演化缺乏原位观测手段；2. 跨尺度模型缺失——现有模型预测误差>30%，需纳入2D片层取向、层间距等参数；3. 规模化制备均匀性差——卷对卷涂布中性能波动>20%；4. 成本与绿色化矛盾——溶剂回收效率低，高能耗工艺不符碳中和目标。

  未来发展方向包括：开发原位AFM-中子散射联用技术，实时追踪限域效应动态演化；构建高精度跨尺度预测模型（目标误差<10%）；突破2D材料表面功能化与原子层沉积（ALD）集成技术，发展绿色卷对卷制备工艺；最终实现“限域增强–功能响应–环境适应”一体化智能涂层，拓展至柔性电子、生物医学、储能等交叉领域。

  文章信息：

  标题：Interfacial phase confinement effect: multi-scale mechanisms and engineering breakthroughs of 2D material-reinforced polymer coatings

  DOI：10.1016/j.pmatsci.2026.101704

  通讯作者：元辛、顾林

  单位：中山大学化学工程与技术学院 (School of Chemical Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China)