随着基础设施、汽车工程、航空航天及国防装备对结构安全和服役可靠性的要求不断提高，工程涂层已不再只是“防护层”，而逐渐向结构保护、环境耐受和实时监测一体化方向发展。传统防护涂层能够缓解腐蚀、磨损和冲击损伤，但通常缺乏感知结构变形和损伤状态的能力；而传统应变片等监测器件又难以适应大面积、曲面和复杂工程结构，且在湿热、盐雾、紫外和冲击等严苛环境下容易出现界面失效和信号漂移。聚脲材料因具有快速固化、高弹性、高韧性和良好的工程喷涂适应性，被认为是发展智能防护涂层的理想基体。然而，如何在快速喷涂固化过程中构建稳定导电网络，同时兼顾力学性能、耐候性和传感稳定性，仍是该领域的重要挑战。针对这一问题，沈阳航空航天大学孟庆实教授团队和东北大学信息科学与工程学院徐礼胜教授团队共同发表研究论文，开发了一种石墨烯纳米片功能化聚脲喷涂智能涂层，为复杂结构表面的防护与健康监测提供了新的材料方案。

图1.（a）异氰酸酯修饰的石墨烯纳米片（HT-GNPs）的制备和（b）聚脲/HT-GNP纳米复合材料喷涂涂层（PHSC）的制备。

通过异氰酸酯功能化石墨烯构建稳定导电网络：该研究的核心思路，是利用界面分子工程解决石墨烯在聚脲体系中易团聚、难分散和难以形成稳定导电通路的问题。研究团队首先通过高剪切剥离获得石墨烯纳米片，随后采用六亚甲基二异氰酸酯三聚体对其进行共价功能化，制备出异氰酸酯修饰石墨烯纳米片，即HT-GNPs。FTIR、XRD、Raman和AFM结果表明，HDIT成功接枝到石墨烯表面，同时石墨烯片层结构基本保持完整。与未改性石墨烯相比，HT-GNPs在聚脲基体中分散更加均匀，并可在固化过程中与聚脲网络发生化学结合，同时通过氢键和π–π相互作用形成多重界面作用。简单来说，这一设计不是把石墨烯“硬塞”进聚脲里，而是让石墨烯真正参与到聚脲网络构建中，从而同时改善分散性、界面结合和导电网络稳定性。

低填料含量下实现高强度与高弹性协同提升：在力学性能方面，功能化石墨烯显著提升了聚脲喷涂涂层的综合性能。实验结果显示，当HT-GNPs含量为0.1 vol%时，PHSC-0.1涂层的拉伸强度达到43.4 MPa，断裂伸长率达到707.8%，表现出优异的强度与延展性平衡。相比之下，未改性石墨烯虽然也能一定程度提高强度，但由于分散不均和界面作用较弱，高含量下容易产生缺陷并削弱材料性能。进一步的循环拉伸测试表明，PHSC涂层依靠牺牲氢键、π–π相互作用和微相分离结构实现能量耗散与弹性恢复；在300%应变后静置30分钟，PHSC-0.5的弹性恢复率可达到92.1%。此外，该涂层还表现出良好的抗穿刺、抗划伤和耐磨性能。Taber磨耗测试中，PHSC-0.5在1000次磨耗后的质量损失仅为2.2 mg，明显低于环氧树脂、商业聚氨酯和丙烯酸树脂涂层，说明该材料不仅“拉得动”，也经得起实际摩擦和刮擦环境。

实现宽应变范围、快速响应的智能感知功能：作为智能涂层，该材料最重要的功能之一是应变感知。研究发现，PHSC体系的电导率在HT-GNPs含量约0.34 vol%时出现明显渗流转变，说明功能化石墨烯能够在较低填料含量下形成三维导电网络。进一步测试表明，含2 vol% HT-GNPs的PHSC-2在传感性能和结构稳定性之间取得了最佳平衡。在0–235%应变范围内，其灵敏系数为8.4；在235%以上应变范围内，灵敏系数提高至16.0，能够覆盖从小变形到大变形的宽范围监测需求。同时，PHSC-2在不同拉伸速率下信号波动较小，表现出良好的速率稳定性；在100%应变下，其响应时间和恢复时间分别为88 ms和92 ms，说明该涂层可以快速捕捉结构表面变形变化。论文还展示了其在陶瓷碗、汽车门板和汽车底盘等复杂基底上的喷涂适配性，并通过250 J冲击实验验证了其“防护—感知”一体化潜力。这意味着涂层不仅能保护结构，还能在受到冲击或变形时提供电信号反馈。

耐候、防腐与热管理性能拓展工程应用边界：除了力学和传感性能，该研究还系统评估了涂层在复杂环境中的稳定性。PHSC-2经过20天湿热、盐雾和紫外老化后，整体仍保持较好的结构完整性和力学性能，其中盐雾和紫外条件下拉伸强度与断裂伸长率保持率较高。电化学测试表明，PHSC-2在H₂SO₄、NaOH和NaCl溶液中的腐蚀电位分别为0.23 V、0.12 V和0.15 V，显示出良好的抗腐蚀能力。其防腐机制主要来自三个方面：一是石墨烯片层构建“曲折路径”，延缓水、氧和氯离子渗透；二是HT-GNPs与聚脲基体形成强界面结合，减少界面微孔和电解质通道；三是功能化石墨烯提高交联密度，降低腐蚀介质扩散空间。与此同时，该涂层的热导率也随石墨烯含量增加而显著提升，3 vol% HT-GNPs时PHSC热导率达到1.17 W/m·K，较纯聚脲明显提高，显示出一定热管理潜力。总体来看，这项研究通过异氰酸酯功能化石墨烯与可规模化喷涂聚脲工艺的结合，实现了高强度、高弹性、耐腐蚀、耐候性、快速应变感知和热传导性能的协同提升。未来，若进一步验证其在长期振动、热循环、户外老化和复杂结构服役中的稳定性，该类智能聚脲涂层有望用于桥梁、车辆底盘、航空航天部件、工业设备和大型基础设施的结构健康监测与防护一体化应用。

第一作者：

于音，沈阳聚盛新材料技术有限公司研发总监，孟庆实教授团队主要研发人员，东北大学博士。从事多功能纳米复合材料、光固化3D打印树脂、可穿戴智能传感器研发等交叉领域研究。主持校级科研创新项目1项，参与国家自然科学基金项目4项，共发表SCI学术论文十余篇，获批国家发明专利4项。

通讯作者：

孟庆实，沈阳航空航天大学教授，博士生导师，沈阳聚盛新材料技术有限公司首席技术专家，兼任沈阳飞行器未来技术有限公司科技专员。连续5年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。目前主要从事飞机结构轻质防护聚脲涂层的开发、基于多功能传感器的飞机结构损伤监控、微小型无人机复合材料结构激光增材制造等领域的研究。

原文信息：

Yin Yu, Bohao Meng, Yuxin Fu, Shuhua Peng, Lisheng Xu*, Qingshi Meng*

Graphene nanoplatelet-functionalized polyurea coatings for high strength, corrosion resistance and smart sensing

Advanced Nanocomposites, 2026, 3, 20–33.

https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.12.002