基于网络拓扑优化的石墨烯复合涂层防腐性能增强机制研究

针对石墨烯拓扑结构简单化、防腐测试周期长及标准不统一等问题，研究人员通过COMSOL Multiphysics数值模拟，系统研究了无序、平行均匀和致密层状三种石墨烯拓扑结构对复合涂层导电性和屏障性能的影响，发现致密层状排列可显著延长腐蚀介质扩散路径并降低垂直方向浓度梯度，实验验证了该结构的优越性，为防腐涂层设计提供了新方法。

　　

在海洋工程、船舶等领域，设备面临的腐蚀环境日益严苛，传统有机涂层虽成本低、屏蔽性能好，但难以满足长效防护需求。石墨烯因其超高径厚比和化学惰性，成为提升涂层防腐性能的理想填料，但现有研究受限于石墨烯拓扑结构单一（如无序随机排列）、实验周期长且缺乏统一评价标准，导致“迷宫效应”优化陷入瓶颈。如何通过理论模拟快速预测不同拓扑结构的防腐性能，成为突破该领域技术天花板的关键科学问题。

针对这一挑战，上海交通大学等机构的研究团队创新性地提出基于COMSOL Multiphysics软件的数值模拟方法，通过JAVA算法构建了无序石墨烯/环氧涂层（Dis-GECs）、平行排列石墨烯/环氧涂层（Par-GECs）和致密层状石墨烯/环氧涂层（Lay-GECs）三种典型拓扑结构的二维模型。研究聚焦20 μm厚涂层中石墨烯的排列方式对腐蚀介质扩散行为的影响，忽略表面褶皱等缺陷以突出拓扑结构效应。

主要技术方法
团队采用多物理场耦合模拟技术，通过参数化扫描分析石墨烯体积分数φ与直径厚度比α对导电性和屏障性能的影响；结合自编JAVA算法实现三种拓扑结构的精准建模；通过长期浸泡实验验证模拟结论，样本采用标准化的盐雾环境测试条件。

研究结果

1. 二维模型构建与网格划分
   抽象石墨烯为L×W矩形单元，在恒定φ下比较三种拓扑结构。模拟显示Lay-GECs中石墨烯的层状分布形成连续屏障网络，显著延长腐蚀介质扩散路径。

2. 结果与讨论
   导电性测试表明，Lay-GECs在φ=1.5%时电阻率较Dis-GECs提高2个数量级；屏障性能模拟揭示其优势源于双重机制：一是腐蚀介质需绕行致密石墨烯层，路径长度增加；二是垂直方向浓度梯度降低50%以上，抑制了电化学腐蚀动力。

3. 结论
   致密层状拓扑通过空间位阻和浓度场调控协同增强防腐性能，在φ=2%时浸泡实验的腐蚀速率比传统涂层降低76%。该研究为通过拓扑工程设计高性能防腐涂层提供了理论框架。

重要意义
该成果发表于《Progress in Organic Coatings》，首次将多物理场模拟与拓扑优化结合，突破了传统模型仅考虑均匀分布的局限，揭示了浓度梯度调控的新机制。提出的预测方法可加速涂层配方开发，对海洋装备长效防护具有重要工程价值。作者Zhewei Huang等强调，未来可进一步研究石墨烯-基体界面化学对拓扑稳定性的影响，以推动该技术走向产业化。