综述：外部自修复防腐涂层的定向设计：方法、进展、前沿、挑战及工程应用

《Progress in Organic Coatings》：Directional design of extrinsic self-healing anti-corrosion coatings: methods, developments, frontiers, challenges, and engineering applications

　　

摘要

外部自修复防腐涂层属于智能防护材料的一种。这类涂层在涂层基体中加入了预先封装的修复剂或功能性载体。一旦涂层遭到损坏，其自修复功能就会被激活，从而有效延长材料的使用寿命，这一领域也因此成为材料科学中的重要研究热点。本文系统总结了外部自修复涂层的研究进展，重点探讨了微胶囊型、多孔支撑载体型、连续管状载体型以及其他功能性载体型等几种典型涂层体系。文中详细阐述了每种体系的核心自修复机制、关键设计参数以及当前的研究进展。通过系统的对比分析，本文指出了制约这类涂层大规模工程应用的主要瓶颈，包括单次修复能力有限、对复杂环境的适应性较差，以及载体与涂层基体之间的界面相容性较弱。在此基础上，本文提出了针对实际工程应用条件的定制化涂层设计策略，并进一步展望了该领域的未来发展前景。文章强调，将外部自修复机制与内部自修复机制相结合，构建协同的双重自修复系统，对于开发下一代长效智能防护涂层具有巨大潜力。本综述为该领域的后续基础研究及工程应用提供了宝贵的参考。

引言

尽管目前关于自修复涂层的研究仍主要以实验室研究为主，但已有各类自修复涂层被开发出来[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。作为基于聚合物的功能性材料，自修复涂层在受到物理或化学损伤后能够自主恢复原有的结构与防护性能。近年来，外部自修复防腐涂层已成为防腐材料领域的研究热点。

如图1所示，过去十年间，关于自修复防腐涂层的年度论文发表数量持续增长，这一趋势反映出学术界对该领域的兴趣日益浓厚，相关研究也进展迅速。尤其值得注意的是，2020年后论文发表量大幅增加，最近三年更是呈现快速增长态势（2023年4篇，2024年7篇，2025年6篇）。这表明外部自修复防腐涂层已成为跨越材料科学与防腐保护领域的极为重要的研究方向。

目前，根据其核心自修复机制的不同，自修复防腐涂层可分为内部自修复涂层和外部自修复涂层，二者在材料组成、修复原理以及应用范围方面存在显著差异，具体如表1所示。

内部自修复涂层的修复裂纹范围较窄，且合成难度较高，难以满足海洋工程、航空航天以及民用钢结构中大规模机械损伤的防腐需求。相比之下，外部自修复防腐涂层通过人工设计的载体-修复剂复合单元实现精准的裂纹填充与金属钝化，已成为工业金属部件的主流智能防护材料。然而，现有的外部涂层体系存在诸多问题，表现为载体形态、修复剂负载能力、刺激响应灵敏度与实际使用环境之间存在明显不匹配：随机混合的微胶囊/纳米容器往往会导致分布不均、修复剂释放失控，进而大幅降低其长期防腐性能。为解决这些矛盾，本文聚焦于外部自修复防腐涂层定向合理设计这一核心科学问题：如何实现对载体拓扑结构、修复剂配方以及刺激响应释放行为的定向优化，从而在不同的极端工程环境下，同时最大化自修复效率、保持与涂层基体的良好界面相容性，并实现稳定的长期防腐性能。

外部自修复涂层是通过在涂层基体中引入外部组分来实现自修复的，这些外部组分包括含有修复剂的微胶囊、碳纳米管、微血管、玻璃纤维、层状双氢氧化物（LDH）、纳米粒子、金属有机框架（MOFs）以及共价有机框架（COFs）等。对于那些受损界面难以接触的大面积毫米级或微米级材料损伤，引入外部修复剂能够在保持材料原有特性的同时，在损伤部位实现自修复。这种方法需要预先嵌入各种修复剂体系，然后再将其加入基体中。当材料受到损伤时，损伤处的修复剂会在外部刺激（如力、pH值、温度等）的作用下释放出来，进而实现自修复。而内部自修复则不需要外部修复系统，涂层材料本身就具备特殊的化学键或其他物理化学性质，如可逆共价键、非共价键以及分子扩散作用，从而实现自修复。这种方法无需依赖修复剂，无需经过预先嵌入等复杂步骤，且对基体性能的影响较小。不过，涂层基体材料的分子结构设计是该方法面临的最大挑战，这也是当前的研究重点。本文总结了近年来外部自修复涂层领域的最新研究成果，阐述了外部自修复防腐涂层的修复机制、类型及其应用情况（见图2），并对其未来的发展趋势与应用前景进行了展望。

章节节选

外部自修复防腐涂层及其修复机制

外部自修复防腐涂层，也被称为添加剂型自修复涂层，是一种通过在涂层中引入活性修复材料的载体，从而在微观损伤区域实现自修复的功能性涂层[6]。这些活性修复材料通常为基于聚合物的修复剂或金属腐蚀抑制剂[7]、[8]、[9]。研究人员会将活性修复材料嵌入或吸附在微载体中，再将其添加到涂层中。在涂层使用过程中，诸如

外部自修复防腐涂层的研究进展

为了全面概述外部自修复系统中现有的各种修复策略，图4示意性地展示了七种典型载体结构的工作原理。这些载体结构包括零维微胶囊（单组分和双组分体系）、零至三维纳米多孔容器（介孔二氧化硅、MOFs/COFs以及层状纳米片）、一维核壳纳米纤维，以及三维互连结构

外部自修复防腐涂层的研发方向

凭借“受损后自修复且能持续提供防护”的核心优势，外部自修复防腐涂层打破了传统涂层“仅能被动防护，一旦受损则失效”的局限。它们能够针对性地解决不同领域的腐蚀问题，降低维护成本，延长设备使用寿命，在海洋工程、电子产品、水电/核能等诸多关键领域都具有极高的应用潜力

核心挑战

结合海洋工程、电子设备、水电/核能、航空器、土木工程等领域的应用场景及腐蚀特点，外部自修复防腐涂层具有极高的工程应用价值。这类涂层通过微胶囊、纳米容器等载体将修复剂封装在涂层基体内部。由于无机/有机载体之间的表面性质存在差异

CRediT作者贡献说明

王业欢：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据整理。黄华良：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、方法学、正式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

王业欢|黄华良

中国湖北省化工设备强化与本质安全重点实验室，武汉理工大学化学与环境工程学院、机电工程学院，武汉，430074