在现代工业制造领域，网材处理技术[1]是造纸、印刷、纺织以及新能源电池隔膜生产等核心产业的基础支柱。目前，这一领域面临着与物理性能限制相关的深刻挑战。随着对更大宽度、更高线速度和更精确张力控制的需求增加，工业滚轮（作为传输和加工的核心部件）的性能瓶颈已成为限制生产效率进一步提高的关键因素。
传统的金属材料，如铸铁、结构钢和铝合金[2]、[3]、[4]，受到其固有比刚度（模量与密度比）的限制。因此，在高长径比和超高旋转速度的条件下，它们的动态性能已接近极限。在这种情况下，碳纤维增强聚合物（CFRP）因其出色的比刚度和低密度而成为下一代高性能滚轮的首选基材[5]、[6]。然而，CFRP在恶劣服役环境中的广泛应用受到其固有缺点的严重限制，包括低表面硬度、较差的耐磨性和加工难度[7]。为了解决这些问题，表面金属化技术[8]已成为关键的研究焦点，能够显著提升CFRP部件的表面性能，从而突破其应用范围。
CFRP表面的直接金属化面临重大挑战。固化的环氧树脂基体通常具有极低的表面自由能和缺乏活性极性官能团，导致熔融金属滴无法在基材表面扩散和润湿，从而无法形成有效的粘结。此外，金属与聚合物之间的热物理性质和热膨胀系数差异会在界面处产生严重的剪切应力。一旦这种应力超过界面粘结强度，就会导致涂层分层。
鉴于直接金属化的固有困难，引入中间粘结层成为调节界面能量和缓冲热应力的重要策略[9]。当前的研究主要采用电镀[10]、化学镀[11]、物理气相沉积（PVD）[12]、磁控溅射[13]或冷喷涂[14]等技术来制备粘结层，通过梯度过渡策略解决兼容性问题。例如，Fallah等人[15]、[16]采用电镀Ni和电镀Cu的混合工艺在CFRP基材上制备了多层金属涂层，成功解决了直接冷喷涂铜时遇到的粘结问题。同样，Balaraju等人[17]使用碱性柠檬酸盐浴化学镀法在PAN基碳纤维和CFRP复合材料上合成了基于Ni的多元素合金涂层，从而调整了涂层性能以满足各种性能要求。此外，Maurer等人[18]结合磁控溅射和Ar/O2等离子预处理，在CFR-环氧和CFR-PEEK基材上沉积了纯Ti、TiN和Ti/TiN多层PVD涂层，显著提高了其综合耐腐蚀性。
虽然这些表面金属化技术在特定领域表现出色，但物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）受到极低沉积速率和昂贵真空设备的限制，不适合在大型部件上制备厚涂层。相比之下，电镀工艺涉及复杂的预处理过程、化学污染的环境问题以及氢脆风险。冷喷涂作为一种低温固态沉积技术受到了广泛关注，但在涉及软聚合物基材的实际应用中，高能金属颗粒常常会引起严重的“喷砂效应”，导致基材侵蚀而非沉积。此外，缺乏有效的粘结机制限制了其在热固性CFRP表面的成膜能力。
相比之下，热喷涂技术[19]的优势在于能够以高速率沉积数百微米厚的功能性涂层，非常适合工业规模生产。特别是电弧喷涂[20]，由于其低热输入，可以在不损坏CFRP基材的情况下快速构建金属粘结层。随后，等离子喷涂技术[21]可用于沉积高熔点功能性顶层。这两种工艺的有效结合使得理想涂层系统的制备成为可能。
在粘结层材料的选择上，研究人员普遍青睐铝（Al），因为它具有低密度、耐腐蚀性和高温稳定性。然而，尽管铝重量轻，但其熔化潜热较高，在沉积过程中容易对基材造成不可逆的热损伤。相比之下，锌（Zn）的熔点（112.8 kJ/kg）显著较低，熔化焓约为铝的四分之一（396.9 kJ/kg）。此外，锌还能为CFRP基体提供更好的电化学保护[22]、[23]、[24]、[25]。
在实际生产过程中，导向滚轮的表面会长时间与薄膜、纸张或金属箔发生高速接触和摩擦。这种环境使它们容易受到粘着磨损和微切割的影响，可能导致滚轮失效并进而刮伤网材产品。因此，在接触表面构建高性能保护涂层至关重要。选择AT40涂层而非纯氧化铝或低二氧化钛涂层的原因在于应用的具体机械要求。在高速度运行过程中，导向滚轮承受高频交变弯曲载荷。纯陶瓷涂层容易因滚轮体的微变形而产生贯穿裂纹。相比之下，AT40粉末在等离子喷涂的高温条件和快速冷却速率下处理时，能够促进Al2TiO5相的原位形成。这种相被认为可以引入微裂纹偏转和增韧机制，从而可能提高涂层的断裂韧性和抗疲劳剥落性能[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。此外，TiO2晶格的较低剪切强度为表面提供了优异的固体润滑性能，有效降低了导向滚轮与网材之间的摩擦系数，防止了因过度摩擦力引起的起皱或断裂问题[31]。因此，AT40涂层的应用对于提高导向滚轮的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性以及优化其摩擦学特性具有重要意义。
鉴于上述背景，本研究系统地研究了AT40/Zn/CFRP复合涂层系统的制备工艺和服务性能。具体而言，对微观结构特性、机械性能、摩擦学机制以及耐腐蚀性的演变进行了全面分析。这些发现旨在为CFRP表面下一代高性能热喷涂涂层的发展提供理论基础。
