碳纤维梯度功能材料的发展及应用概览

1. 概述

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,缩写FGM) 是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。

碳纤维梯度功能复合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）融合了碳纤维与其他材料，通过调整结构、组成及密度等参数，实现了界面的最小化甚至消失，从而形成具有性能渐变的非均质新型复合材料。

2.主要种类

传统的碳纤维复合材料通常呈均匀分布。然而，在某些应用场景中，需结合具有不同物理性质与功能的材料。单一的碳纤维复合材料可能因性能不匹配而导致结构损坏。因此，梯度材料应运而生，以实现不同性能材料的无缝结合。

历史上，例如越王勾践剑，就是早期梯度材料的应用实例，其剑锋与剑身结构特征不同。自然界中，如动物骨骼，也呈现梯度结构。这些实例启发了现代梯度材料的开发。

图 越王勾践剑

碳纤维梯度材料可以根据其复合材料的种类和特性进行分类。下面是一些常见的类型及其特点：

表 主要碳纤维梯度材料一览

每种梯度材料都具有其独特的性能，适用于不同的工业领域和环境条件。这些材料的开发和应用正成为材料科学和工程领域的研究热点。

3.技术前沿

航空航天领域的发展催生了碳纤维梯度功能复合材料。这类材料需承受极端温度条件，例如航天器机头和发动机室的高温环境。1984年，日本学者首次提出梯度功能复合材料的概念，该材料通过控制组成和微观结构实现了陶瓷与金属的连续过渡，有效缓解热应力，适应高温环境。

尽管梯度材料已取得显著进展，但其发展潜力仍大。碳纤维梯度材料在导热、导电、电磁屏蔽等领域具有广泛应用。2023年，《Composite Structures》期刊发表了西北工业大学飞行器复合材料结构研究所郑锡涛教授团队的研究，该研究基于碳纤维复合材料梯度阵列，提出了一种新型轻质隐身承载一体化设计。

图  格栅吸波结构示意图：(a) 周期结构；(b) 梯度碳纤维条阵列

4.原料市场

目前碳纤维梯度材料尚处于细分市场，规模化的数据较少，本文从碳纤维整体市场情况进行分析。

21世纪后 ，国内碳纤维的研究及应用飞速发展。由于近年来我国对军机的需求、以北斗导航系统为首的航天技术的发展、民用航空的快速发展以及风电叶片的大量需求等，让国家对碳纤维全产业链的投入加大。2021 年江苏恒神产值产量双提升，实现恒神创建以来首次盈利，也迎来了国产纤维首次全行业盈利；2022年2月份，世界首创由碳纤维材料制备的北京冬季奥运会火炬外壳亮相。同时各碳纤维企业正在加大发展力度：2021年9月中国建材西宁万吨碳纤维基地投产；10 月吉林化纤年产600吨的高性能碳纤维首条碳化线试车成功；2022 年 1 月上海石化的1.2万吨/年的48 K大丝束碳纤维生产设备到场；2022年3月新疆隆炬新材料5万吨/年的高性能碳纤维项目复工，2023年4月新疆隆炬48K大丝束碳纤维生产线试车成功；2023年4月，中复神鹰连云港3万吨碳纤维项目正式开工，5月西宁2.5万吨项目全面投产，预计2023年末中复神鹰年产能将达到2.85万吨/年。

图 碳纤维主要企业地理分布

5.小结

随着高技术领域对材料性能要求的日益提高，碳纤维梯度功能复合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）应运而生，为材料科学带来了新的发展方向。这些材料结合了不同物质的优势，通过渐变的组合方式，优化了性能与应用范围。碳纤维梯度材料的研发，旨在满足航天航空等行业在极端环境下的需求。

这类材料的多样性体现在碳纤维与各种材料如陶瓷、金属、聚合物等的结合。这种结合赋予了材料如高温耐性、高机械强度、良好韧性等特性，使其在航空航天、汽车工业、体育用品等多个领域拥有广泛的应用。梯度材料的研究不仅受到自然界结构的启发，如动物骨骼的梯度结构，也得益于历史上的应用实例，如越王勾践剑的复杂材料结构。

技术上，碳纤维梯度材料的发展已经取得显著进步。例如，西北工业大学飞行器复合材料结构研究所近期的研究成果，展示了这些材料在电磁波吸收、机械性能增强方面的潜力。市场层面，尽管目前碳纤维梯度材料处于细分市场阶段，但随着技术的不断进步和应用的扩大，预计将迎来更广阔的发展前景。

总的来说，碳纤维梯度功能复合材料的发展是材料科学领域的一个重要里程碑，其在多个高技术领域的应用前景广阔。随着进一步研究和技术革新，这些材料未来可能在更多领域展现其独特的价值。

文献来源

信息来源：碳纤维复合材料制作与加工公众号

参考文献：“A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances”

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。