1. 概述

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials,縮寫FGM) 是兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料，是應(yīng)現(xiàn)代航天航空工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域的需要，為滿足在極限環(huán)境下能反復(fù)地正常工作而發(fā)展起來的一種新型功能材料。

碳纖維梯度功能復(fù)合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）融合了碳纖維與其他材料，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)、組成及密度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了界面的最小化甚至消失，從而形成具有性能漸變的非均質(zhì)新型復(fù)合材料。

2.主要種類

傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料通常呈均勻分布。然而，在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，需結(jié)合具有不同物理性質(zhì)與功能的材料。單一的碳纖維復(fù)合材料可能因性能不匹配而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。因此，梯度材料應(yīng)運(yùn)而生，以實(shí)現(xiàn)不同性能材料的無縫結(jié)合。

歷史上，例如越王勾踐劍，就是早期梯度材料的應(yīng)用實(shí)例，其劍鋒與劍身結(jié)構(gòu)特征不同。自然界中，如動(dòng)物骨骼，也呈現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)。這些實(shí)例啟發(fā)了現(xiàn)代梯度材料的開發(fā)。

圖 越王勾踐劍

碳纖維梯度材料可以根據(jù)其復(fù)合材料的種類和特性進(jìn)行分類。下面是一些常見的類型及其特點(diǎn)：

表 主要碳纖維梯度材料一覽

每種梯度材料都具有其獨(dú)特的性能，適用于不同的工業(yè)領(lǐng)域和環(huán)境條件。這些材料的開發(fā)和應(yīng)用正成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

3.技術(shù)前沿

航空航天領(lǐng)域的發(fā)展催生了碳纖維梯度功能復(fù)合材料。這類材料需承受極端溫度條件，例如航天器機(jī)頭和發(fā)動(dòng)機(jī)室的高溫環(huán)境。1984年，日本學(xué)者首次提出梯度功能復(fù)合材料的概念，該材料通過控制組成和微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了陶瓷與金屬的連續(xù)過渡，有效緩解熱應(yīng)力，適應(yīng)高溫環(huán)境。

盡管梯度材料已取得顯著進(jìn)展，但其發(fā)展?jié)摿θ源?。碳纖維梯度材料在導(dǎo)熱、導(dǎo)電、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。2023年，《Composite Structures》期刊發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究所鄭錫濤教授團(tuán)隊(duì)的研究，該研究基于碳纖維復(fù)合材料梯度陣列，提出了一種新型輕質(zhì)隱身承載一體化設(shè)計(jì)。

圖  格柵吸波結(jié)構(gòu)示意圖：(a) 周期結(jié)構(gòu)；(b) 梯度碳纖維條陣列

4.原料市場(chǎng)

目前碳纖維梯度材料尚處于細(xì)分市場(chǎng)，規(guī)?；臄?shù)據(jù)較少，本文從碳纖維整體市場(chǎng)情況進(jìn)行分析。

21世紀(jì)后 ，國內(nèi)碳纖維的研究及應(yīng)用飛速發(fā)展。由于近年來我國對(duì)軍機(jī)的需求、以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為首的航天技術(shù)的發(fā)展、民用航空的快速發(fā)展以及風(fēng)電葉片的大量需求等，讓國家對(duì)碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈的投入加大。2021 年江蘇恒神產(chǎn)值產(chǎn)量雙提升，實(shí)現(xiàn)恒神創(chuàng)建以來首次盈利，也迎來了國產(chǎn)纖維首次全行業(yè)盈利；2022年2月份，世界首創(chuàng)由碳纖維材料制備的北京冬季奧運(yùn)會(huì)火炬外殼亮相。同時(shí)各碳纖維企業(yè)正在加大發(fā)展力度：2021年9月中國建材西寧萬噸碳纖維基地投產(chǎn)；10 月吉林化纖年產(chǎn)600噸的高性能碳纖維首條碳化線試車成功；2022 年 1 月上海石化的1.2萬噸/年的48 K大絲束碳纖維生產(chǎn)設(shè)備到場(chǎng)；2022年3月新疆隆炬新材料5萬噸/年的高性能碳纖維項(xiàng)目復(fù)工，2023年4月新疆隆炬48K大絲束碳纖維生產(chǎn)線試車成功；2023年4月，中復(fù)神鷹連云港3萬噸碳纖維項(xiàng)目正式開工，5月西寧2.5萬噸項(xiàng)目全面投產(chǎn)，預(yù)計(jì)2023年末中復(fù)神鷹年產(chǎn)能將達(dá)到2.85萬噸/年。

圖 碳纖維主要企業(yè)地理分布

5.小結(jié)

隨著高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芤蟮娜找嫣岣?，碳纖維梯度功能復(fù)合材料（Carbon Fibre Gradient Functional Composite）應(yīng)運(yùn)而生，為材料科學(xué)帶來了新的發(fā)展方向。這些材料結(jié)合了不同物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，通過漸變的組合方式，優(yōu)化了性能與應(yīng)用范圍。碳纖維梯度材料的研發(fā)，旨在滿足航天航空等行業(yè)在極端環(huán)境下的需求。

這類材料的多樣性體現(xiàn)在碳纖維與各種材料如陶瓷、金屬、聚合物等的結(jié)合。這種結(jié)合賦予了材料如高溫耐性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好韌性等特性，使其在航空航天、汽車工業(yè)、體育用品等多個(gè)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用。梯度材料的研究不僅受到自然界結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，如動(dòng)物骨骼的梯度結(jié)構(gòu)，也得益于歷史上的應(yīng)用實(shí)例，如越王勾踐劍的復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)。

技術(shù)上，碳纖維梯度材料的發(fā)展已經(jīng)取得顯著進(jìn)步。例如，西北工業(yè)大學(xué)飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究所近期的研究成果，展示了這些材料在電磁波吸收、機(jī)械性能增強(qiáng)方面的潛力。市場(chǎng)層面，盡管目前碳纖維梯度材料處于細(xì)分市場(chǎng)階段，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)大，預(yù)計(jì)將迎來更廣闊的發(fā)展前景。

總的來說，碳纖維梯度功能復(fù)合材料的發(fā)展是材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，其在多個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。隨著進(jìn)一步研究和技術(shù)革新，這些材料未來可能在更多領(lǐng)域展現(xiàn)其獨(dú)特的價(jià)值。

文獻(xiàn)來源

信息來源：碳纖維復(fù)合材料制作與加工公眾號(hào)

參考文獻(xiàn)：“A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances”

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。