碳纤维梯度功能复合材料：满足极限环境需求的新型材料
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|1 概述
功能梯度材料（FGM）是由两种或两种以上材料组成的成分和结构呈连续梯度变化的新型复合材料，是为了满足现代航空航天工业等高科技领域的需要，能在极端环境下正常重复工作而研制的一类新型功能材料。
碳纤维梯度功能复合材料（Fibre）是将碳纤维与其他材料复合，通过调整结构、成分、密度等参数，使界面最小化甚至消除，从而形成性能渐变的新型异质复合材料。
2. 主要类型
传统碳纤维复合材料通常分布均匀，但在某些应用场景下，需要将不同物理性能和功能的材料组合在一起，单一碳纤维复合材料可能因性能不匹配而导致结构损伤，因此梯度材料应运而生，实现不同性能材料的无缝组合。
历史上越王勾践剑是渐变材料应用的早期例子，剑身与剑刃具有不同的结构特征，自然界中如动物骨骼中也存在渐变结构，这些例子启发了现代渐变材料的发展。
越王勾践剑
碳纤维梯度材料可根据其复合材料的种类及特点进行分类，下面介绍几种常见的类型及其特点：
表 主要碳纤维梯度材料一览表
每一种梯度材料都有着自己独特的性能，适用于不同的工业领域和环境条件，该类材料的开发与应用正在成为材料科学与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。这类材料需要承受极端温度条件，例如航天器的机头、发动机舱等高温环境。1984年，日本学者首次提出梯度功能复合材料的概念，通过控制成分和微观结构，实现陶瓷与金属之间的连续过渡，有效缓解热应力，适应高温环境。
梯度材料虽然取得了重大进展，但其发展潜力依然很大。碳纤维梯度材料在导热、导电、电磁屏蔽等领域有着广泛的应用。2023年，《》杂志发表了西北工业大学飞机复合材料结构研究所郑希涛教授团队的研究成果，该研究提出了一种基于碳纤维复合材料梯度阵列的新型轻量化隐身承力一体化设计。
网格吸波结构示意图：（a）周期性结构；（b）梯度碳纤维条带阵列
4. 原材料市场
目前碳纤维梯度材料还处于细分市场，大样本的数据较少，本文对碳纤维整体市场情况进行分析。
进入21世纪后，国内碳纤维研究应用发展迅速，由于近年来军用飞机需求、北斗导航系统带动的航天技术发展、民用航空的快速发展以及风电叶片的大量需求功能梯度材料，国家加大对碳纤维全产业链的投入。2021年，江苏恒神产值、产量双增长，实现成立以来首次盈利，也迎来国产纤维全行业首次盈利；2022年2月，全球首个采用碳纤维材料制成的北京冬奥会火炬外壳亮相。与此同时，各家碳纤维企业也在加紧发展力度：2021年9月，中国建材西宁万吨级碳纤维基地投产；10月，吉林化纤第一条年产600吨高性能碳纤维碳化线试车成功； 2022年1月，上海石化1.2万吨/年48K大丝束碳纤维生产装置到货；2022年3月，新疆龙聚新材5万吨/年高性能碳纤维项目复工，2023年4月，新疆龙聚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年底，中复神鹰年产能将达到2.85万吨/年。
图主要碳纤维企业地域分布
5. 总结
随着高科技领域对材料性能要求的不断提高，碳纤维梯度功能复合材料（Fibre）应运而生，给材料科学带来了新的发展方向。这类材料综合了不同物质的优点，通过逐步组合，优化性能和应用范围。碳纤维梯度材料的研发旨在满足航空航天等行业在极端环境下的使用需求。
该类材料的多样性体现在碳纤维可以与陶瓷、金属、聚合物等多种材料组合，这种组合赋予材料耐高温、机械强度高、韧性好等性能，使其在航空航天、汽车工业、体育用品等领域得到广泛应用。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，也得益于历史应用实例，如越王勾践剑的复杂材料结构。
技术层面，碳纤维梯度材料研发已取得重大进展，如西北工业大学飞机复合材料结构研究所近期研究成果，展现出该类材料在电磁波吸收、力学性能增强等方面的潜力。市场层面，尽管目前碳纤维梯度材料处于市场细分阶段，但随着技术的不断进步和应用领域的拓展，有望迎来更为广阔的发展前景。
总体而言，碳纤维梯度功能复合材料的开发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。随着进一步的研究和技术创新，未来该类材料或许会在更多的领域展现出其独特的价值。
文献来源